fronteras de la física: nanociencia y nanotecnología


La conferencia de hoy, impartida de forma muy amena por Fernando Moreno Gracia del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Cantabria (Grupo de Óptica), ha tratado del mundo de lo muy pequeño, a la escala de los nanometros, un mundo que está siendo explorado por la ciencia (nanociencia) y explotado de https://blog.gdmiguel.info:13443/wp-admin/edit.phpforma muy incipiente con aplicaciones sorprendentes por la tecnología (nanotecnología) y que en mi opinión está llamado a cambiar el mundo en el que vivimos de una forma radical comparable a cambios pasados como la revolución industrial o la irrupción de las tecnologías de la información y las telecomunicaciones.

La conferencia estuvo estructurada en los siguientes temas:

Se ha pretendido introducir al público en general en el mundo de lo nano y exponer una selección de las aplicaciones más sorprendentes.

Introducción

El ponente comenzó indicando que el mundo a la escala de los nanometros (nm) y el prefijo “nano” está extendiéndose por todas las ciencias (p.e nano-óptica, …) y la tecnología (p.e nano-ingeniería, …) que han encontrado en la nanociencia y la nanotecnología un terreno inesperado y virgen para obtener conocimiento y aplicaciones revolucionarias en muchos campos.

Se considera desde el punto de vista histórico que la nanociencia comenzó hace casi 50 años en una conferencia del gran físico estadounidense Richard Feynman (1959) titulada “There’s plenty of room at the bottom“.

La nanociencia

La nanociencia estudia los principios fundamentales que rigen en las moléculas y las estructuras que se forman a partir de los átomos a una escala entre 1nm a 100 nm. Por otro lado la nanotecnología busca aplicar esos principios para construir instrumentos útiles para el ser humano: El ponente mencionó como ejemplo más exótico los nanorobots para aplicaciones médicas. El ponente indicó que cuando se domine la manipulación de átomos y podamos construir (ensamblar) todo tipo de nanoestructuras con propiedades sorprendentes se producirá una nueva revolución industrial.

En una de las transparencias de la ponencia se mostró una gráfica histórica del tamaño de la cosas más pequeñas que se han podido construir, desde un balón de fútbol (22 cm) hasta una pequeña bola de fulereno (1 nm) (Buckminsterfullerene) que se parece asombrosamente al balón de fútbol pero millones de veces más pequeña.

En 1 nm hay unos 10 átomos. Las técnicas litográficas para la construcción de circuitos integrados ha alcanzado resoluciones entorno a los 10 nm (en producción están en torno a los 45 nm)

Historia de la nanociencia

Con ayuda de una página web de la Universidad de Northwestern, The History of Nano, que tiene una presentación multimedia muy sofisticada con todos los hitos de la nanociencia a lo largo de la historia y sus aplicaciones (i.e environment, security, medicine, energy), pudimos ver una serie de hechos relacionados con la nanotecnología que se remontan mucho tiempo atrás en el tiempo, lo cual es algo realmente sorprendente si consideramos la nanociencia y la nanotecnología como un fenómeno muy reciente en la historia de la humanidad.

Fue realmente sorprendente comprobar como en épocas remotas los seres humanos se dieron cuenta que introduciendo impurezas metálicas (lo que hoy en día llamamos nanopartículas metálicas) en el cristal se podían tener efectos de color (se mostró un jarrón que dependiendo de que la luz fuera externa o interna cambiaba de color) lo cual aprovecharon para hacer cosas como las cristaleras de las catedrales.

Un ejemplo actual y sorprendente visualmente de las aplicaciones de la nanotecnología es la nanolitografía, con aplicaciones evidentes en la electrónica, entre otros muchos campos. Se trata de dominar la técnica de colocar los átomos sobre una superficie de forma precisa, llegando a escribir textos y dibujar figuras manipulando átomos y moléculas.

NOTA: ciencia detrás de la nanociencia? … átomos, iones, moléculas, nanopartículas de metales como oro y plata, metamateriales (con propiedades eléctricas, magnéticas, dieléctricas, … a la carta), reconocimiento molecular (que permite explicar cómo funcionan los sentidos), …

Metales

Los electrones libres que dejan los enlaces atómicos de los metales son los que dan todas las propiedades a los metales, desde su conductividad al brillo que desprenden. Un plasmón es el nombre que se da al movimiento colectivo de electrones libres en los metales. Es un concepto básico de nanotecnología de los metales. Los movimientos de los plasmones pueden ser localizados (en volumen) o superficiales.

Las nanopartículas metálicas de oro y plata insertadas en vidrio que se comentan al principio de la conferencia provocan los plasmones localizados en volumen y explican los efectos de estas impurezas en vidrios que se utilizaban desde épocas remotas. Actualmente el oro se utiliza más que la plata porque es un metal que no se oxida y además es biocompatible, lo que le hace ideal para aplicaciones en medicina.

En este punto el ponente dio un repaso a aplicaciones de las nanopartículas metálicas en las que España tiene presencia a través de iniciativas empresariales como NanoGap:

En cuanto a los plasmones superficiales, no se quedan atrás las aplicaciones, los nanohuecos (pequeños agujeros) permiten fabricar amplificadores de la luz y una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos. Si se hacen patrones de nanohuecos periódicos entonces sirven como nuevos filtros de color para cámaras digitales en sustitución de los actuales.

Otras aplicaciones

Se hablaron muy por encima de otras aplicaciones y solo he tomado notas telegráficas:

  • Quantum Dots: Base de la computación cuántica con luz, clave para construir los transistores más pequeños y nuevos leds
  • Fullerenos: (Bucky Balls, los balones de fútbol nanoscópicos de los que hablamos el principio): aplicaciones a los superconductores (?)
  • Nanotubos: alta conductividad eléctrica y térmica, rigidez, resistencia … ¿almacenamiento de energía?, cuerpos negros perfectos (?)
  • Metamateriales: la lente perfecta, la superresolución (superando el límite de difracción)

NOTA: Hay dos papers de nature que hablan sobre el asunto … (??)

Instrumentos y técnicas nanométricas

Finalmente se trataron en la conferencia los instrumentos que los científicos se están construyendo para poder manejar y visualizar los átomos en el nm y las técnicas utilizadas.

Instrumentación para manejar nanoestructuras

En esta sección se habló de las diversas tecnologías de microscopios, empezando por la del efecto tunel, pero estaba ya muy cansado y apensa tomé notas:

Cómo hacer naoestructuras

NOTA: Construir sistemas artificiales sintéticos o biológicos sintéticos (?)

  • top-down (STM – IBM con átomos, el ábaco)
  • bottom-up (autoensamblaje de DNA)
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