Cómo Funciona La Nanotecnología

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La nanotecnología es la ciencia de la construcción de máquinas a nivel subatómico. Aprenda sobre la nanotecnología y descubra cómo se desarrolla la nanotecnología.

Hay una convergencia multidisciplinaria sin precedentes de científicos dedicados al estudio de un mundo tan pequeño que no podemos verlo, incluso con un microscopio de luz. Ese mundo es el campo de la nanotecnología, el reino de los átomos y las nanoestructuras. La nanotecnología es tan nueva que nadie está realmente seguro de lo que sucederá. Aun así, las predicciones van desde la capacidad de reproducir cosas como los diamantes y la comida hasta el mundo devorado por nanorobots auto-replicantes.

Para entender el inusual mundo de la nanotecnología, necesitamos tener una idea de las unidades de medida involucradas. Un centímetro es una centésima de metro, un milímetro es una milésima de metro y un micrómetro es una millonésima de metro, pero todos estos son aún enormes en comparación con la nanoescala. UNA nanometro (Nuevo Méjico) es una mil millonésima parte de un metro, más pequeña que la longitud de onda de la luz visible y cien milésimas del ancho de un cabello humano [fuente: Berkeley Lab].

Tan pequeño como es un nanómetro, todavía es grande en comparación con la escala atómica. Un átomo tiene un diámetro de aproximadamente 0,1 nm. El núcleo de un átomo es mucho más pequeño, aproximadamente 0.00001 nm. Los átomos son los bloques de construcción para toda la materia en nuestro universo. Tú y todo lo que te rodea está hecho de átomos. La naturaleza ha perfeccionado la ciencia de la materia de fabricación molecular. Por ejemplo, nuestros cuerpos se ensamblan de una manera específica a partir de millones de células vivas. Las células son las nanomáquinas de la naturaleza. En la escala atómica, los elementos están en su nivel más básico. En la nanoescala, potencialmente podemos juntar estos átomos para hacer casi cualquier cosa.

En una conferencia llamada "Pequeñas maravillas: El mundo de la nanociencia", el ganador del Premio Nobel, el Dr. Horst Störmer, dijo que la nanoescala es más interesante que la escala atómica porque la nanoescala es el primer punto en el que podemos ensamblar algo. Empieza a juntar átomos para que podamos hacer cualquier cosa útil.

En este artículo, aprenderemos lo que significa la nanotecnología hoy y lo que puede deparar el futuro de la nanotecnología. También veremos los riesgos potenciales que conlleva trabajar a nanoescala.

En la siguiente sección, aprenderemos más acerca de nuestro mundo en la nanoescala.

El mundo de la nanotecnología

Un ingeniero prepara una oblea de silicona en una etapa temprana de la producción de microchips.

Un ingeniero prepara una oblea de silicona en una etapa temprana de la producción de microchips.

-Los expertos a veces no están de acuerdo con lo que constituye la nanoescala, pero en general, se puede pensar en la nanotecnología que se ocupa de cualquier cosa que mida entre 1 y 100 nm. Más grande que eso es la microescala, y más pequeño que eso es la escala atómica.

La nanotecnología se está convirtiendo rápidamente en un campo interdisciplinario. Biólogos, químicos, físicos e ingenieros están involucrados en el estudio de sustancias en la nanoescala. El Dr. Störmer espera que las diferentes disciplinas desarrollen un lenguaje común y se comuniquen entre sí [fuente: Störmer]. Solo entonces, dice, podemos enseñar efectivamente la nanociencia ya que no se puede entender el mundo de la nanotecnología sin una sólida formación en ciencias múltiples.

Uno de los aspectos emocionantes y desafiantes de la nanoescala es el papel que desempeña la mecánica cuántica. Las reglas de la mecánica cuántica son muy diferentes de la física clásica, lo que significa que el comportamiento de las sustancias en la nanoescala a veces puede contradecir el sentido común al comportarse de forma errática. No se puede subir a una pared e inmediatamente teletransportarse al otro lado, pero en la nanoescala se puede un electrón: se llama tunelización de electrones. Sustancias que son aislantes, lo que significa que no pueden llevar una carga eléctrica, en forma masiva pueden convertirse en semiconductores cuando se reducen a nanoescala. Los puntos de fusión pueden cambiar debido a un aumento en el área de la superficie. Gran parte de la nanociencia requiere que olvides lo que sabes y comiences a aprender de nuevo.

Entonces, ¿qué significa todo esto? En este momento, significa que los científicos están experimentando con sustancias en la nanoescala para conocer sus propiedades y cómo podemos aprovecharlas en diversas aplicaciones. Los ingenieros están tratando de usar cables de tamaño nanométrico para crear microprocesadores más pequeños y más potentes. Los médicos están buscando formas de usar nanopartículas en aplicaciones médicas. Aún así, tenemos un largo camino por recorrer antes de que la nanotecnología domine los mercados de tecnología y médicos.

En la siguiente sección, veremos dos importantes estructuras de nanotecnología: nanocables y nanotubos de carbono.

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Es un mundo pequeño después de todo

En la nanoescala, los objetos son tan pequeños que no podemos verlos, incluso con un microscopio de luz. Los nanocientíficos tienen que usar herramientas como microscopios de exploración de túneles o microscopios de fuerza atómica Para observar cualquier cosa a nanoescala. Los microscopios de exploración de túneles utilizan una corriente eléctrica débil para probar el material escaneado. Los microscopios de fuerza atómica escanean las superficies con una punta increíblemente fina. Ambos microscopios envían datos a una computadora, que puede reunir la información y proyectarla gráficamente en un monitor [fuente: Encyclopædia Britannica].

Nanocables y nanotubos de carbono

Cómo funciona la nanotecnología: nanotecnología

Actualmente, los científicos encuentran dos estructuras de tamaño nanométrico de particular interés: nanocables y nanotubos de carbon. Los nanocables son cables con un diámetro muy pequeño, a veces tan pequeños como 1 nanómetro. Los científicos esperan usarlos para construir pequeños transistores para chips de computadora y otros dispositivos electrónicos. En los últimos dos años, los nanotubos de carbono han opacado a los nanocables. Todavía estamos aprendiendo acerca de estas estructuras, pero lo que hemos aprendido hasta ahora es muy emocionante.

Un nanotubo de carbono es un cilindro de tamaño nanométrico de átomos de carbono. Imagina una lámina de átomos de carbono, que se vería como una lámina de hexágonos. Si enrolla esa hoja en un tubo, tendrá un nanotubo de carbono. Las propiedades del nanotubo de carbono dependen de cómo enrolle la lámina. En otras palabras, aunque todos los nanotubos de carbono están hechos de carbono, pueden ser muy diferentes entre sí en función de cómo se alinean los átomos individuales.

Con la disposición correcta de los átomos, puedes crear un nanotubo de carbono que es cientos de veces más fuerte que el acero, pero seis veces más liviano [fuente: el ecologista]. Los ingenieros planean hacer material de construcción a partir de nanotubos de carbono, particularmente para cosas como automóviles y aviones. Los vehículos más livianos significarían una mejor eficiencia de combustible, y la fuerza adicional se traduce en una mayor seguridad para los pasajeros.

Los nanotubos de carbono también pueden ser semiconductores eficaces con la disposición correcta de los átomos. Los científicos todavía están trabajando para encontrar formas de hacer que los nanotubos de carbono sean una opción realista para los transistores en microprocesadores y otros dispositivos electrónicos.

En la siguiente sección, veremos productos que aprovechan la nanotecnología.

Grafito vs. Diamantes

¿Cuál es la diferencia entre el grafito y los diamantes? Ambos materiales están hechos de carbono, pero ambos tienen propiedades muy diferentes. El grafito es suave; los diamantes son duros El grafito conduce la electricidad, pero los diamantes son aislantes y no pueden conducir la electricidad. El grafito es opaco; Los diamantes suelen ser transparentes. El grafito y los diamantes tienen estas propiedades debido a la forma en que los átomos de carbono se unen entre sí en la nanoescala.

Productos con nanotecnología.

Ingredientes como el óxido de zinc pueden dejar un brillo blanco detrás. Pero los protectores solares con nanopartículas de óxido de zinc se frotan en la clara.

Ingredientes como el óxido de zinc pueden dejar un brillo blanco detrás. Pero los protectores solares con nanopartículas de óxido de zinc se frotan en la clara.

Es posible que se sorprenda al descubrir cuántos productos en el mercado ya se están beneficiando de la nanotecnología.

Cómo funciona la nanotecnología: cómo

Los ingenieros de Bridgestone desarrollaron esta pantalla de polvo líquido de respuesta rápida, una pantalla digital flexible, utilizando nanotecnología.
  • Protector solar - Muchos filtros solares contienen nanopartículas de óxido de zinc u óxido de titanio. Las fórmulas de protección solar más antiguas usan partículas más grandes, que es lo que le da a la mayoría de las pantallas solares su color blanquecino. Las partículas más pequeñas son menos visibles, lo que significa que cuando frotas el protector solar en tu piel, no te da un tinte blanquecino.
  • Vidrio autolimpiante - Una compañía llamada Pilkington ofrece un producto que ellos llaman Activ Glass, que utiliza nanopartículas para hacer el vidrio. fotocatalítico y hidrofilico. El efecto fotocatalítico significa que cuando la radiación UV de la luz incide en el vidrio, las nanopartículas se energizan y comienzan a descomponerse y aflojar las moléculas orgánicas en el vidrio (en otras palabras, suciedad). Hidrofílico significa que cuando el agua entra en contacto con el vidrio, se distribuye uniformemente sobre el vidrio, lo que ayuda a limpiar el vidrio.
  • Ropa - Los científicos están utilizando nanopartículas para mejorar su ropa. Al recubrir tejidos con una capa delgada de nanopartículas de óxido de zinc, los fabricantes pueden crear prendas que brinden una mejor protección contra la radiación UV. Algunas prendas tienen nanopartículas en forma de pequeños pelos o bigotes que ayudan a repeler el agua y otros materiales, haciendo que la ropa sea resistente a las manchas.
  • Resistente a los arañazos revestimientos - Los ingenieros descubrieron que la adición de nanopartículas de silicato de aluminio a los recubrimientos de polímeros resistentes a los rasguños hizo que los recubrimientos fueran más efectivos, aumentando la resistencia a astillas y rasguños. Los recubrimientos resistentes a los arañazos son comunes en todo, desde automóviles hasta lentes de anteojos.
  • Vendas antimicrobianas - El científico Robert Burrell creó un proceso para fabricar vendas antibacterianas utilizando nanopartículas de plata. Los iones de plata bloquean la respiración celular de los microbios [fuente: Burnsurgery.org]. En otras palabras, la plata ahoga las células dañinas, matándolas.

[fuente: El ecologista]

Todos los días salen nuevos productos que incorporan nanotecnología. Tejidos resistentes a las arrugas, cosméticos de penetración profunda, pantallas de cristal líquido (LCD) y otras comodidades que utilizan la nanotecnología están en el mercado. En poco tiempo, veremos docenas de otros productos que aprovechan la nanotecnología que va desde los microprocesadores Intel a bio-nanobaterías, condensadores de solo unos nanómetros de espesor. Si bien esto es emocionante, es solo la punta del iceberg en cuanto a cómo la nanotecnología puede impactarnos en el futuro.

En la siguiente sección, veremos algunas de las cosas increíbles que la nanotecnología puede tener para nosotros.

Tenis, alguien?

La nanotecnología está teniendo un gran impacto en el mundo del tenis. En 2002, la compañía de raquetas de tenis Babolat presentó la raqueta VS Nanotube Power. Hicieron la raqueta de grafito infundido con nanotubos de carbono, lo que significa que la raqueta era muy ligera, pero a la vez más fuerte que el acero. Mientras tanto, el fabricante de pelotas de tenis Wilson presentó la pelota de tenis Double Core. Estas bolas tienen un recubrimiento de nanopartículas de arcilla en el núcleo interno. La arcilla actúa como un sellador, lo que hace muy difícil que el aire escape de la pelota.

El futuro de la nanotecnología

Cómo funciona la nanotecnología: nanotecnología

En el mundo de "Star Trek", máquinas llamadas. replicadores puede producir prácticamente cualquier objeto físico, desde armas hasta una taza humeante de té Earl Grey. Considerado durante mucho tiempo como el producto exclusivo de la ciencia ficción, hoy en día algunas personas creen que los replicadores son una posibilidad muy real. Ellos lo llaman fabricación molecular, y si alguna vez se convierte en una realidad, podría cambiar drásticamente el mundo.

Los átomos y las moléculas se pegan entre sí porque tienen formas complementarias que se unen entre sí, o cargas que atraen. Al igual que con los imanes, un átomo con carga positiva se pegará a un átomo con carga negativa. A medida que millones de estos átomos están unidos por nanomáquinas, un producto específico comenzará a tomar forma.El objetivo de la fabricación molecular es manipular los átomos individualmente y colocarlos en un patrón para producir una estructura deseada.

El primer paso sería desarrollar máquinas nanoscópicas, llamadas ensambladores, que los científicos pueden programar para manipular átomos y moléculas a voluntad. El profesor de la Universidad de Rice, Richard Smalley, señala que se necesitaría una sola máquina nanoscópica durante millones de años para reunir una cantidad significativa de material. Para que la fabricación molecular sea práctica, se necesitarían trillones de ensambladores trabajando juntos simultáneamente. Eric Drexler cree que los ensambladores primero podrían replicarse a sí mismos, construyendo otros ensambladores. Cada generación construiría otra, dando como resultado un crecimiento exponencial hasta que haya suficientes ensambladores para producir objetos [fuente: Ray Kurzweil].

Este contenido no es compatible en este dispositivo.

Los ensambladores pueden tener partes móviles como los nanogears en este dibujo conceptual.

Trillones de ensambladores y replicadores podrían llenar un área más pequeña que un milímetro cúbico, y aún podrían ser demasiado pequeños para que podamos verlos a simple vista. Los ensambladores y los replicadores podrían trabajar juntos para construir productos automáticamente, y eventualmente podrían reemplazar todos los métodos de mano de obra tradicionales. Esto podría reducir enormemente los costos de fabricación, haciendo que los bienes de consumo sean abundantes, más baratos y más fuertes. Eventualmente, podríamos replicar cualquier cosa, incluidos los diamantes, el agua y los alimentos. El hambre podría ser erradicada por máquinas que fabrican alimentos para alimentar a los hambrientos.

La nanotecnología puede tener su mayor impacto en la industria médica. Los pacientes beberán líquidos que contienen nanorobots programados para atacar y reconstruir la estructura molecular de las células cancerosas y los virus. Incluso hay especulaciones de que los nanorobots podrían retardar o revertir el proceso de envejecimiento, y la esperanza de vida podría aumentar significativamente. Los nanorobots también podrían programarse para realizar cirugías delicadas, como nanocirujanos podría funcionar a un nivel mil veces más preciso que el bisturí más afilado [fuente: International Journal of Surgery]. Al trabajar en una escala tan pequeña, un nanorobot podría operar sin dejar las cicatrices que hace la cirugía convencional. Además, los nanorobots podrían cambiar tu apariencia física. Podrían programarse para realizar una cirugía estética, reorganizando sus átomos para cambiar sus oídos, nariz, color de ojos o cualquier otra característica física que desee modificar.

La nanotecnología tiene el potencial de tener un efecto positivo en el medio ambiente. Por ejemplo, los científicos podrían programar nanorobots en el aire para reconstruir la capa de ozono que adelgaza. Los nanorobots podrían eliminar los contaminantes de las fuentes de agua y limpiar los derrames de petróleo. Fabricando materiales utilizando el de abajo hacia arriba método La nanotecnología también crea menos contaminación que los procesos de fabricación convencionales. Nuestra dependencia de los recursos no renovables disminuiría con la nanotecnología. Es posible que ya no sea necesario cortar árboles, extraer carbón o perforar para obtener petróleo, ya que las nanomáquinas podrían producir esos recursos.

Muchos expertos en nanotecnología consideran que estas aplicaciones están fuera del ámbito de lo posible, al menos en el futuro previsible. Advierten que las aplicaciones más exóticas son solo teóricas. A algunos les preocupa que la nanotecnología termine como una realidad virtual; en otras palabras, la exageración que rodea a la nanotecnología seguirá construyendo hasta que las limitaciones del campo se conviertan en conocimiento público, y luego el interés (y la financiación) se disipará rápidamente.

En la siguiente sección, veremos algunos de los desafíos y riesgos de la nanotecnología.

¿Qué tan nueva es la nanotecnología?

En 1959, el físico y futuro ganador del premio Nobel Richard Feynman dio una conferencia a la Sociedad Física Americana llamada "Hay mucho espacio en la parte inferior". El enfoque de su discurso fue sobre el campo de la miniaturización y sobre cómo creía que el hombre crearía dispositivos cada vez más pequeños y poderosos.

En 1986, K. Eric Drexler escribió "Engines of Creation" e introdujo el término nanotecnología. La investigación científica realmente se expandió en la última década. Los inventores y las corporaciones no se quedan atrás: hoy, más de 13,000 patentes registradas en la Oficina de Patentes de los Estados Unidos tienen la palabra "nano" [fuente: Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos].

Desafíos, riesgos y ética de la nanotecnología

Cómo funciona la nanotecnología: funciona

El desafío más inmediato en nanotecnología es que necesitamos aprender más sobre los materiales y sus propiedades en la nanoescala. Universidades y corporaciones en todo el mundo están estudiando rigurosamente cómo los átomos se unen para formar estructuras más grandes. Todavía estamos aprendiendo sobre cómo la mecánica cuántica afecta a las sustancias en la nanoescala.

Debido a que los elementos en la nanoescala se comportan de manera diferente a como lo hacen en su forma masiva, existe la preocupación de que algunas nanopartículas podrían ser tóxicas. A algunos médicos les preocupa que las nanopartículas sean tan pequeñas, que puedan atravesar fácilmente las barrera hematoencefálica, una membrana que protege al cerebro de sustancias químicas dañinas en el torrente sanguíneo. Si planeamos usar nanopartículas para cubrir todo, desde nuestra ropa hasta nuestras carreteras, debemos estar seguros de que no nos envenenarán.

Muy relacionado con la barrera del conocimiento está la barrera técnica. Para que las increíbles predicciones sobre la nanotecnología se hagan realidad, tenemos que encontrar formas de producir en masa productos de tamaño nanométrico, como transistores y nanocables. Si bien podemos usar nanopartículas para construir cosas como raquetas de tenis y hacer telas sin arrugas, aún no podemos hacer chips de microprocesadores realmente complejos con nanocables.

También hay algunas grandes preocupaciones sociales sobre la nanotecnología. La nanotecnología también nos permite crear armas más poderosas, tanto letales como no letales.A algunas organizaciones les preocupa que solo podamos examinar las implicaciones éticas de la nanotecnología en el armamento una vez que se hayan construido estos dispositivos. Instan a los científicos y políticos a examinar cuidadosamente todas las posibilidades de la nanotecnología antes de diseñar armas cada vez más poderosas.

Si la nanotecnología en la medicina nos permite mejorarnos físicamente, ¿es ético? En teoría, la nanotecnología médica podría hacernos más inteligentes, más fuertes y darnos otras habilidades que van desde la curación rápida hasta la visión nocturna. ¿Debemos perseguir tales objetivos? ¿Podríamos seguir llamándonos humanos, o nos convertiríamos en humanos, el próximo paso en el camino evolutivo del hombre? Ya que casi todas las tecnologías comienzan siendo muy caras, ¿esto significaría que crearíamos dos razas de personas: una raza rica de humanos modificados y una población más pobre de personas inalteradas? No tenemos respuestas a estas preguntas, pero varias organizaciones están instando a los nanocientíficos a considerar estas implicaciones ahora, antes de que sea demasiado tarde.

No todas las preguntas implican alterar el cuerpo humano, algunas tratan con el mundo de las finanzas y la economía. Si la fabricación molecular se convierte en una realidad, ¿cómo afectará eso a la economía mundial? Suponiendo que podamos construir cualquier cosa que necesitemos con el clic de un botón, ¿qué sucede con todos los trabajos de fabricación? Si puedes crear cualquier cosa usando un replicador, ¿qué pasa con la moneda? ¿Nos mudaríamos a una economía completamente electrónica? ¿Incluso necesitaríamos dinero?

Si realmente debemos responder todas estas preguntas es una cuestión de debate. Muchos expertos piensan que las preocupaciones como la sustancia viscosa gris y los trashumanos son, en el mejor de los casos, prematuros y probablemente innecesarios. Aun así, la nanotecnología definitivamente nos seguirá impactando a medida que aprendamos más sobre el enorme potencial de la nanoescala.

Para obtener más información sobre la nanotecnología y otros temas, siga los enlaces de la página siguiente.

Goo apocalíptico

Eric Drexler, el hombre que introdujo la palabra nanotecnología, presentó una visión apocalíptica aterradora: los nanorobots autorreplicantes funcionan mal, se duplican un trillón de veces y consumen rápidamente a todo el mundo mientras extraen carbono del ambiente para construir más por sí mismos. Se llama el "goo gris"Escenario, donde un dispositivo sintético de tamaño nanométrico reemplaza a todo el material orgánico. Otro escenario involucra nanodispositivos hechos de material orgánico que borra la Tierra: el "goo verde" guión.


Suplemento De Vídeo: 10 Aplicaciones Sorprendentes de la Nanotecnología.




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