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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. Definiciones
Nanus, 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
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(observación y fabricación.
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 Norteamérica
Las 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.
Japón
El 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
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