Historia de las Invenciones - Nanotecnología

Ya alrededor del 600 a. la gente estaba produciendo estructuras de nanotipos, es decir, hebras de cementita en acero, llamadas Wootz. Esto sucedió en India, y esto puede considerarse el comienzo de la historia de la nanotecnología.

VI-XV s. Los tintes utilizados durante este período para pintar vidrieras utilizan nanopartículas de cloruro de oro, cloruros de otros metales, así como óxidos metálicos.

IX-XVII v. En muchos lugares de Europa se producen "glitters" y otras sustancias para dar brillo a la cerámica y otros productos. Contenían nanopartículas de metales, la mayoría de las veces plata o cobre.

XIII-xviii w. El “acero de Damasco” producido en estos siglos, a partir del cual se fabricaron las mundialmente famosas armas blancas, contiene nanotubos de carbono y nanofibras de cementita.

1857 Michael Faraday descubre el oro coloidal de color rubí, característico de las nanopartículas de oro.

1931 Max Knoll y Ernst Ruska construyen un microscopio electrónico en Berlín, el primer dispositivo para ver la estructura de las nanopartículas a nivel atómico. Cuanto mayor es la energía de los electrones, menor es su longitud de onda y mayor la resolución del microscopio. La muestra se encuentra en el vacío y, en la mayoría de los casos, se cubre con una película de metal. El haz de electrones atraviesa el objeto de prueba y entra en los detectores. Basándose en las señales medidas, los dispositivos electrónicos recrean la imagen de la muestra de prueba.

1936 Erwin Müller, trabajando en los Laboratorios Siemens, inventa el microscopio de emisión de campo, la forma más simple de un microscopio electrónico de emisión. Este microscopio utiliza un fuerte campo eléctrico para emisión de campo e imágenes.

1950 Victor La Mer y Robert Dinegar crean las bases teóricas de la técnica de obtención de materiales coloidales monodispersos. Esto permitió la producción de tipos especiales de papel, pinturas y películas delgadas a escala industrial.

1956 Arthur von Hippel del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) acuñó el término "ingeniería molecular".

1959 Richard Feynman da una conferencia sobre "Hay mucho espacio en la parte inferior". Empezando por imaginar lo que se necesitaría para colocar una Encyclopædia Britannica de 24 volúmenes en la cabeza de un alfiler, introdujo el concepto de miniaturización y la posibilidad de utilizar tecnologías que podrían funcionar a nivel nanométrico. En esta ocasión, estableció dos premios (los llamados Premios Feynman) por logros en esta área, de mil dólares cada uno.

1960 El pago del primer premio decepcionó a Feynman. Asumió que se requeriría un gran avance tecnológico para lograr sus objetivos, pero en ese momento subestimó el potencial de la microelectrónica. El ganador fue el ingeniero William H. McLellan, de 35 años. Creó un motor de 250 microgramos de peso, con una potencia de 1 mW.

1968 Alfred Y. Cho y John Arthur desarrollan el método de la epitaxia. Permite la formación de capas monoatómicas superficiales utilizando tecnología de semiconductores: el crecimiento de nuevas capas monocristalinas sobre un sustrato cristalino existente, duplicando la estructura del sustrato de sustrato cristalino existente. Una variación de la epitaxia es la epitaxia de compuestos moleculares, que permite depositar capas cristalinas con un espesor de una capa atómica. Este método se utiliza en la producción de puntos cuánticos y las llamadas capas finas.

1974 Introducción del término "nanotecnología". Fue utilizado por primera vez por el investigador de la Universidad de Tokio Norio Taniguchi en una conferencia científica. La definición de física japonesa sigue en uso hasta el día de hoy y suena así: “La nanotecnología es una producción que utiliza tecnología que permite lograr una precisión muy alta y tamaños extremadamente pequeños, es decir, precisión del orden de 1 nm.

Visualización de una gota cuántica

80 y 90 El período de rápido desarrollo de la tecnología litográfica y la producción de capas ultrafinas de cristales. El primero, MOCVD(), es un método para depositar capas en la superficie de materiales utilizando compuestos organometálicos gaseosos. Este es uno de los métodos epitaxiales, de ahí su nombre alternativo: MOSFE (). El segundo método, MBE, permite depositar capas nanométricas muy finas con una composición química definida con precisión y una distribución precisa del perfil de concentración de impurezas. Esto es posible debido al hecho de que los componentes de la capa se suministran al sustrato mediante haces moleculares separados.

1981 Gerd Binnig y Heinrich Rohrer crean el microscopio de efecto túnel. Utilizando las fuerzas de las interacciones interatómicas, permite obtener una imagen de la superficie con una resolución del orden del tamaño de un solo átomo, pasando la cuchilla por encima o por debajo de la superficie de la muestra. En 1989, el dispositivo se usó para manipular átomos individuales. Binnig y Rohrer recibieron el Premio Nobel de Física de 1986.

1985 Louis Brus de Bell Labs descubre nanocristales semiconductores coloidales (puntos cuánticos). Se definen como una pequeña área del espacio limitada en tres dimensiones por barreras de potencial cuando ingresa una partícula con una longitud de onda comparable al tamaño de un punto.

Portada del libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology de C. Eric Drexler

1985 Robert Floyd Curl, Jr., Harold Walter Kroto y Richard Erret Smalley descubren los fullerenos, moléculas formadas por un número par de átomos de carbono (de 28 a unos 1500) que forman un cuerpo hueco cerrado. Las propiedades químicas de los fullerenos son similares en muchos aspectos a las de los hidrocarburos aromáticos. Fullerene C60, o buckminsterfullerene, como otros fullerenos, es una forma alotrópica de carbono.

1986 - 1992 C. Eric Drexler publica dos importantes libros sobre futurología que popularizan la nanotecnología. El primero, lanzado en 1986, se llama Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Él predice, entre otras cosas, que las tecnologías futuras podrán manipular átomos individuales de manera controlada. En 1992, publicó Nanosystems: Molecular Hardware, Manufacturing, and the Computational Idea, que a su vez predijo que las nanomáquinas podrían reproducirse.

1989 Donald M. Aigler de IBM pone la palabra "IBM" - hecha de 35 átomos de xenón - en una superficie de níquel.

1991 Sumio Iijima de NEC en Tsukuba, Japón, descubre nanotubos de carbono, estructuras cilíndricas huecas. Hasta la fecha, los nanotubos de carbono más conocidos, cuyas paredes están hechas de grafeno laminado. También hay nanotubos que no son de carbono y nanotubos de ADN. Los nanotubos de carbono más delgados tienen un diámetro del orden de un nanómetro y pueden ser millones de veces más largos. Tienen una notable resistencia a la tracción y propiedades eléctricas únicas, y son excelentes conductores del calor. Estas propiedades los convierten en materiales prometedores para aplicaciones en nanotecnología, electrónica, óptica y ciencia de los materiales.

1993 Warren Robinett de la Universidad de Carolina del Norte y R. Stanley Williams de UCLA están construyendo un sistema de realidad virtual vinculado a un microscopio de efecto túnel que permite al usuario ver e incluso tocar átomos.

1998 El equipo de Cees Dekker de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos está construyendo un transistor que utiliza nanotubos de carbono. Actualmente, los científicos están tratando de utilizar las propiedades únicas de los nanotubos de carbono para producir productos electrónicos mejores y más rápidos que consuman menos electricidad. Esto se vio limitado por una serie de factores, algunos de los cuales se fueron superando gradualmente, lo que llevó en 2016 a investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison a crear un transistor de carbono con mejores parámetros que los mejores prototipos de silicio. La investigación de Michael Arnold y Padma Gopalan condujo al desarrollo de un transistor de nanotubos de carbono que puede transportar el doble de corriente que su competidor de silicio.

2003 Samsung patenta una tecnología avanzada basada en la acción de iones de plata microscópicos para matar gérmenes, moho y más de seiscientos tipos de bacterias y evitar su propagación. Se han introducido partículas de plata en los sistemas de filtración más importantes de la aspiradora de la empresa: todos los filtros y el colector de polvo o la bolsa.

2004 La Real Sociedad Británica y la Real Academia de Ingeniería publican el informe "Nanociencia y Nanotecnología: Oportunidades e Incertidumbres", llamando a investigar los riesgos potenciales de la nanotecnología para la salud, el medio ambiente y la sociedad, teniendo en cuenta aspectos éticos y legales.

Modelo de nanomotor sobre ruedas de fullereno

2006 James Tour, junto con un equipo de científicos de la Universidad de Rice, construye una "camioneta" microscópica a partir de la molécula de oligo (fenilenetinileno), cuyos ejes están hechos de átomos de aluminio y las ruedas están hechas de fullerenos C60. El nanovehículo se movió sobre la superficie, que consiste en átomos de oro, bajo la influencia del aumento de temperatura, debido a la rotación de las "ruedas" de fullereno. Por encima de una temperatura de 300 ° C, se aceleró tanto que los químicos ya no pudieron rastrearlo ...

2007 Los nanotecnólogos del Technion encajan todo el "Antiguo Testamento" judío en un área de apenas 0,5 mm² oblea de silicio chapada en oro. El texto fue grabado dirigiendo una corriente enfocada de iones de galio sobre la placa.

2009 - 2010 Nadrian Seaman y sus colegas de la Universidad de Nueva York están creando una serie de nanomontajes similares al ADN en los que se pueden programar estructuras sintéticas de ADN para "producir" otras estructuras con las formas y propiedades deseadas.

2013 Los científicos de IBM están creando una película animada que solo se puede ver después de ampliarla 100 millones de veces. Se llama "El niño y su átomo" y está dibujado con puntos diatómicos de una milmillonésima parte de un metro de tamaño, que son moléculas individuales de monóxido de carbono. La caricatura representa a un niño que primero juega con una pelota y luego salta en un trampolín. Una de las moléculas también juega el papel de una pelota. Toda la acción tiene lugar sobre una superficie de cobre, y el tamaño de cada fotograma de la película no supera varias decenas de nanómetros.

2014 Científicos de la Universidad Tecnológica ETH de Zúrich han logrado crear una membrana porosa de menos de un nanómetro de espesor. El espesor del material obtenido mediante manipulación nanotecnológica es de 100 XNUMX. veces más pequeño que el de un cabello humano. Según los miembros del equipo de autores, este es el material poroso más delgado que podría obtenerse y generalmente es posible. Consiste en dos capas de una estructura bidimensional de grafeno. La membrana es permeable, pero solo a las partículas pequeñas, lo que ralentiza o atrapa por completo las partículas más grandes.

2015 Se está creando una bomba molecular, un dispositivo a nanoescala que transfiere energía de una molécula a otra, imitando los procesos naturales. El diseño fue diseñado por investigadores del Weinberg Northwestern College of Arts and Sciences. El mecanismo se asemeja a los procesos biológicos en las proteínas. Se espera que tales tecnologías encuentren aplicación principalmente en los campos de la biotecnología y la medicina, por ejemplo, en músculos artificiales.

2016 Según una publicación en la revista científica Nature Nanotechnology, los investigadores de la Universidad Técnica Holandesa de Delft han desarrollado medios de almacenamiento de un solo átomo innovadores. El nuevo método debería proporcionar una densidad de almacenamiento más de quinientas veces mayor que cualquier tecnología utilizada actualmente. Los autores señalan que se pueden lograr resultados aún mejores utilizando un modelo tridimensional de la ubicación de las partículas en el espacio.

Clasificación de nanotecnologías y nanomateriales

1. Las estructuras nanotecnológicas incluyen:

• pozos cuánticos, hilos y puntos, es decir, varias estructuras que combinan la siguiente característica: la limitación espacial de partículas en un área determinada a través de barreras potenciales;
• plásticos, cuya estructura se controla a nivel de moléculas individuales, gracias a los cuales es posible, por ejemplo, obtener materiales con propiedades mecánicas sin precedentes;
• fibras artificiales: materiales con una estructura molecular muy precisa, que también se distinguen por propiedades mecánicas inusuales;
• nanotubos, estructuras supramoleculares en forma de cilindros huecos. Hasta la fecha, los nanotubos de carbono más conocidos, cuyas paredes están hechas de grafeno plegado (capas de grafito monoatómicas). También existen nanotubos que no son de carbono (por ejemplo, de sulfuro de tungsteno) y de ADN;
• materiales triturados en forma de polvo, cuyos granos son, por ejemplo, acumulaciones de átomos metálicos. La plata () con fuertes propiedades antibacterianas se usa ampliamente en esta forma;
• nanocables (por ejemplo, plata o cobre);
• elementos formados mediante litografía electrónica y otros métodos de nanolitografía;
• fullerenos;
• grafeno y otros materiales bidimensionales (borofeno, grafeno, nitruro de boro hexagonal, siliceno, germaneno, sulfuro de molibdeno);
• materiales compuestos reforzados con nanopartículas.

Superficie nanolitográfica

2. La clasificación de las nanotecnologías en la sistemática de las ciencias, elaborada en 2004 por la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE):

• nanomateriales (producción y propiedades);
• nanoprocesos (aplicaciones a nanoescala - los biomateriales pertenecen a la biotecnología industrial).

3. Los nanomateriales son todos los materiales en los que existen estructuras regulares a nivel molecular, es decir, que no supere los 100 nanómetros.

Este límite puede referirse al tamaño de los dominios como unidad básica de la microestructura, o al espesor de las capas obtenidas o depositadas sobre el sustrato. En la práctica, el límite por debajo del cual se atribuye a los nanomateriales es diferente para los materiales con diferentes propiedades de desempeño; se asocia principalmente con la aparición de propiedades específicas cuando se exceden. Al reducir el tamaño de las estructuras ordenadas de los materiales, es posible mejorar significativamente sus propiedades fisicoquímicas, mecánicas y otras.

Los nanomateriales se pueden dividir en los siguientes cuatro grupos:

• de dimensión cero (nanomateriales de puntos), por ejemplo, puntos cuánticos, nanopartículas de plata;
• unidimensional – por ejemplo, nanohilos metálicos o semiconductores, nanovarillas, nanofibras poliméricas;
• bidimensional – por ejemplo, capas nanométricas de tipo monofásico o multifásico, grafeno y otros materiales con un espesor de un átomo;
• tridimensional (o nanocristalino) - consisten en dominios cristalinos y acumulaciones de fases con tamaños del orden de nanómetros o compuestos reforzados con nanopartículas.