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nanotecnologia inicios y avances de esta ciencia

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este es un breve ensayo de lo que es la nanotecnologia, como espeso y que descubrimientos han marcado a esta ciencia

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nanotecnologia inicios y avances de esta ciencia

  1. 1. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 1Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento Nanotecnología inicios y avances que ha tenido esta ciencia La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales), por lo que se trabaja a escala molecular (nano es un prefijo griego que indica medida). Desde la creación del microscopio AFM, sigla del Atomic Force Microscope, se ha cambiado la forma en que los científicos interactúan con la materia en pequeña escala. Para entender la escala a la que se trabaja en este entorno, debemos recordar que la microtecnología nos permite fabricar cosas en la escala del micrón; un micrón es una millonésima de un metro, o sea, la milésima parte de un milímetro (escala que se utiliza cuando se construyen dispositivos tales como memorias, circuitos lógicos y de computación). Un nanómetro es una milésima de una millonésima de metro, o lo que es lo mismo, una milmillonésima de metro y en un nanómetro caben entre tres y cinco átomos. Los tamaños son tan increíblemente reducidos que se puede decir que son 10.000 veces menores que el diámetro de un cabello humano. En la actualidad, hay problemas para adoptar definiciones y clasificación armonizada, clara y concisa a nivel internacional acerca de lo que se entiende por nanotecnología en sus diferentes aplicaciones (la industria define las nanopartículas como “menores de 100 nm mientras otros grupos incluyen partículas de menos de 300nm).. En este tema se está trabajando en el seno de la Unión Europea a fin de llegar a un consenso, ya que es imprescindible que las decisiones se tomen no sólo desde la industria sino con la participación de todos los agentes para mejor información de los consumidores. La nanotecnología se ha convertido en una de las disciplinas científicas de mayor crecimiento en los últimos años debido a su enorme potencial en la creación de nuevos materiales, y ya se ha calificado como la industria del futuro. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula presentan propiedades extraordinarias y diferentes a la escala micro o macro. 1. Origen del concepto de nanotecnología El término nanotecnología identifica una nueva realidad, significa que la ciencia y la tecnología permitirán comprender, medir, manipular y producir, en los niveles atómico, molecular y supramolecular, materiales, instrumentos y sistemas con una organización, propiedades y funciones moleculares fundamentalmente diferentes a las conocidas. Si nos centramos en el prefijo “nano”, del griego “nain”, estamos hablando de una unidad de medida, el nanómetro, milmillonésima parte del metro. Los orígenes de la nanotecnología se remontan a la conferencia histórica que, en 1959, pronunció Richard Feynman en el Instituto de Tecnología de California: “There´s plenty of room at the bottom”, traducido como “en el fondo hay espacio de sobra”. En su ponencia esboza la idea de crear objetos a partir de átomos individuales. Sin citar el término “nano”, Feynman hablaba de la manipulación y control de objetos a muy pequeña escala.
  2. 2. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 2Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento En 1974, Norio Taniguchi, de la Universidad de Ciencias de Tokio, designa una técnica de producción a escala nanométrica, procesos de separación, consolidación y deformación de materiales con la ayuda de un solo átomo o una sola molécula. El definió esto como la barrera del mundo material clásico de la biología, células, bacterias y virus para entrar en el mundo subatómico, en el que las propiedades de los materiales son muy diferentes a lo conocido hasta el momento. 2. ¿Qué es la nanotecnología? La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. Lo nanométrico es característico de una escala comprendida entre la del átomo y la de la célula. En física diríamos que la nanociencia estudia el funcionamiento de agregados de átomos que contienen un número de ellos inferior a un millón. En síntesis, nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. La nanotecnologia es 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 la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas 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. Estas nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden introducirnos en una nueva era. Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social. 3. Bases en las que se apoya la nanotecnología La nanotecnología definida por el tamaño es naturalmente un campo muy amplio, que incluye diferentes disciplinas de la ciencia tan diversas como:  Ciencia de superficies: es el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases, incluyendo interfaces sólido-líquido, sólido-gas, sólido-
  3. 3. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 3Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento vacío, líquido-gas. Es una ciencia interdisciplinaria con campos superpuestos de la química de superficies (el estudio de las reacciones químicas que ocurren en las interfaces) y física de superficies (estudia los cambios físicos que ocurren en las interfaces).  Química orgánica: La química orgánica es la disciplina científica que estudia la estructura, propiedades, síntesis y reactividad de compuestos químicos formados principalmente por carbono e hidrógeno, los cuales pueden contener otros elementos, generalmente en pequeña cantidad como oxígeno, azufre, nitrógeno, halógenos, fósforo, silicio. El término “orgánico” procede de la relación existente entre estos compuestos y los procesos vitales, sin embargo, existen muchos compuestos estudiados por la química orgánica que no están presentes en los seres vivos, mientras que numerosos compuestos inorgánicos forman parte de procesos vitales básicos, sales minerales, metales como el hierro que se encuentra presente en la hemoglobina, etc. Los compuestos orgánicos presentan una enorme variedad de propiedades y aplicaciones y son la base de numerosos compuestos básicos en nuestras vidas, entre los que podemos citar: plásticos, detergentes, pinturas, explosivos, productos farmacéuticos, colorantes, insecticidas etc.  Biología molecular: El estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes. Esta área está relacionada con otros campos de la Biología y la Química, particularmente Genética y Bioquímica. La biología molecular concierne principalmente al entendimiento de las interacciones de los diferentes sistemas de la célula, lo que incluye muchísimas relaciones, entre ellas las del ADN con el ARN, la síntesis de proteínas, el metabolismo, y el cómo todas esas interacciones son reguladas para conseguir un correcto funcionamiento de la célula.  Física de los semiconductores: es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores, bajo diversas condiciones. Sin embargo, gran parte de los semiconductores son estudiados en física del estado sólido.  Microfabricación: se refiere al empleo de técnicas de miniaturización, esencialmente litografías, para producir circuitos integrados o sistemas microelectromecánicos (MEMS). Las técnicas empleadas para producir circuitos
  4. 4. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 4Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento integrados son principalmente litografías de superficie. Para la fabricación de sistemas microelectromecánicos se usan principalmente variantes de las litografías de superficie llamadas genéricamente micromaquinación de superficie 4. Avances que se han logrado en esta ciencia Uno de los aportes más importantes que ha dado el uso de la nanotecnología es el microscopio de efecto de túnel. Es un instrumento para “visualizar” superficies a nivel atómico, el cual fue desarrollado en 1981 por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en el Laboratorio de Investigación de IBM Zúrich. Este podríamos definirlo como una máquina capaz de revelar la estructura atómica de las partículas. La técnicas aplicadas se conocen también como "de barrido de túnel" y están asociadas a la mecánica cuántica. Se basan en la capacidad de atrapar a los electrones que escapan en ese efecto túnel, para lograr una imagen de la estructura atómica de la materia con una alta resolución, en la que cada átomo se puede distinguir de otro. Es un instrumento que se utiliza para obtener imágenes de la materia a escala nanométrica de los átomos, Además permite manipular los átomos individualmente, lo que lo transforma en una herramienta imprescindible en la caracterización de la superficie de diferentes materiales, en el desarrollo de la nanotecnología y en la comprensión de los fenómenos relacionados con lo infinitamente pequeño. Este presenta aproximadamente una resolución de 0.1 nm de resolución lateral y 0.01 nm de resolución de profundidad. Puede ser usado en alto vacío, aire, agua, y varios líquidos o gases. La microscopía de efecto túnel requiere de amplios espacios limpios, estables con un control de vibraciones donde la electrónica sofisticada de resultados finos de alta resolución. Una vez llevado el proceso en el microscopio, escaneando la superficie del objeto y haciendo un mapa de la distancia entre varios puntos, se genera una imagen en tres dimensiones. Los microscopios de efecto túnel también han sido utilizados para producir cambios en la composición molecular de las sustancias. Es un instrumento fundamental en el campo de la nanotecnología y la nanociencia. Otro importante avance seria los nanotubos, los cuales se les denomina como estructuras tubulares (cilíndricas), 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 tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología, la electrónica, la óptica y otros campos de la ciencia de los materiales y la tecnología. Los nanotubos de carbono (NTC) 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 están conformados como si los extremos de un folio se
  5. 5. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 5Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento 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, lógicamente, de diámetros crecientes desde el centro a la periferia, a estos se les conoce como nanotubos multicapa. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre Los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal. Esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben también ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo pueda ser un semiconductor o un metal. En resumen, la nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, y esta se ha convertido en una de las disciplinas científicas de mayor crecimiento en los últimos años debido a su enorme potencial en la creación de nuevos materiales, y ya se ha calificado como la industria del futuro. Esta palabra viene del prefijo “nano”, del griego “nain”, la cual se refiere a una unidad de medida, el nanómetro, el cual es una milmillonésima parte del metro. Los orígenes de esta ciencia se remontan al 1959, año en el cual Richard Feynman dio un inicio de esta. La nanotecnologia es 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. Esta ciencia tiene apoyo de lo que son: la ciencia de superficies, la cual es el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases, la química orgánica, que es la disciplina científica que estudia la estructura, propiedades, síntesis y reactividad de compuestos químicos formados principalmente por carbono e hidrógeno, la biología molecular, que es el estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes, la física de los semiconductores, la cual es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento delos semiconductores y por último la microfabricación, la cual se refiere al empleo de técnicas de miniaturización.
  6. 6. Este material didáctico es de uso exclusiv o para los estudiantes de las licenciaturas presencial, semiescolarizado y a distancia. Esta obra se distribuy e con una licencia de Creativ e Commons de atribución, no comercial, sin deriv ados. 6Pág. de 1 DHTICDesarrollo de Habilidades en el uso de la Tecnología, la Inf ormación y la Comunicación TALLER 04 Integrando conocimiento Algunos de los avances más significativos que ha dado esta ciencia son:  El microscopio de efecto de túnel: un instrumento que se utiliza para obtener imágenes de la materia a escala nanométrica de los átomos, Además permite manipular los átomos individualmente, lo que lo transforma en una herramienta imprescindible en la caracterización de la superficie de diferentes materiales, en el desarrollo de la nanotecnología y en la comprensión de los fenómenos relacionados con lo infinitamente pequeño.  Los nanotubos: se les denomina como estructuras tubulares (cilíndricas), cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro, tienen propiedades inusuales, que son valiosas para la nanotecnología, la electrónica, la óptica y otros campos de la ciencia de los materiales y la tecnología. En si cabe destacar que estos son solo unos de los importantes hallazgos de la nanotecnología, puesto que sin ellos no se lograría la creación de esta ciencia. También se tiene que esta es una ciencia en desarrollo, puesto que en algunos casos aún no se cuenta con el avance tecnológico necesario para desarrollar las teorías o fundamentos que ya se han establecido, lo cual causa que sea aún una ciencia con mucho camino por delante. Fuentes de consulta: 1. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. (2013). Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. 28 de septiembre de 2016, de udnano Sitio web: www.oei.es/salactsi/udnano.pdf 2. Ministerio de defensa, secretaria general técnica. (2014). Monografías 142. Nanociencia, nanotecnología y defensa. 28 de septiembre de 2016, de Ministerio de Defensa de España Sitio web: http://www.defensa.gob.es/ceseden/Galerias/destacados/publicaciones/monografias/fi cheros/142_NANOCIENCIA_NANOTECNOLOGIA_Y_DEFENSA.pdf 3. Ricardo Molins. (abril del 2008). Oportunidades y amenazas de la nanotecnología. 28 de septiembre de 2016, de IICA Sitio web: http://infoagro.net/programas/Sanidad/pages/temasActualidad/temas/Nanotecnologia.p df

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