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Miguel Alberto Guérin

Historia de la tecnología

La nanotecnología

Instituto de Historia Americana

Facultad de Ciencias Humanas

Universidad Nacional de La Pampa

2006

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Nanotecnología y computación. Definiciones

1959. Richard Feynman (1918-1988; Premio Nobel de Física en 1965), en una conferencia en la American Physical Society, que resultó visionaria, afirmó que sería posible tener todo el contenido de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler, y que sería posible reorganizar la materia átomo por átomo.

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Nanotecnología. DefinicionesNanus, en latín, significa ‘enano’.Nanómetro es una medida de dimensión que equivale a la

millonésima parte de un milímetro (1 milímetro = 1.000.000 nanómetros).

Nanociencia: es el estudio de moléculas, átomos y partículas subatómicas cuyo tamaño es de uno a cien nanómetros; y que se caracterizan porque sus comportamientos no se corresponden con los de los objetos de escala macroscópica.

Nanotecnología: término utilizado por primera vez en 1974 y popularizado en la década de 1980.

Nanotecnologías: tecnologías y técnicas dedicadas a la creación y utilización, de materiales, de instrumentos y de sistemas, realizados con materia de entre uno y cien nanómetros. Se trata de un espacio de investigación en el que convergen diversas ciencias: física, química, biología, matemática y computación. La creación de nanomáquinas enfrenta desafíos teóricos (conocimiento y compresión de los efectos cuánticos) y prácticos (observación y fabricación.

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Nanómetro. Dimensiones comparativas

Dimensiones:átomo: diámetro de entre un décimo y cuatro décimos de nanómetro;molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN): dos nanómetros de ancho (y

diez metros de largo);virus: entre diez y cien nanómetros;cabello humano: entre 50.000 y 100.000 nanómetros.

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Nanotecnología. Investigación e inversión

Estados Unidos de NorteaméricaLas nanotecnologías constituyen un sector muy importante

de la inversión en investigación. Los fondos provienen del gobierno nacional, de organismos financiadores (National Science Fondation (NSF) y de los ministerios, fundamentalmente el de Defensa. La inversión es equivalente a la de los países europeos y el Japón, en conjunto.

JapónEl esfuerzo económico, con relación al producto bruto

interno (PBI) será superior, en los próximos años, al de los Estados Unidos de Norteamérica. Los problemas de investigación están muy diversificados pero la calidad de las investigaciones, de la misma manera que las de Europa, es igual o superior a la de los Estados Unidos.

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Nanotecnología. Historia

Demócrito (460-440 a. C.)

Enunció la primera versión de la teoría atómica, y afirmó que los átomos nunca serían captados por los sentidos del hombre.

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Nanotecnología. Microscopio de efecto túnel

C. 1980. Binning y Roher, de los laboratorios IBM de Zurich, construyeron el primer microscopio de efecto túnel, pero sólo en 1981, pudieron resolverse todos los problemas de su funcionamiento.

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Nanotecnología. Microscopio de efecto túnel. Principios

El microcopio de efecto túnel se basa sobre uno de los principios de la mecánica cuántica, según el cual una partícula subatómica (como el electrón) no está ubicada exactamente en un lugar sino que conforma una nube de posiciones en las que la partícula podría encontrarse, que puede interpretarse como una onda más o menos extendida. Esto hace posible que, con cierta probabilidad, un electrón pueda escapar de un átomo, remontando las poderosas cadenas electromagnéticas que lo amarran a él, como si hubiera practicado un túnel a través de la barrera de potencial que lo tiene apresado.

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Nanotecnología. Microscopio de efecto túnel. Diseño

El diseño básico de un microscopio de efecto túnel consta de una campana estanca, al vacío perfecto, que contiene:•la muestra a analizar, que debe ser conductora;•una sonda extremadamente fina de tungsteno que se acerca a una distancia muy corta (0,1 nanómetro) de la superficie de la muestra; los electrones de la superficie de la muestra, cavan un túnel cuántico a través del vacío y establecen una “corriente túnel”;•un accionador que permite desplazar la punta en las tres dimensiones (ancho, largo y alto) para “barrer” la muestra, y que ajusta su alto en función de la “corriente túnel”; •un dispositivo electrónico que transmite a una computadora el valor de las tensiones que se aplican al ordenador. La intensidad de esa “corriente túnel” depende de la distancia entre la sonda y la superficie (distancia que se conoce) por lo que conociendo la distancia se conoce la intensidad de la corriente.

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Nanotecnología. Microscopio a fuerza atómica (AFM). Funciones

El microscopio a fuerza atómica (AFM) permite estudiar, al aire libre, muestras de materiales aislantes, como moléculas biológicas, o semiconductores.

También permite trazar, sobre la superficie de la muestra, surcos de algunos nanómetros de ancho.

Su resolución es menor que la del microscopio de efecto túnel.

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Nanotecnología. Microscopio a fuerza atómica (AFM). Diseño

El microscopio a fuerza atómica (AFM) tiene una sonda muy fina, de dos a tres nanómetros en su extremidad, que recorre la superficie de la muestra, con la que está en contacto directo, movida por un mecanismo electromecánico.

Los movimientos son seguidos por un rayo láser y se traducen en una computadora.

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Nanotecnología. Los circuitos mediante fotolitografía

El método actual, la fotolitografía, permite litografiar circuitos impresos, “chips“ de una centésima de milímetro.

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Nanotecnología. Microscopio a fuerza atómica (AFM). Las litografías a pluma

El microscopio a fuerza atómica (AFM) permite litografiar circuitos impresos de dimensión nanométrica.

La punta del microscopio a fuerza atómica envuelta en enthiol (un átomo de sulfur y otro de hidrógeno) realiza trazos de algunos nanómetros de diámetro sobre una superficie de oro. Una minúscula gota de agua permite que el enthiol se disuelva y se autoacople a la superficie de oro.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: las fullerenes

La capacidad de los átomos de carbono de ligarse entre sí para conformar moléculas homogéneas, convierte a estas moléculas en el ladrillo de la nanotecnología.

1996. Se otorgó el premio Nobel de química a los norteamericanos Robert Curl y Rihard Smalley y al británico Harold Kroto por sus investigaciones sobre las fuerzas que interactúan en estas moléculas, lo que permitió imaginar estructuras más complejas.

Entre las capacidades de las fullerenes está la de apresar en su interior, compuestos químicos de propiedades variadas, que quedan aislados y no pueden interactuar con el exterior. En medicina, la nanotecnología podría transportar compuestos radioactivos para destruir el núcleo de las células cancerosas.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: las fullerenes

1985. Se descubren moléculas de átomos de carbono, de estructura y capacidades sorprendentes. Son moléculas de 60, 70, 76, 82 u 84 átomos de carbono que se disponen, según su número, en pentágonos o hexágonos, creando una superficie esférica compuesta de planos delimitados por cinco o seis átomos.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

1991. SumioIijima (NEC Corporation) descubre el nanotubo, que es una molécula de carbón en forma de tubo, cuyo diámetro oscila entre uno y varios nanómetros y su largo llega a cien nanómetros.Un nanotubo puede llegar a contener varios millones de átomos.Prefieren la forma hexagonal pero aceptan la inserción de pentágonos y heptágonos

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

Los nanotubos pueden ser semiconductores o conductores (nanotransistores).

Son a la vez livianos y sólidos.

Tienen muy buena resistencia mecánica y muy buena conductividad eléctrica (puntas de microscopios atómicos).

Resisten temperaturas extremas (revestimiento de futuras micronaves espaciales).

Tiene capacidades elásticas excepcionales (catapultas gigantes).

Hasta el presente se lo aplica en:

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

El nanotubo prefiere la forma hexagonal pero acepta la inserción de pentágonos y heptágonos, lo que permite concebir todo tipo de formas.

En la figura, los pentágonos (en rojo) tienen una curvatura positiva, mientras que los heptágonos (en verde) tienen una curvatura negativa.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

El nanotubo se adapta a las presiones mecánicas (flexión, torsión, compresión axial, flexión); a cada presión emite un crac acústico pero no se rompe jamás.

En la figura, un nanotubo sometido a presiones mecánicas de flexión.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

Un nanotubo sometido a presiones mecánicas de torsión.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

Un nanotubo sometido a compresión axial.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos

Un nanotubo sometido a tracción.

El nanotubo es cien veces más rígido que el acero (más de 300 Gigapascal) y pesa seis veces menos.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos como transistores

Al poder actuar como semiconductor, el nanotubo puede formar parte de un transistor.

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Nanotecnología. Las nanoestructuras de carbono: los nanotubos como transistores

2004. Se creó, con fines comerciales, el transistor más pequeño hasta entonces.

La figura ilustra las dimensiones.

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Nanotecnología. Aplicaciones mecánicas de la nanotecnología: el rotaxano

Angel Kaifer y Fraser Stoddar, de la Universidad de Birmingham fabricaron un rotaxano que está constituido por un anillo (amarillo) que rodea un eje compuesto de una molécula que tiene dos zonas, bastante alejadas, y capaces de cambiar de potencial (verde y azul. Al hacer variar el potencial de las zonas se desplaza la molécula anillo