Nanoteunoloxía

Representación animada d'un nanotubo de carbonu.

La nanoteunoloxía ye la manipulación de la materia a escala nanométrica. La más temprana y espublizada descripción de la nanoteunoloxía^[1][2] referir a la meta teunolóxica particular de manipoliar en forma precisa los átomos y molécules pa la fabricación de productos a macroescala, agora tamién referida como nanoteunoloxía molecular. Subsecuentemente una descripción más xeneralizada de la nanoteunoloxía foi establecida pola Iniciativa Nanoteunolóxica Nacional, la que define la nanoteunoloxía como la manipulación de la materia con siquier una dimensión del tamañu d'ente 1 a 100 nanómetros. Esta definición reflexa'l fechu de que los efeutos mecánica cuántica son importantes a esta escala del dominiu cuánticu y, asina, la definición camudó dende una meta teunolóxica particular a una categoría d'investigación incluyendo tolos tipos d'investigación y teunoloxíes que tienen que ver coles propiedaes especiales de la materia qu'asoceden so ciertu estragal de tamañu. Ye común l'usu de la forma plural de "nanoteunoloxías" según "teunoloxíes de nanoescala" pa referise al ampliu rangu d'investigaciones y aplicaciones que'l so tema de mancomún ye'l so tamañu. Por cuenta de la variedá de potenciales aplicaciones (incluyendo aplicaciones industriales y militares), los gobiernos invirtieron miles de millones de dólares n'investigación de la nanoteunoloxía. Al traviés de la so Iniciativa Nanoteunolóxica Nacional, Estaos Xuníos invirtió 3,7 mil millones de dólares. La Xunión Europea invirtió^{[ensin referencies]} 1,2 mil millones y Xapón 750 millones de dólares.^[3]

Nano ye un prefixu griegu qu'indica una midida (10^-9 = 0,000 000 001), non un oxetu; de manera que la nanoteunoloxía carauterizar por ser un campu esencialmente multidisciplinar, y cohesionado puramente pola escala de la materia cola que trabaya.

La nanoteunoloxía definida pol tamañu ye naturalmente un campu bien amplio, qu'inclúi distintes disciplines de la ciencia tan diverses como la ciencia de superficies, química orgánica, bioloxía molecular, física de los semiconductores, microfabricación, etc.^[4] Les investigaciones y aplicaciones acomuñaes son igualmente diverses, diendo dende estensiones de la física de los dispositivos a nuevos aproximamientos dafechu nueves basaes nel autoensamblaje molecular, dende'l desenvolvimientu de nuevos materiales con dimensiones na nanoescalas al control direutu de la materia a escala atómica.

Anguaño los científicos tán aldericando'l futuru de les implicaciones de la nanoteunoloxía. La nanoteunoloxía puede ser capaz de crear nuevos materiales y dispositivos con un vastu algame d'aplicaciones, tales como na medicina, electrónica, biomateriales y la producción d'enerxía. Per otra parte, la nanoteunoloxía fai surdir les mesmes esmoliciones que cualesquier nueva teunoloxía, incluyendo esmoliciones alrodiu de la toxicidá y l'impautu ambiental de los nanomateriales,^[5] y los sos potenciales efeutos na economía global, según especulaciones alrodiu de dellos escenarios apocalípticos. Estes esmoliciones llevaron al bancia ente dellos grupos de defensa y gobiernos sobre si ríquense regulaciones especiales pa la nanoteunoloxía.

Definición

La nanoteunoloxía entiende l'estudiu, diseñu, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemes funcionales al traviés del control de la materia a nanoescala, y l'esplotación de fenómenos y propiedaes de la materia a nanoescala. Cuando se manipolia la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedaes totalmente nueves. Poro, los científicos utilicen la nanoteunoloxía pa crear materiales, aparatos y sistemes novedosos y pocu costosos con propiedaes úniques.

Historia

Artículu principal: Hestoria de la nanoteunoloxía

El ganador del premiu Nobel de Física de 1965, Richard Feynman, foi'l primeru en faer referencia a les posibilidaes de la nanociencia y la nanoteunoloxía nun discursu que dio nel Caltech (Institutu Teunolóxicu de California) el 29 d'avientu de 1959, tituláu No fondero hai espaciu de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom), nel que describe la posibilidá de la síntesis vía la manipulación direuta de los átomos. El términu "nanoteunoloxía" foi usáu per primer vegada por Norio Taniguchi nel añu 1974, anque esto nun ye llargamente conocíu.

Comparances de los tamaños de los nanomateriales.

Inspiráu nos conceutos de Feynman, en forma independiente K. Eric Drexler usó'l términu "nanoteunoloxía" nel so llibru del añu 1986 Motores de la creación Motores de la Creación: La Llegada de la Era de la Nanoteunoloxía (n'inglés: Engines of Creation: The Coming Yera of Nanotechnology), nel que propunxo la idea d'un "ensamblador" a nanoescala que sería capaz de construyir una copia de sigo mesmu y d'otros elementos de complexidá arbitraria con un nivel de control atómicu. Tamién nel añu 1986, Drexler co-fundó The Foresight Institute (en castellán: L'Institutu d'Estudios Prospectivos), col cual yá nun tien rellación, p'ayudar a aumentar la conciencia y comprensión pública de los conceutos de la nanoteunoloxía y les sos implicaciones.

Asina, el surdimientu de la nanoteunoloxía como un campu na década de 1980 asocedió pola converxencia del trabayu teóricu y públicu de Drexler, quien desenvolvió y popularizó un marcu conceptual pa la nanoteunoloxía, y les meyores esperimentales d'alta visibilidá qu'atraxeron atención adicional a amplia escala a los prospeutos del control atómicu de la materia.

Por casu, la invención del microscopiu d'efeutu túnel nel añu 1981 apurrió una visualización ensin precedentes de los átomos y enllaces individuales, y foi usáu exitosamente pa manipoliar átomos individuales nel añu 1989. Los desarrolladores del microscopiu Gerd Binnig y Heinrich Rohrer del IBM Zurich Research Laboratory (en castellán: Llaboratoriu d'Investigación Zurich IBM) recibieron un Premiu Nobel en Física nel añu 1986.^[6][7] Binnig, Quate y Gerber tamién inventaron el microscopiu de fuercia atómico análogu esi añu.

Buckminsterfullereno C₆₀, tamién conocíu como buckybola, ye un miembru representativu de les estructures de carbonu conocíes como fullerenos. Los miembros de la familiar del fullereno son una materia principal d'investigación que cai sol interés de la nanoteunoloxía.

Los fullerenos fueron afayaos nel añu 1985 por Harry Kroto, Richard Smalley y Robert Curl, quien en xunto ganaron el Premiu Nobel de Química del añu 1996.^[8][9] Primeramente'l C₆₀ nun foi descritu como nanoteunoloxía; el términu foi utilizáu en rellación col trabayu posterior colos tubos de grafeno rellacionaos (llamaos nanotubos de carbonu y delles vegaes tamién tubos bucky) lo que suxería aplicaciones potenciales pa dispositivos y electrónica de nano escala.

A principios de la década de 2000, el campu collechó un amontáu interés científicu, políticu y comercial que llevó tanto al discutiniu como al progresu. Los discutinios surdieron en rellación a les definiciones y potenciales implicaciones de les nanoteunoloxías, ejemplificado pol informe de la Royal Society alrodiu de la nanoteunoloxía.^[10] Los desafíos surdieron de la factibilidad de les aplicaciones imaxinaes polos proponentes de la nanoteunoloxía molecular, que remató nun alderique públicu ente Drexler y Smalley nel añu 2001 y l'añu 2003.^[11]

Mentanto, la comercialización de los productos basaos nes meyores de les teunoloxíes a nanoescala empezaron a surdir. Estos productos tán llindaos a aplicaciones a granel de los nanomateriales y nun arreyen el control atómicu de la materia. Dellos exemplos inclúin a la plataforma Nano Silver qu'utiliza nanopartícules de plata como un axente antibacterial, los proteutores solares tresparentes basaos en nanopartícules y de los nanotubos de carbonu pa teles resistentes a les manches.^[12][13]

Los gobiernos mover a la promoción y el financiamiento de la investigación en nanoteunoloxía, empezando por Estaos Xuníos cola so Iniciativa Nanoteunolóxica Nacional, que formalizó la definición de la nanoteunoloxía basada nel tamañu y que creó un fondu de financiamiento pa la investigación de la nanoescala.

Pa mediaos de la década del 2000 nueva y sería atención científica empezó a floriar. Proyeutos remanecieron pa producir una fueya de ruta pa la nanoteunoloxía^[14][15] que se centraba na manipulación atómica precisa de la materia y qu'alderica les capacidaes, metes y aplicaciones esistentes y proyeutaes.

Otres persones d'esta área fueron Rosalind Franklin, James Dewey Watson y Francis Crick quien propunxeron que l'ADN yera la molécula principal que xugaba un papel clave na regulación de tolos procesos del organismu, revelando la importancia de les molécules como determinantes nos procesos de la vida.

Pero estes conocencies fueron más allá, yá que con esto púdose modificar la estructura de les molécules, como ye'l casu de los polímeros o plásticos qu'anguaño atopamos nos nuesos llares. Pero hai que dicir qu'a esti tipu de molécules puede consideráse-yos “grandes”.

Anguaño la medicina tien más interés na investigación nel mundu microscópicu, yá que nél atópense posiblemente les alteraciones estructurales que provoquen les enfermedaes, y nun hai que dicir de les cañes de la medicina que salieron más beneficiaes como ye la microbioloxía, inmunoloxía, fisioloxía; surdieron tamién nueves ciencies como la Inxeniería Xenética, que xeneró polémiques sobre les repercusiones de procesos como la clonación o la euxenesia.

El desenvolvimientu de la nanociencia y la nanoteunoloxía n'América Llatina ye relativamente recién, en comparanza a lo qu'asocedió a nivel global. Países como Méxicu, Costa Rica, Arxentina, Venezuela, Colombia, Brasil y Chile contribúin a nivel mundial con trabayos d'investigación en distintes árees de la nanociencia y la nanoteunoloxía.^[16] Amás, dalgunos d'estos países cunten tamién con programes educativos a nivel licenciatura, maestría, posgráu y especialización nel área.

Conceutos fundamentales

La nanoteunoloxía ye la inxeniería de sistemes funcionales a escala molecular. Esto cubre tantu l'actual trabayu como conceutos que son más avanzaos. Nel so sentíu orixinal, la nanoteunoloxía referir a l'habilidá proyeutada pa construyir elementos dende lo más pequeño lo más grande, usando téuniques y ferramientes, qu'anguaño tán siendo desenvueltes, pa construyir productos completos d'altu desempeñu.

Un nanómetru (nm) ye'l mil millonésima parte, o 10⁻⁹, d'un metro. Por comparanza, los típicos Llargor d'enllaz llargos d'enllaces carbonu-carbonu, o l'espaciu ente estos átomos nuna molécula, tán alredor de los 0,12–0,15 nm y la doble héliz d'un ADN tien un diámetru d'alredor de 2 nm. Per otra parte, la forma de vida célular más pequeña, la bacteria del xéneru Mycoplasma, tienen alredor de 200 nm de llargu. Por convención, la nanoteunoloxía ye midida nel rangu d'escala d'ente 1 a 100 nm d'alcuerdu a la definición usada pola Iniciativa Nanoteunolóxica Nacional n'Estaos Xuníos. La llende inferior ta dau pol tamañu de los átomos (l'hidróxenu tien los átomos más pequeños, que tienen un diámetru averáu d'un cuartu de nm) yá que la nanoteunoloxía tien de fabricar los sos dispositivos a partir d'átomos y molécules. La llende cimera ye más o menos arbitrariu pero alcuéntrase alredor del tamañu en que fenómenos que nun pueden ser reparaos n'estructures más grandes empiecen a ser aparentes y pueden ser usaos nel nanodispositivo.^[17] Estos nuevos fenómenos faen que la nanoteunoloxía seya distinta de los dispositivos que son puramente versiones miniaturizadas d'un dispositivu macroscópico equivalente; tales dispositivos atopar a una escala más grande y cayen so la descripción de microteunoloxía.^[18]

Pa poner la escala n'otru contestu, el tamañu comparativu d'un nanómetru a un metro ye lo mesmo que'l d'una roca al tamañu de la Tierra.^[19] Otra forma de ponelo: un nanómetru ye la cantidá en que la barba d'un home permediu crez nel tiempu al qu'a este -y toma llevanta l'afaitadora a la so cara.^[19]

Úsense dos aproximaciones a la nanoteunoloxía. Nel aproximamientu "dende'l fondu escontra riba", los materiales y dispositivos son construyíos a partir de componentes moleculares que s'ensamblan por sigo mesmos químicamente polos principios del reconocencia molecular. Nel aproximamientu "dende enriba escontra baxo", los nano-oxetos son construyíos a partir d'entidaes más grandes son un control a nivel atómicu.^[20]

Árees de la física tales como la nanoelectrónica, la nanomecánica, nanofotónica y la nanoiónica evolucionaron mientres tas últimes poques décades p'apurrir un fundamentu científicu básicu a la nanoteunoloxía.

De lo más grande lo más pequeñu: una perspeutiva dende los materiales

Imaxe d'una reconstrucción d'una superficie d'Oru(100) llimpia, como puede visualizase usando un microscopiu d'efeutu túnel. Pueden vese les posiciones de los átomos individuales que componen la superficie.

Artículu principal: Nanomateriales

Dellos fenómenos vuélvense pronunciaos a midida de que'l tamañu del sistema mengua. Estos inclúin efeutos mecánicos estadísticos, según efeutos mecánicos cuánticos, por casu l'efeutu del tamañu del Cuanto” onde les propiedaes electróniques de los sólidos son alteriaes con grandes amenorgamientos nel tamañu de la partícula. Esti efeutu nun se ponen en xuegu al dir dende les dimensiones macro a les dimensiones micro. Sicasí, los efeutos cuánticos pueden convertise en significantes cuando'l tamañu del nanómetru ye alcanzáu, de normal en distancies de 100 nanómetros o menos, l'asina llamáu dominiu cuánticu. Adicionalmente, una variedá de propiedaes físiques (mecániques, llétriques, óptiques, etc.) camuden cuando se-yos compara colos sistemes macroscópicos. Un exemplu ye l'aumentu na proporción del área superficial al volume alteriando les propiedaes mecániques, termales y catalítiques de los materiales. L'espardimientu y reacciones a nivel de nano escala, los materiales de les nanoestructuras y de los nanodispositivos con rápidu tresporte d'iones xeneralmente son conocíes como nanoiónicas. Les propiedaes mecániques de los nanosistemas son d'interés na investigación de la nanomecánica. L'actividá catalítica de los nanomateriales tamién abren potenciales riesgos na so interacción colos biomateriales.

Los materiales amenorgaos a la nanoescala pueden amosar propiedaes distintes cuando se-yos compara coles qu'ellos exhiben a macroescala, dexando aplicaciones úniques. Por casu, les sustancies opaques pueden convertise en tresparentes (cobre); materiales estables pueden convertise en combustible (aluminiu); materiales insolubles pueden convertise en solubles (oru). Un material tal como l'oru, que ye químicamente inerte a escala normales, puede sirvir como un potente catalizador químicu a nanoescalas. La mayor parte de la fascinación cola nanoteunoloxía surde d'estos fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe a nanoescala.^[21]

De lo simple a lo complexo: una perspeutiva molecular

Artículu principal: Autoensamblaje molecular

La química sintética moderna algamó'l puntu onde ye posible preparar pequeñes molécules pa casi cualquier estructura. Estos métodos son usáu anguaño pa fabricar una amplia variedá de químicos preseos tales como farmacéuticos o polímeros comerciales. Esta habilidá fai surdir la entruga d'estender esta clase de control al siguiente nivel más grande, buscando métodos pa ensamblar estes molécules úniques n'estructures o ensamblaxes supramoleculares consistentes de munches molécules dispuestes nuna forma bien definida.

Estos aproximamientos utilicen lo conceutos d'autu-ensamblaxe molecular y/o química supramolecular pa disponer en forma automática les sos propies estructures en dalgún ordenamientu útil al traviés d'un aproximamientu dende'l fondu escontra riba. El conceutu de reconocencia molecular ye especialmente importante: les molécules pueden ser diseñaes de tal forma de qu'una configuración o ordenamientu específicu seya favorecida por cuenta de les fuercies intermoleculares non covalentes. Les regles d'emparejamiento de bases de Watson–Crick son un resultáu direuta d'esto, rustió como la especificidá d'una enzima siendo apuntada a un únicu sustratu o'l plegamiento de la proteína en sí mesma. Asina, dos o más componentes pueden ser diseñáu pa complementariedá y atraición mutua de tala forma que elles construyan un tou más complexu y útil.

L'aproximamientos dende'l fondu escontra riba tendría de ser capaces de producir dispositivos en paralelu y ser muncho más barates que los métodos dende enriba escontra baxo, pero potencialmente podríen ser devasaes a midida de que'l tamañu y la complexidá del ensamblaxe deseyáu aumente. La estructures más esitoses riquen arreglos d'átomos complexos y termodinámicamente pocu probables. Sicasí, esisten munchos exemplos de autoensamblaje basaos na reconocencia molecular na bioloxía, unu de los más notables ye'l pareo de base de Watson–Crick y les interacciones enzima-sustratu. El desafíu pa la nanoteunoloxía ye si estos principios pueden ser usaos pa llograr nueves construcciones adicionales a les naturales yá esistentes.

Nanoteunoloxía molecular: una visión de llargu plazu

Artículu principal: Nanoteunoloxía molecular

La nanoteunoloxía molecular, delles vegaes llamada fabricación molecular, describe nanosistemas manufacturados (máquines a nanoescala) operando a escala molecular. La nanoteunoloxía molecular ta acomuñada especialmente col ensamblador molecular, una máquina que puede producir una estructura o dispositivu deseyáu átomu per átomu usando los principios de la mecanosíntesis. La fabricación nel contestu de los nanosistemas granibles nun ta rellacionáu a, y tendría de ser claramente estremáu de, les teunoloxíes convencionales usaes pa la fabricación de nanomateriales tales como nanotubos y nanopartícules de carbonu.

Cuando'l términu "nanoteunoloxía" foi acuñáu en forma independiente y popularizáu por Eric Drexler (quien nesi momentu nun sabía d'un usu anterior realizáu por Norio Taniguchi) pa referise a una teunoloxía futura de fabricación basáu en sistemes de máquina moleculares. La premisa yera que l'analoxíes biolóxiques a escala molecular de los componentes de máquines tradicionales demostraben que les máquines moleculares yeren posibles: esisten incontables exemplos na bioloxía, sábese que sofisticaes máquines biolóxiques optimizaes estocásticamente pueden ser producíes.

Espérase que los desarrollos na nanoteunoloxía van faer posible la so construcción por dalgún otru mediu, quiciabes usando principios de biomimesis. Sicasí, Drexler y otros investigadores^[22] propunxeron qu'una nanoteunoloxía avanzáu, anque quiciabes primeramente implementada por medios biomiméticos, finalmente podría tar basada nos principios de la inxeniería mecánica, esto ye, una teunoloxía de fabricación basada na funcionalidad mecánica d'estos componentes (tales como engranajes, rodamientos, motores y miembros estructurales) que dexaríen un ensamblaxe programable y posicional a una especificación atómica.^[23] La física y el desempeñu ingenieril de diseños d'exemplu fueron analizaos nel llibru de Drexler llamáu Nanosistemas.

Polo xeneral ye bien difícil ensamblar dispositivos a escala atómica, yá que unu tien qu'asitiar átomos sobre otros átomos de grosez y tamañu comparables. Otra visión, espresada por Carlo Montemagno,^[24] ye que los futuros nanosistemas van ser híbridos de la teunoloxía del xil y de máquines moleculares biolóxiques. Richard Smalley argumenta que la mecanosíntesis ye imposible por cuenta de les dificultaes na manipulación mecánica de molécules individuales.

Esto llevó a un intercambiu de cartes ente la publicación Chemical & Engineering News de l'ACS nel añu 2003.^[25] Anque la bioloxía claramente demuestra que los sistemes de máquines moleculares son posibles, les máquines moleculares non biolóxiques anguaño tán solo na so infancia. Los líderes na investigación de les máquines moleculares non biolóxiques son Alex Zettl y los sos colegues que trabayen nel Lawrence Berkeley National Laboratory y na UC Berkeley. Ellos construyeron siquier tres dispositivos moleculares distintos que los sos movimientos son controlaos dende l'escritoriu camudando'l voltaxe: un nanomotor de nanotubos, un actuador,^[26] y un oscilador de relaxación nanoelectromecánico.^[27] Ver nanomotor de nanotubo de carbonu para más exemplos.

Un esperimentu qu'indica qu'un ensamblaxe molecular posicional ye posible foi desenvueltu por Ho y Lee na Universidá Cornell nel añu 1999. Ellos usaron un microscopiu d'efeutu túnel pa mover una molécula de monóxidu de carbonu (CO) escontra un átomu individual de fierro (Fe) allugáu nun cristal planu de plata, y enllazar químicamente el CO cola Fe aplicando un voltaxe.

Investigación actual

Representación gráfica d'un rotaxano, útil como un interruptor molecular.

Esti tetraedru d'ADN^[28] ye una nanoestructura diseñada artificialmente del tipu construyida nel campu de la nanoteunoloxía d'ADN. Cada cantu del tetraedru ye una doble héliz de par base d'ADN, y cada vértiz ye una unión de tres brazos.

Esti dispositivu tresfier enerxía dende capes de grosez nano de los pozos cuánticos a los nanocristales allugaos enriba, causando que los nanocristales emitan lluz visible.^[29]

Nanomateriales

El campu de los nanomateriales inclúi los subcampos que desenvuelven o estudien los materiales que tienen propiedaes úniques que surden de les sos dimensiones a nanoescala.^[30]

• La ciencia de Interfaz y coloide identificó munchos materiales que pueden ser útiles na nanoteunoloxía, tales como los nanotubos de carbonu y otros fullerenos, y delles nanopartícules y nanoroides. Los nanomateriales con rápidu tresporte d'iones tamién tán rellacionaos a la nanoiónica y a la nanoelectrónica.
• Los materiales a nanoescala tamién puede ser usaos p'aplicaciones en volume; la mayoría de les aplicaciones comerciales actuales de la nanoteunoloxía son d'esti tipu.
• Realizóse progresu nel usu d'estos materiales p'aplicaciones médiques, ver nanomedicina.
• Los materiales a nanoescala tales como los nanopilarres delles vegaes son usaos nes celdes solares pa baxar los costos de les celdes solares de siliciu tradicionales.
• El desenvolvimientu d'aplicaciones qu'incorporen nanopartícules semiconductoras que van ser usaes na siguiente xeneración de productos, tales como teunoloxía de pantalles, llume, celdes solares ya imáxenes biolóxiques; ver puntu cuánticu.

Acercamientos dende'l fondu escontra riba

Estos busquen disponer los componentes más pequeños n'estructures más complexes.

• La nanoteunoloxía d'ADN utiliza la especificidá del pareo de base de Watson–Crick pa construyir estructures bien definíes a partir del ADN y otros acedos nucleicos.
• Averar dende'l campu de la síntesis química "clásica" (síntesis inorgánica y orgánica) y tamién el so oxetivu ye'l diseñu de molécules con una forma bien definida (por casu bis-péptidos^[31]).
• Más xeneralmente, el autoensamblaje molecular busca usar los conceutos de química supramolecular y la reconocencia molecular en particular, pa causar que componentes uni-moleculares dispónganse automáticamente por sigo mesmos en dalguna conformanza útil.
• Les puntes de los microscopios de fuercia atómico pueden ser usaes como una "cabeza d'escritura" a nanoescala pa depositar un químicu sobre una superficie nun patrón deseyáu nun procesu conocíu como nanolitografía dip-pen. Esta téunica cai nel subcampo más grande de la nanolitografía.

Acercamientos dende enriba escontra baxo

Estos busquen crear dispositivos más pequeños usando unos más grandes pa controlar el so ensamblaxe.

• Munches teunoloxíes que tracen el so orixe a los métodos d'estáu sólidu de siliciu pa fabricar microprocesadores agora son capaces de crear carauterístiques más pequeñes que 100 nm, cayer na definición de nanoteunoloxía. Discos duros basaos na magnetorresistencia xigante yá nel mercáu cayen dientro d'esta descripción,^[32] según les téuniques de deposición de capes atómiques (n'inglés: Atomic Layer Deposition, ALD). Peter Grünberg y Albert Fert recibieron un Premiu Nobel en Física nel añu 2007 pol so descubrimientu de la magnetorresitencia xigante y les sos contribuciones al campu de la espintrónica.^[33]
• Les téuniques d'estáu sólidu tamién pueden ser usaes pa crear dispositivos conocíos como sistemes nanoelectromecánicos (n'inglés: Nanoelectromechanical Systems, NEMS), que tán rellacionaos a los sistemes microelectromecánicos (n'inglés: Microelectromechanical Systems, MEMS).
• Fai iónicu concentráu pueden ser controlaos pa remover material o inclusive depositar material cuando gases precursores fayadizos son aplicaos coles mesmes. Por casu, esta téunica ye usada rutinariamente pa crear seiciones de material sub-100 nm pal analís por aciu microscopio electrónicos de tresmisión.
• Les puntes de los microscopios de fuercia atómico pueden ser usaos como una "cabeza escritora" de nanoescala pa depositar una resistencia, que depués ye siguida por un procesu d'aguafuerte pa remover el material nun métodu enriba-embaxo.

Acercamientos funcionales

Estes busquen desenvolver componentes d'una funcionalidad deseyada ensin importar como elles podríen ser ensambladas.

• La electrónica d'escala molecular busca desenvolver molécules con propiedaes electróniques útiles. Estes podríen entós ser usaes como componentes de molécula única nun dispositivu nanoelectrónico.^[34] Pa un exemplu ver el rotaxano.
• Los métodos químicos sintéticos tamién pueden ser usaos pa crear motores moleculares sintéticos, tal como'l conocíu como nanoauto.

Acercamientos biomiméticos

• La biónica o biomimesis busquen aplicar los métodos y sistemes biolóxicos atopaos na naturaleza, pa estudiar y diseñar sistemes d'inxeniería y teunoloxía moderna. La biomineralización ye un exemplu de los sistemes estudiaos.
• La bionanoteunoloxía ye l'usu de les biomolécules p'aplicaciones en nanoteunoloxía, incluyendo l'usu de virus y ensamblaxes de lípidos.^[35][36] La nanocelulosa ye una potencial aplicación a escala masiva.

Especulativos

Estos subcampos busquen antemanar lo que les invenciones nanoteunolóxicas podríen algamar o intenten proponer una axenda qu'ordene un camín pol cual la investigación pueda progresar. De cutiu estos tomen una visión d'una gran escala de la nanoteunoloxía, con más énfasis nes sos implicancias sociales que nos detalles de como tales invenciones podríen realmente ser creaes.

• La nanoteunoloxía molecular ye propuesta como un acercamientu qu'arreya la manipulación d'una sola molécula d'una forma finamente controláu y determinista. Esto ye más teóricu qu'otros subcampos, y munches de les téuniques propuestes tán más allá de les capacidaes actuales.
• La nanorrobótica centrar en máquines autosuficientes con dalguna funcionalidad operando a nanoescala. Esisten esperances p'aplicar los nanorobots en medicina,^[37][38][39] pero pueden nun ser tan fácil faer tal cosa por cuenta de severes desventaxes de tales dispositivos.^[40] Sicasí, demostróse progresu en materiales y metodoloxíes innovadores con delles patentes daes pa nuevos dispositivos nanofabricadores pa futures aplicaciones comerciales, que tamién ayuden progresivamente escontra'l desenvolvimientu de nanorobots con dalgún usu de conceutos de nanobioelectrónica enfiñida.^[41][42]
• Los nanosistemas granibles son "sistemes de nanosistemas" que van ser complexos nanosistemas que producen partes atómicamente precises pa otros nanosistemas, non necesariamente utilizando noveles propiedaes nanoescalares emerxentes, sinón que bien entendíos fundamentos de la fabricación. Por cuenta de la naturaleza discreta (a nivel atómicu) de la materia y la posibilidá de la crecedera esponencial, esta etapa ye vista como la base d'otra revolución industrial. Mihail Roco, unu de los arquiteutos de la Iniciativa Nanoteunolóxica Nacional d'Estaos Xuníos, propunxo cuatro estados de la nanoteunoloxía que paecen ser un paralelu del progresu téunicu de la Revolución Industrial, progresando dende nanoestructuras pasives a nanodispositivos activos a complexes nanomáquinas y finalmente a nanosistemas granibles.^[43]
• La materia programable busca diseñar materiales que les sos propiedaes puedan ser fácilmente, reversiblemente y externamente controlaos pensada como una fusión ente la ciencia de la información y la ciencia de los materiales.
• Por cuenta de la popularidá y esposición mediática del términu nanoteunoloxía, les pallabres picoteunoloxía y femtoteunoloxía fueron acuñaos en forma análoga, anque estos son raramente utilizaos y solo de manera informal.

Ferramientes y téuniques

Típica configuración d'un microscopiu de fuercia atómico. Un voladizu microfabricado con una punta aguda ye esviáu poles carauterístiques d'una superficie de muestra, de forma similar a un fonógrafu pero a una escala muncho más pequeña. Un fexe láser reflexar na parte trasera del voladizu nun conxuntu de fotodetectores, dexando que la esviadura seya midíu y que s'arme nuna imaxe de la superficie.

Esisten dellos importantes desarrollos modernos. El microscopiu de fuercia atómico (n'inglés: Atomic Force Microscope, AFM) y el microscopiu d'efeutu túnel (n'inglés: Scanning Tunneling Microscope, STM) son versiones tempranes de les sondes de barríu que llanzaron la nanoteunoloxía. Esisten otros tipos de microscopiu de sonda de barríu. Anque conceptualmente similares a los microscopios confocales de barríu desenvueltos por Marvin Minsky nel añu 1961 y al microscopiu acústicu de barríu (n'inglés: Scanning Acoustic Microscope, SAM) desenvueltu por Calvin Quate y acomuñaos na década de 1970, los microscopios de sonda de barríu más nuevos tienen una muncho más alta resolución, yá que ellos nun tán llindaos pola llonxitú d'onda del soníu o la lluz.

La punta d'una sonda de barríu tamién puede ser usada pa manipoliar nanoestructuras (un procesu conocíu como ensamblaxe posicional). La metodoloxía de barríu empobináu a la carauterística suxerida por Rostislav Lapshin paez ser una forma prometedora d'implementar estes nanomanipulaciones en manera automática.^[44][45] Sicasí, esto ye entá un procesu lentu por cuenta de la baxa velocidá de barríu del microscopiu.

Delles téuniques de nanolitografía tales como la litografía óptica, la nanolitografía dip-pen de litografía de rayos X, la litografía de fexe d'electrones o litografía de nanoimpresión tamién fueron desenvueltes. La litografía ye una téunica de fabricación dende enriba escontra baxo onde'l material en brutu ye amenorgáu en tamañu hasta llograr un patrón a nanoescala.

Otru grupu de téuniques nanoteunolóxicas inclúin a aquelles usaes pa la fabricación de nanotubos y nanoalambres, aquelles usaes na fabricación de semiconductores tales como la litografía ultravioleta fonda, la litografía de fexe d'electrones, maquinado de fexe d'iones enfocáu, la litografía de nanoimpresión, la deposición de capa atómica y deposición molecular de vapor , y amás incluyendo les téuniques de autoensamblaje molecular tales como aquelles qu'empleguen copolímeros di-bloque. Los precursores d'estes téuniques son anteriores a la era de la nanoteunoloxía, y son estensiones nel desenvolvimientu de les meyores científiques más que téuniques que fueron escurríes namái col propósitu de crear nanoteunoloxía y que fueron la resultancia de la investigación nanoteunolóxica.

L'acercamientu de riba escontra baxu antemana nanodispositivos que tienen de ser construyíos pieza per pieza n'etapes, de la mesma forma que son fabricaos el restu de les coses. La microscopia de sonda de barríu ye una importante téunica tantu pa la carauterización como pa la síntesis de nanomateriales. Los microscopios de fuercia atómico y los microscopios d'efeutu túnel de barríu pueden ser usaos pa esaminar les superficies y pa mover los átomos nelles. Al diseñar distintes puntes pa estos microscopios, ellos pueden ser usaos pa tallar estructures na superficies y p'ayudar a emponer les estructures autoensambladas. Al utilizar, por casu, l'acercamientu de barríu empobináu a les carauterístiques, los átomos o molécules pueden ser movíos na superficie coles téuniques del microscopiu de sonda de barríu.^[44][45] Anguaño, ye caru y demorosu pa ser utilizaos na producción en masa pero son bien afeches pa la esperimentación nun llaboratoriu.

En contraste, les téuniques de baxo escontra riba constrúin o fai crecer estructures más grandes átomu per átomu o molécula per molécula. Estes téuniques inclúin síntesis química, autoensamblaje y ensamblaxe posicional. La interferometría de polarización dual ye una ferramienta fayadizo pa la carauterización de películes delgaes autoensambladas. Otra variación del acercamientu dende embaxo escontra riba ye la crecedera epitaxial por fexes moleculares (n'inglés: Molecular Beam Epitaxy, MBE). Los investigadores de los Bell Telephone Laboratories tales como John R. Arthur, Alfred Y. Cho y Art C. Gossard desenvolvieron ya implementaron el MBE como una ferramienta d'investigación escontra finales de la década de 1960 y la década de 1970. Les muestres feches pol MBE fueron claves pal descubrimientu del efeutu Hall cuánticu fraccionariu pol cual el premiu Nobel en Física del añu 1998 foi dau. El MBE dexa a los científicos disponer capes precises atómicamente, y nel procesu, construyir complexes estructures. Importante pa la investigaciones en semiconductores, la MBE tamién ye usada llargamente pa faer muestres y dispositivos pal apocayá emerxente campu de la espintrónica.

Sicasí, nuevos productos terapeúticos, basaos en nanomateriales sensibles, tales como les visícules ultradeformables y sensibles a la tensión Transfersome, que tán en desenvolvimientu y atópense aprobaes pa usu humanu en dellos países.

Inversión

Dellos países en víes de desenvolvimientu yá destinen importantes recursos a la investigación en nanoteunoloxía. La nanomedicina ye una de les árees que más puede contribuyir a la meyora sostenible del Tercer Mundu, apurriendo nuevos métodos de diagnósticu y cribaje d'enfermedaes, meyores sistemes pa l'alministración de fármacos y ferramientes pa la monitorización de dellos parámetros biolóxicos.

Alredor de cuarenta llaboratorios en tol mundu enríen grandes cantidaes de dineru pa la investigación en nanoteunoloxía. Unes trescientes empreses tienen el términu “nano” nel so nome, anque inda hai bien pocos productos nel mercáu.^{[ensin referencies]}

Dellos xigantes del mundu informáticu como IBM, Hewlett-Packard ('HP)' NEC y Intel tán invirtiendo millones de dólares al añu na tema. Los gobiernos del llamáu Primer Mundu tamién se tomaron la tema bien en serio, col claru lideralgu del gobiernu estauxunidense, que dedica cientos millones de dólares al so National Nanotechnology Initiative.

N'España, los científicos falen de “nanopresupuestos”. Pero l'interés crez, yá que hubo dellos congresos sobre la tema: en Sevilla, na Fundación San Telmo, sobre oportunidaes d'inversión, y en Madrid, con una xunta ente responsables de centros de nanoteunoloxía de Francia, Alemaña y Reinu Xuníu na Universidá Autónoma de Madrid.

Les industries tradicionales van poder beneficiase de la nanoteunoloxía p'ameyorar la so competitividá en sectores habituales, como testil, alimentación, calzáu, automoción, construcción y salú. Lo que se pretende ye que les empreses pertenecientes a sectores tradicionales incorporen y apliquen la nanoteunoloxía nos sos procesos col fin de contribuyir a la sostenibilidá del emplegu. Anguaño la cifra n'usu cotidianu ye del 0.2 %. Cola ayuda de programes d'accesu a la nanoteunoloxía prevese qu'en 2014 seya del 17 % nel usu y la producción manufacturera.

Ensamblaxe interdisciplinariu

La carauterística fundamental de nanoteunoloxía ye que constitúi un ensamblaxe interdisciplinar de dellos campos de les ciencies naturales que tán altamente especializaos. Poro, los físicos xueguen un importante rol non solo na construcción del microscopiu usáu pa investigar tales fenómenos sinón tamién sobre toles lleis de la mecánica cuántica. Algamar la estructura del material deseyáu y les configuraciones de ciertos átomos faen xugar a la química un papel importante. En medicina, el desenvolvimientu específicu empobináu a nanopartícules promete ayuda al tratamientu de ciertes enfermedaes. Equí, la ciencia algamó un puntu nel que les fronteres que dixebren les distintes disciplines empezaron a esleise, y ye precisamente por esa razón pola que la nanoteunoloxía tamién se refier a ser una teunoloxía converxente.

Una posible llista de ciencies arreyaes sería la siguiente:

• Química (Moleculares y computacional)
• Bioquímica
• Bioloxía molecular
• Física
• Electrónica
• Informática
• Matemátiques
• Medicina
• Nanoingenieria

Nanoteunoloxía avanzada

La nanoteunoloxía avanzada, dacuando tamién llamada fabricación molecular, ye un términu dau al conceutu d'inxeniería de nanosistemas (máquines a escala nanométrica) operando a escala molecular. Basar en que los productos manufacturados realizar a partir d'átomos. Les propiedaes d'estos productos dependen de cómo tean esos átomos dispuestos. Asina por casu, si reasitiamos los átomos del grafitu (compuestu por carbonu, principalmente) de la mina del llapiceru podemos faer diamantes (carbonu puro cristalizáu). Si reasitiamos los átomos del sable (compuesta básicamente por xil) y amestamos dellos elementos extras fáense los chips d'un ordenador.

A partir de los incontables exemplos atopaos na bioloxía sábese que miles de millones d'años de retroalimentación evolucionada puede producir máquines biolóxiques sofisticaes y estocásticamente optimizaes. Tiense la esperanza que los desarrollos en nanoteunoloxía van faer posible la so construcción al traviés de dellos significaos más curtios, quiciabes usando principios biomiméticos. Sicasí, K. Eric Drexler y otros investigadores propunxeron que la nanoteunoloxía avanzada, anque quiciabes primeramente implementada al traviés de principios miméticos, finalmente podría tar basada nos principios de la inxeniería mecánica.

Determinar un conxuntu de caminos a siguir pal desenvolvimientu de la nanoteunoloxía molecular ye un oxetivu pal proyeutu sobre'l mapa de la teunoloxía lideráu por Institutu Memorial Battelle (el xefe de dellos llaboratorios nacionales d'EEXX) y del Foresigth Institute. Esi mapa tendría de tar completáu a finales de 2006.

Futures aplicaciones

Según un informe d'un grupu d'investigadores de la Universidá de Toronto, en Canadá, los quince aplicaciones más prometedores de la nanoteunoloxía son:^{[ensin referencies]}

• Almacenamientu, producción y conversión d'enerxía.
• Armamentu y sistemes de defensa.
• Producción agrícola.
• Tratamientu y remediación d'agües.
• Diagnósticu y cribaje d'enfermedaes.
• Sistemes d'alministración de fármacos.
• Procesamientu d'alimentos.
• Remediación de la contaminación atmosférica.
• Construcción.
• Monitorización de la salú.
• Detección y control de plagues.
• Control de desnutrición en llugares probes.
• Informática.
• Alimentos trexénicos.
• Cambeos térmicos moleculares (Nanotermoloxía).

Aplicaciones actuales

Nanoteunoloxía aplicada al envasado d'alimentos

Una de les aplicaciones de la nanoteunoloxía nel campu d'envases p'alimentación ye l'aplicación de materiales aditivados con nanoarcilles, qu'ameyoren les propiedaes mecániques, térmiques, barrera a los gases, ente otres; de los materiales de envasado. Nel casu de meyora de la barrera a los gases, les nanoarcillas crean un percorríu trabancosu pal espardimientu de les molécules gaseoses, lo cual dexa consiguir una barrera similar con espesures inferiores, amenorgando asina los costos acomuñaos a los materiales.

Los procesos d'incorporación de les nanopartícules pueden realizase por aciu estrusión o por recubrimientu, y los parámetros a controlar nel procesu de aditivación de los materiales son: la dispersión nanopartícules, la interacción de les nanopartícules cola matriz, los agregamientos que puedan tener llugar ente les nanopartícules y la cantidá de nanopartícules incorporada.

Ver tamién

• Nanofibra
• Nanopatch
• Nanoalimentos

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Enllaces esternos

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• "Llaboratoriu Nacional de Nanoteunoloxía (Méxicu)", El Llaboratoriu Nacional de Nanoteunoloxía representa una avanzada plataforma teunolóxica pal impulsu de la Nanociencia y la Nanoteunoloxía en Méxicu.
• "Nanospain - Rede Española de Nanoteunoloxía", Sitio web sobre la Rede Española de Nanoteunoloxía coordinada pol Conseyu Cimeru d'Investigaciones Científiques y la Fundación Phantoms.
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• Promeses y Peligros de la Nanoteunoloxía
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