La investigación actual
Nanomateriales
El campo de los nanomateriales incluye subcampos que desarrollan o estudian materiales que tienen propiedades únicas que surgen de sus dimensiones a nanoescala. [39]
- La ciencia de la interfaz y el coloide ha dado lugar a muchos materiales que pueden ser útiles en nanotecnología, como los nanotubos de carbono y otros fullerenos, y varias nanopartículas y nanorods . Los nanomateriales con transporte rápido de iones están relacionados también con nanoiónicos y nanoelectrónicos.
- Los materiales a nanoescala también se pueden utilizar para aplicaciones a granel; Las aplicaciones comerciales más actuales de la nanotecnología son de este sabor.
- Se ha avanzado en el uso de estos materiales para aplicaciones médicas; Ver la nanomedicina .
- Los materiales a nanoescala, como los nanopilares, se utilizan a veces en células solares que combaten el costo de las células solares de silicio tradicionales .
- Desarrollo de aplicaciones que incorporan nanopartículassemiconductoras para ser utilizadas en la próxima generación de productos, como tecnología de visualización, iluminación, células solares e imágenes biológicas; ver puntos cuánticos .
- La aplicación reciente de nanomateriales incluye una gama de aplicaciones biomédicas , como ingeniería de tejidos , administración de fármacos y biosensores . [40] [41] [42] [43]
Enfoques de abajo hacia arriba
Estos buscan organizar componentes más pequeños en ensamblajes más complejos.
- La nanotecnología de ADN utiliza la especificidad de la reparación de bases de Watson-Crick para construir estructuras bien definidas a partir de ADN y otros ácidos nucleicos .
- Los enfoques desde el campo de la síntesis química "clásica" (síntesis inorgánica y orgánica ) también tienen como objetivo diseñar moléculas con una forma bien definida (por ejemplo, bis-péptidos [44] ).
- Más generalmente, el autoensamblaje molecular busca utilizar conceptos de química supramolecular, y el reconocimiento molecular en particular, para hacer que los componentes de una sola molécula se acomoden automáticamente en alguna conformación útil.
- Las puntas de microscopio de fuerza atómica se pueden usar como un "cabezal de escritura" a nanoescala para depositar una sustancia química sobre una superficie en un patrón deseado en un proceso llamado nanolitografía de pluma de inmersión . Esta técnica encaja en el subcampo más grande de la nanolitografía .
- Molecular Beam Epitaxy permite ensamblajes de materiales de abajo hacia arriba, especialmente los materiales semiconductores que se usan comúnmente en aplicaciones de chip y computación, pilas, compuerta y láseres de nanocables .
Enfoques de arriba hacia abajo
Estos buscan crear dispositivos más pequeños utilizando dispositivos más grandes para dirigir su ensamblaje.
- Muchas tecnologías que descendieron de los métodosconvencionales de silicio en estado sólido para fabricar microprocesadores ahora son capaces de crear características más pequeñas que 100 nm, que caen bajo la definición de nanotecnología. Los discos duros gigantes basados en magnetorresistencia ya disponibles en el mercado se ajustan a esta descripción, [45] al igual que las técnicas de deposición de capa atómica (ALD). Peter Grünberg y Albert Fert recibieron el Premio Nobel de Física en 2007 por su descubrimiento de la magnetorresistencia gigante y sus contribuciones al campo de la espintrónica. [46]
- Las técnicas de estado sólido también se pueden usar para crear dispositivos conocidos como sistemas nanoelectromecánicos o NEMS, que están relacionados con sistemas microelectromecánicos o MEMS.
- Los haces de iones enfocados pueden eliminar directamente el material, o incluso depositar material cuando se aplican al mismo tiempo los gases precursores adecuados. Por ejemplo, esta técnica se usa rutinariamente para crear secciones de material de menos de 100 nm para el análisis en microscopía electrónica de transmisión .
- Las puntas de microscopio de fuerza atómica se pueden usar como un "cabezal de escritura" a nanoescala para depositar una resistencia, que luego es seguido por un proceso de grabado para eliminar el material en un método de arriba hacia abajo.
Enfoques funcionales
Estos buscan desarrollar componentes de una funcionalidad deseada sin tener en cuenta cómo se pueden ensamblar.
- Ensamblaje magnético para la síntesis de materiales superparamagnéticos anisotrópicos como las nano cadenas magnéticas presentadas recientemente . [28]
- La electrónica a escala molecular busca desarrollar moléculas con propiedades electrónicas útiles. Estos podrían luego ser utilizados como componentes de una sola molécula en un dispositivo nanoelectrónico. [47]Para un ejemplo vea rotaxane.
- Los métodos químicos sintéticos también se pueden usar para crear motores moleculares sintéticos , como en un llamado nanocar .
Abordajes biomiméticos
- Bionics o biomimetismo busca aplicar métodos y sistemas biológicos que se encuentran en la naturaleza, al estudio y diseño de sistemas de ingeniería y tecnología moderna. La biomineralización es un ejemplo de los sistemas estudiados.
- Bionanotecnología es el uso de biomoléculas para aplicaciones en nanotecnología, incluido el uso de virus y conjuntos de lípidos. [48] [49] La nanocelulosa es una aplicación potencial a granel.
Especulativo
Estos subcampos buscan anticipar qué invenciones podría producir la nanotecnología, o intentar proponer una agenda a lo largo de la cual la investigación podría progresar. Estos a menudo tienen una visión general de la nanotecnología, con más énfasis en sus implicaciones sociales que los detalles de cómo se podrían crear realmente tales invenciones.
- La nanotecnología molecular es un enfoque propuesto que implica la manipulación de moléculas individuales de manera finamente controlada y determinista. Esto es más teórico que los otros subcampos, y muchas de sus técnicas propuestas están más allá de las capacidades actuales.
- La nanorobótica se centra en máquinas autosuficientes con alguna funcionalidad que opera a nanoescala. Hay esperanzas de aplicar nanorobots en medicina. [50] [51] Sin embargo, el progreso en materiales y metodologías innovadoras se ha demostrado con algunas patentes otorgadas sobre nuevos dispositivos de nanofabricación para futuras aplicaciones comerciales, que también ayudan progresivamente en el desarrollo hacia nanorobots con el uso de conceptos nanobioelectrónicos integrados. [52] [53]
- Los nanosistemas productivos son "sistemas de nanosistemas" que serán nanosistemas complejos que producirán piezas atómicamente precisas para otros nanosistemas, no utilizando necesariamente nuevas propiedades emergentes a nanoescala, sino fundamentos de fabricación bien conocidos. Debido a la naturaleza discreta (es decir, atómica) de la materia y la posibilidad de crecimiento exponencial, esta etapa se ve como la base de otra revolución industrial. Mihail Roco , uno de los arquitectos de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de los EE. UU., Ha propuesto cuatro estados de nanotecnología que parecen ser paralelos al progreso técnico de la Revolución Industrial, pasando de nanoestructuras pasivas a nanodispositivos activos a nanomáquinas complejas y, en última instancia, a nanosistemas productivos. [54]
- La materia programable busca diseñar materiales cuyas propiedades se puedan controlar de manera fácil, reversible y externa a través de una fusión de la ciencia de la información y la ciencia de los materiales .
- Debido a la popularidad y la exposición de los medios del término nanotecnología, las palabras picotecnología y femtotecnología se han acuñado en analogía, aunque solo se usan de manera rara e informal.
Dimensionalidad en nanomateriales.
Los nanomateriales se pueden clasificar en 0D, 1D, 2D y 3D nanomateriales . La dimensionalidad juega un papel importante en la determinación de las características de los nanomateriales, incluidas las características físicas , químicas y biológicas . Con la disminución de la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación de superficie a volumen. Esto indica que los nanomateriales de dimensiones más pequeñas tienen un área de superficie mayor en comparación con los nanomateriales 3D. Recientemente, los nanomateriales bidimensionales (2D) son ampliamente investigados para aplicaciones electrónicas , biomédicas , de administración de fármacos y biosensores .
Herramientas y tecnicas
Hay varios desarrollos modernos importantes. El microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de exploración de túneles (STM) son dos versiones anteriores de las sondas de exploración que lanzaron la nanotecnología. Hay otros tipos de microscopía de sonda de barrido . Aunque conceptualmente es similar al microscopio confocal de barrido desarrollado por Marvin Minsky en 1961 y al microscopio acústico de barrido (SAM) desarrollado por Calvin Quate y colaboradores en la década de 1970, los microscopios de sonda de barrido más nuevos tienen una resolución mucho mayor, ya que no están limitados por la longitud de onda de sonido o luz
La punta de una sonda de escaneo también se puede usar para manipular nanoestructuras (un proceso llamado ensamblaje posicional). La metodología de escaneo orientada a características puede ser una forma prometedora de implementar estas nanomanipulaciones en modo automático. [55] [56] Sin embargo, esto sigue siendo un proceso lento debido a la baja velocidad de exploración del microscopio.
También se desarrollaron varias técnicas de nanolitografía como litografía óptica , litografía de rayos X , nanolitografía de pluma de inmersión, litografía por haz de electrones o litografía por nanoimpresión . La litografía es una técnica de fabricación de arriba hacia abajo en la que un material a granel se reduce en tamaño al patrón a nanoescala.
Otro grupo de técnicas nanotecnológicas incluye las utilizadas para la fabricación de nanotubos y nanocables , las utilizadas en la fabricación de semiconductores como la litografía ultravioleta profunda, la litografía por haz de electrones, el mecanizado de haz de iones enfocado, la litografía por nanoimpresión, la deposición de la capa atómica y la deposición de vapor molecular, y además incluyen Técnicas de autoensamblaje molecular como las que emplean copolímeros dibloques. Los precursores de estas técnicas precedieron a la era de la nanotecnología, y son extensiones en el desarrollo de los avances científicos en lugar de las técnicas que se diseñaron con el único propósito de crear nanotecnología y que fueron el resultado de la investigación en nanotecnología. [57]
El enfoque de arriba hacia abajo anticipa los nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, al igual que los artículos fabricados. La microscopía con sonda de barrido es una técnica importante tanto para la caracterización como para la síntesis de nanomateriales. Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de exploración de túneles se pueden usar para mirar las superficies y mover los átomos. Al diseñar diferentes puntas para estos microscopios, se pueden usar para tallar estructuras en superficies y para ayudar a guiar las estructuras de autoensamblaje. Al utilizar, por ejemplo, el enfoque de exploración orientada a características, los átomos o las moléculas pueden moverse sobre una superficie con técnicas de microscopía de sonda de exploración. [55] [56] En la actualidad, es costoso y requiere mucho tiempo para la producción en masa, pero es muy adecuado para la experimentación en el laboratorio.
En contraste, las técnicas de abajo hacia arriba construyen o crecen estructuras más grandes átomo a átomo o molécula a molécula. Estas técnicas incluyen síntesis química, auto-ensamblaje y ensamblaje posicional. La interferometría de polarización dual es una herramienta adecuada para la caracterización de películas delgadas autoensambladas. Otra variación del enfoque de abajo hacia arriba es la epitaxia de haz molecular o MBE. Investigadores en los laboratorios de telefonía de Bellcomo John R. Arthur. Alfred Y. Cho y Art C. Gossard desarrollaron e implementaron MBE como herramienta de investigación a fines de los años sesenta y setenta. Las muestras realizadas por MBE fueron clave para el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccional por el que se otorgó el Premio Nobel de Física de 1998. MBE permite a los científicos establecer capas de átomos de precisión atómica y, en el proceso, construir estructuras complejas. Importante para la investigación sobre semiconductores, MBE también se usa ampliamente para hacer muestras y dispositivos para el nuevo campo emergente de la espintrónica .
Sin embargo, se están desarrollando nuevos productos terapéuticos, basados en nanomateriales sensibles, como las vesículas de Transfersoma ultradeformables y sensibles al estrés, que ya están aprobados para uso humano en algunos países. [58]
Investigación y desarrollo
Debido a la variedad de aplicaciones potenciales (incluidas las industriales y militares), los gobiernos han invertido miles de millones de dólares en investigación en nanotecnología. Antes de 2012, los EE. UU. Invirtieron $ 3,7 mil millones utilizando su Iniciativa Nacional de Nanotecnología , la Unión Europea invirtió $ 1,2 mil millones y Japón invirtió $ 750 millones. [59] Más de sesenta países crearon programas de investigación y desarrollo (I&D) en nanotecnología entre 2001 y 2004. En 2012, los EE. UU. Y la UE invirtieron $ 2.1 mil millones en investigación en nanotecnología, seguidos por Japón con $ 1.200 millones . La inversión global alcanzó los $ 7.9 mil millones.en 2012. La inversión gubernamental en investigación y desarrollo en investigación en nanotecnología superó los fondos del gobierno, que fue de $ 10 mil millones en 2012. Los mayores gastadores corporativos en investigación y desarrollo fueron los EE. UU., Japón y Alemania, que acumularon un total de $ 7.1 mil millones . [24]
| Rango | Organización | País | Primeras patentes |
|---|---|---|---|
| 1 | Samsung Electronics | Corea del Sur | 2,578 |
| 2 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | Japón | 1,490 |
| 3 | IBM | Estados Unidos | 1,360 |
| 4 | Toshiba | Japón | 1,298 |
| 5 | Canon inc. | Japón | 1.162 |
| 6 | Hitachi | Japón | 1.100 |
| 7 | Universidad de California, Berkeley | Estados Unidos | 1,055 |
| 8 | Panasonic | Japón | 1,047 |
| 9 | Hewlett Packard | Estados Unidos | 880 |
| 10 | TDK | Japón | 839 |
| Rango | Organización | País | Publicaciones cientificas |
|---|---|---|---|
| 1 | Academia china de ciencias | China | 29,591 |
| 2 | Academia rusa de ciencias | Rusia | 12,543 |
| 3 | Centro Nacional de la Ciencia Científica. | Francia | 8,105 |
| 4 | Universidad de tokio | Japón | 6,932 |
| 5 | Universidad de osaka | Japón | 6,613 |
| 6 | Universidad de Tohoku | Japón | 6,266 |
| 7 | Universidad de California, Berkeley | Estados Unidos | 5,936 |
| 8 | Consejo Nacional de Investigación | España | 5,585 |
| 9 | Universidad de Illinois | Estados Unidos | 5,580 |
| 10 | MIT | Estados Unidos | 5,567 |
Aplicaciones
A partir del 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre nanotecnologías emergentes estima que más de 800 productos de nanotecnología identificados por el fabricante están disponibles públicamente, con nuevos productos que llegan al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. [21] El proyecto enumera todos los productos en una base de datos en línea de acceso público. La mayoría de las aplicaciones se limitan al uso de nanomateriales pasivos de "primera generación" que incluyen dióxido de titanio en protectores solares, cosméticos, recubrimientos de superficies [60] y algunos productos alimenticios; Alótropos de carbono utilizados para producir cinta de gecko ; plata en envases de alimentos, ropa, desinfectantes y electrodomésticos; óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, recubrimientos de superficies, pinturas y barnices para muebles de exterior; y óxido de cerio como catalizador de combustible.[20]
Las aplicaciones adicionales permiten que las pelotas de tenis duren más tiempo, las pelotas de golf vuelan más rectas e incluso las pelotas de boliche se vuelven más duraderas y tienen una superficie más dura. Los pantalones y los calcetines han sido infundidos con nanotecnología para que duren más y mantengan a la gente fresca en el verano. Los vendajes se están infundiendo con nanopartículas de plata para curar los cortes más rápido. [61] Las consolas de videojuegos y las computadoras personales pueden ser más baratas, más rápidas y tener más memoria gracias a la nanotecnología. [62]Además, para construir estructuras para la computación en chip con luz, por ejemplo, en el procesamiento óptico de información cuántica de chips y la transmisión de información en picosegundos. [63]
La nanotecnología puede tener la capacidad de hacer que las aplicaciones médicas existentes sean más baratas y más fáciles de usar en lugares como el consultorio del médico general y en el hogar. [64] Los automóviles se fabrican con nanomateriales, por lo que pueden necesitar menos metales y menos combustible para operar en el futuro. [sesenta y cinco]
Los científicos ahora están recurriendo a la nanotecnología en un intento por desarrollar motores diesel con gases de escape más limpios. El platino se utiliza actualmente como el catalizador del motor diesel en estos motores. El catalizador es lo que limpia las partículas de humos de escape. Primero se emplea un catalizador de reducción para tomar átomos de nitrógeno de las moléculas de NOx para liberar oxígeno. A continuación, el catalizador de oxidación oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono y agua. [66] El platino se usa tanto en la reducción como en los catalizadores de oxidación. [67]Sin embargo, usar platino es ineficiente porque es costoso e insostenible. La compañía danesa InnovationsFonden invirtió DKK 15 millones en la búsqueda de nuevos sustitutos de catalizadores utilizando la nanotecnología. El objetivo del proyecto, lanzado en otoño de 2014, es maximizar el área de superficie y minimizar la cantidad de material requerido. Los objetos tienden a minimizar su energía superficial; Dos gotas de agua, por ejemplo, se unirán para formar una gota y disminuirán el área de la superficie. Si se maximiza el área de superficie del catalizador que está expuesta a los humos de escape, se maximiza la eficiencia del catalizador. El equipo que trabaja en este proyecto tiene como objetivo crear nanopartículas que no se fusionen. Cada vez que se optimiza la superficie, se guarda el material. Así, la creación de estas nanopartículas aumentará la eficacia del catalizador del motor diesel resultante, lo que a su vez conducirá a humos de escape más limpios, y disminuirá el costo. Si tiene éxito, el equipo espera reducir el uso de platino en un 25%.[68]
La nanotecnología también tiene un papel destacado en el campo de rápido desarrollo de la ingeniería de tejidos. Al diseñar andamios, los investigadores intentan imitar las características a nanoescala del microambiente de una célula para dirigir su diferenciación hacia un linaje adecuado. [69] Por ejemplo, cuando se crean andamios para soportar el crecimiento del hueso, los investigadores pueden imitar los hoyos de reabsorción de osteoclastos . [70]
Los investigadores han utilizado con éxito nanobots basados en origami de ADN capaces de llevar a cabo funciones lógicas para lograr el suministro de fármacos dirigidos a las cucarachas. Se dice que la potencia de cálculo de estos nanobots se puede ampliar a la de un Commodore 64 . [71]
Nanoelectrónica
La fabricación de dispositivos semiconductores nanoelectrónicos comerciales comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en serie comercial de un proceso de 16 nm , [72] TSMC comenzó la producción de un proceso FinFET de 16 nm , [73] y Samsung Electronics comenzó la producción de un proceso de 10 nm . [74] TSMC comenzó la producción de un proceso de 7 nm en 2017, [75] y Samsung comenzó la producción de un proceso de 5 nm en 2018. [76] En 2019, Samsung anunció planes para la producción comercial de un proceso GAAFET de 3 nm para 2021. [77]
La producción comercial de memoria semiconductora nanoelectrónica también comenzó en la década de 2010. En 2013, SK Hynix comenzó la producción en serie de memoria flash NAND de 16 nm , [72] y Samsung comenzó la producción de memoria flash NAND de celda multinivel (MLC) de 10 nm . [74] En 2017, TSMC comenzó la producción de memoria SRAM utilizando un proceso de 7 nm .
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