Nanotecnologia

NANOTECNOLOGÍA

Definición

La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

¿Cuáles son sus objetivos?

Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etc.

La nanotecnología tiene tres objetivos fundamentales, los cuales son:

1. Colocar cada átomo en el lugar adecuado.

2. Conseguir que casi cualquier estructura sea consistente con las leyes de la física y la química que podemos especificar y describir a nivel atómico.

3. Lograr que los costes de fabricación no excedan, ampliamente, el coste de las materias primeras y la energía empleadas en el proceso.

Conceptos fundamentales

La nanotecnología es la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. Esto cubre tanto el actual trabajo como conceptos que son más avanzados. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la habilidad proyectada para construir elementos desde lo más pequeño a lo más grande, usando técnicas y herramientas, que actualmente están siendo desarrolladas, para construir productos completos de alto desempeño.

Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte, o 10−9, de un metro. Por comparación, los típicos largos de enlaces carbono-carbono, o el espacio entre estos átomos en una molécula, están alrededor de los 0,12–0,15 nm y la doble hélice de un ADN tiene un diámetro de alrededor de 2 nm. Por otra parte, la forma de vida célular más pequeña, la bacteria del género Mycoplasma, tienen alrededor de 200 nm de largo. Por convención, la nanotecnología es medida en el rango de escala de entre 1 a 100 nm de acuerdo a la definición usada por la Iniciativa Nanotecnológica Nacional en Estados Unidos. El límite inferior está dado por el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen un diámetro aproximado de un cuarto de nm) dado que la nanotecnología debe fabricar sus dispositivos a partir de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitrario pero se encuentra alrededor del tamaño en que fenómenos que no pueden ser observados en estructuras más grandes comienzan a ser aparentes y pueden ser usados en el nanodispositivo. Estos nuevos fenómenos hacen que la nanotecnología sea distinta de los dispositivos que son meramente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; tales dispositivos se encuentran a una escala más grande y caen bajo la descripción de microtecnología.

Para poner la escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro a un metro es lo mismo que el de una roca al tamaño de la Tierra. Otra forma de ponerlo: un nanómetro es la cantidad en que la barba de un hombre promedio crece en el tiempo al que a este le toma levanta la afeitadora a su cara.

La inversión en nanotecnología

Varios países cuyas economías están atravesando un pleno desarrollo económico, invierten considerables sumas económicas y mano de obra especializada en investigar las potenciales aplicaciones de la nanotecnología. Como se menciona anteriormente, la nanomedicina presenta tentadoras oportunidades al ser humano, especialmente cuando se considera que podría mejorar diversas prácticas y procedimientos, tales como los diagnósticos, las curaciones, la administración de medicamentos y las cirugías.

A nivel mundial, el número de laboratorios que destina importantes porcentajes a la investigación de este tipo de tecnología ronda los cuarenta. Por otro lado, alrededor de trescientas compañías llevan el prefijo nano en sus nombres, aunque esto no se refleje en las ofertas de productos disponibles en el mercado.

Con respecto a la informática, se sabe que colosos de la talla de IBM, Intel y NEC, entre otros, invierten sumas millonarias año a año en sus departamentos de Investigación y Desarrollo, lo cual repercute en las características de los componentes que fabrican. Asimismo, los gobiernos de los países más desarrollados muestran mucho interés en la nanotecnología, y sus apuestas monetarias superan por decenas las que pueden realizar las empresas recién mencionadas.

Nanomateriales

El campo de los nanomateriales incluye los subcampos que desarrollan o estudian los materiales que tienen propiedades únicas que surgen de sus dimensiones a nanoescala.

 La ciencia de Interfaz y coloide ha identificado muchos materiales que pueden ser útiles en la nanotecnología, tales como los nanotubos de carbono y otros fullerenos, y varias nanopartículas y nanoroides. Los nanomateriales con rápido transporte de iones también están relacionados a la nanoiónica y a la nanoelectrónica.

 Los materiales a nanoescala también puede ser usados para aplicaciones en volumen; la mayoría de las aplicaciones comerciales actuales de la nanotecnología son de este tipo.

 Se ha realizado progreso en la utilización de estos materiales para aplicaciones médicas.

 Los materiales a nanoescala tales como los nanopilarres algunas veces son usados en las celdas solares para bajar los costos de las celdas solares de silicio tradicionales.

 El desarrollo de aplicaciones que incorporan nanopartículas semiconductoras que serán usadas en la siguiente generación de productos, tales como tecnología de pantallas, iluminación, celdas solares e imágenes biológicas.

• Nanotubo

Nanotubos de carbono.

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Estos estan conformados como si los extremos de un folio se uniesen por sus extremos formando el susodicho tubo, se denominan nanotubos monocapa o de pared simple. Existen, también, nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros, a modo de muñecas matrioskas y, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia. Estos son los nanotubos multicapa. Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no están cerrados.

Principales métodos de manufactura

 Ablación láser (Alta pureza, poca cantidad)

 Descarga de arco voltaico (Alta pureza, poca cantidad)

 CVD (Chemical vapor deposition) Deposición química de vapor (gran cantidad, buena calidad). Se puede hacer el aumento de escala fácilmente.

Ablación láser

La ablación láser es un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la radiación de un pulso láser, en un reactor de alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, condensando sobre las paredes del reactor.

Este procedimiento suele presentar un rendimiento típico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa con un diámetro que puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor.

Descarga de arco

Desde 1991, la presencia de nanotubos se ha podido observar en el hollín producido al provocar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente típica para producir dicho arco era de unos 100 amperios y, paradójicamente, lo que se pretendía era producir fulerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un método similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigación Básica de la compañía NEC.11

En dicho proceso se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga que provocaban el arco voltaico. Esta técnica es el método más importante usado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.

La descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte a baja presión. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, (cientos de amperios) la cual hace sublimar los átomos de carbono, de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire, y a presión normal, (una atmósfera) el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000 °C.

Este procedimiento permite evaporar las diferentes clases de fullerenos y dejar los nanotubos aislados. También se emplea para evaporar las paredes más externas

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