Definición de la Nanociencia

Definición de la Nanociencia
¿Qué es la nanociencia? La palabra nanociencia es una compuesta de dos palabras: la
palabra en latín "Nanus" que quiere decir enano, y la palabra Ciencia.
Nano se utiliza para describir una billonísima parte de algo. Por ejemplo, un nanometro,
que se mide sobre la escala de diámetros atómicos. Un pelo humano tiene un grosor de
unos 100.000 nanometros.
La nanociencia es el estudio de átomos, moléculas y objetos cuyo tamaño se mide sobre la
escala nanométrica (1-100 nanometros).
La nanociencia es distinta a las otras ciencias porque aquellas propiedades que no se
pueden ver a escala macroscopica adquieren importancia, como por ejemplo propiedades de
mecánica cuántica y termodinámicas. En vez de estudiar materiales en su conjunto, los
científicos investigan con átomos y moléculas individuales. Al aprender más sobre las
propiedades de una molécula, es posible unirlas de forma muy bien definida para crear
nuevos materiales con nuevas e increíbles características.
¿Qué es la nanotecnología? Nanotecnología es una palabra que tiende a intimidarnos. Pero
si miramos a nuestro alrededor, la nanotecnología está en todas partes. La mayoría de
reacciones biológicas y químicas tienen lugar a nivel nano. Así funciona la naturaleza.
Un nanometro es muy muy pequeño. Es la billonissima parte de un metro. Un nanometro es
para un metro lo mismo que un balón con un radio de unos 15 centímetros es para 155000
kilómetros. Si hiciesemos una fila de todos estos balones, darían la vuelta a la tierra 4
veces.
No podemos ver nanomateriales porque son demasiado pequeños. Para verlos, nos hacen
falta herramientas sofisticadas como microscópios electrónicos y atómicos. Para ver un
pelo o una mosca, solo necesitamos nuestros ojos. Para ver bacteria, nos hace falta un
microscopio. Para ver virus y transistores nos hace falta un microscopio electrónico. Y para
ver nanomateriales necesitamos microscopios atómicos (los llamados "atomic probe").
¿Por qué es importante la Nanociencia?
Existen varios motivos por los que se considera la nanociencia como uno de los desarrollos
científicos actuales más importantes. Primero la disponibilidad de nuevos instrumentos que
permiten "ver" y "tocar" las cosas a nano escala. En los años 80 se inventó el primero
microscopio de efecto túnel, capaz de "ver" átomos.
Unos años después se inventó el primer microscopio de fuerza atómica que mejoró aun más
la capacidad microscópica así como los tipos de materiales que se podrían investigar hasta
llegar a la escala de nanometros. También se ha mejorado la capacidad de microscopios
electrónicos que hoy en día pueden mostrar imágenes captados desde el ámbito nano.
Además de estas nuevas tecnologías, los científicos se han dado cuenta del potencial futuro
de este tipo de investigación. La nanociencia podría en efecto transformar la forma en la
que viviemos.
Los líderes políticos de países desarrollados en todo el mundo han empezado a invertir en
la nanociencia y nanotecnología. Con el aumento en las inversiones, el paso al que se
logran nuevos descubrimientos también aumenta tanto en nuevos institutos universitarios
dedicados a la nanociencia, como en laboratorios y empresas del sector privado.
¿Por qué es importante la nanotecnología?
La nanotecnología es tan importante porque podría tener el potencial para resolver muchos
de los problemas de la humanidad.
Si se desarrolla de forma responsable, la nanotecnología podría resolver problemas en los
países más pobres del mundo tan importantes como enfermedades, hambre, falta de agua
potable y falta de casas. Si se desarrolla de forma no responsable, la nanotecnología podría
ser algo muy peligroso, permitiendo la fabricación de armas muy pequeñas con una fuerza
de destrucción inimaginables. Algunos expertos creen que su impacto sobre nuestra vida
será tan importante como en su día fue el impacto de la medicina o el impacto de los
ordenadores.
Con ayuda de la nanotecnología, en el futuro se podrán lograr los siguientes beneficios:

Fabricar nuevos materiales como ropa que cambia de color, nuevos adhesivos,
nuevos materiales para la construcción que se autolimpian, robots con capacidad de
"ver" y "sentir"....

Nuevos tecnologías de la información, tales como la computación cuántica y
microchips capaces de almacenar trillones de bytes de información en un aparato
tan pequeño como la punta de un alfiler

Avances médicos, incluyendo la administración de medicinas y la detección y
tratamiento de enfermedades como el cáncer. Con la nanotecnología se podrá
construir pequeños "naves sanguíneas" que transportan medicinas directamente all
tumor de un cáncer para destrozarlo

Beneficios para el medioambiente como la purificación de agua, sistemas para
controlar la contaminación, nuevas fuentes de energía sostenible y limpia etc.
¿Qué es un nanotubo de carbón? Harry Kroto, Bob Curl, and Rick Smalley discubrieron
esferas de carbón puro en 1985. Las llamaron "Buckyballs" (pelotas de Bucky) en honor a
Buckminster Fuller. Ver esta definición de Buckyballs.
En 1991 Sumio Iijima discubrió nanotubos de carbón cuando estaba realizando
investigaciones con Buckyballs.
Desde entonces se ha investigado mucho para comprender la ciencia detrás de estos
nanotubos que solo miden un nanometro en diámetro.
Los nanotubos de carbón 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.
Definición de un nanotubo
Los nanotubos de carbono de otros elementos representan probablemente hasta el
momento el más importante producto derivado de la investigación en fullerenes (los
científicos hispanos no se ponen de acuerdo sobre la traducción de la palabra fullerene - en
distintos trabajos se pueden encontrar la palabra original, o fullerenos o
fulerenos...Nosotros utilizaremos siempre la original utilizado en los círculos de
investigadores, para así evitar confusión). Los nanotubos llevaron a los científicos y
premios Nobel Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley a descubrir el buckyball C60.
Los nanotubos se componen de una o varias láminas de grafito u otro material enrolladas
sobre sí mismas. Algunos nanotubos están cerrados por media esfera de fullerene, y otros
no están cerrados. Existen nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos
metidos uno dentro de otro, al estilo de las famosas muñecas rusas). Los nanotubos de una
sola capa se llaman single wall nanotubes (SWNTS) y los de varias capas, multiple wall
nanotubes (MWNT)
Los nanotubos tienen un diámetro de unos nanometros y, sin embargo, su longitud puede
ser de hasta un milímetro, por lo que dispone de una relación longitud:anchura
tremendamente alta y hasta ahora sin precedentes.
La investigación sobre nanotubos de carbono es tan apasionante (por sus múltiples
aplicaciones y posibilidades) como complejo (por la variedad de sus propiedades
electrónicas, termales y estructurales que cambian según el diámetro, la longitud, la forma
de enrollar...).
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
El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados
en forma de panel. Estas capas tipo-panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de
grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se
adhiere de forma débil a las capas al lado, Por esto se utiliza en lápices - porque mientras se
escribe, se caen pequeñas escamas de grafito.
En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en
lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas
fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones,
raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc.
Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía,
enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un
nanotubo de carbono.
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.
Transistores de nanotubos
AyerInfineon Technologies anunció que ha logrado desarrollar el transistor de nanotubo
más pequeño del mundo. El transistor en cuestión mide solo 18 nanometros - cuatro veces
menos que los transistores de nanotubos actualmente en el mercado.
Imágen del carbon nanotube
Para lograr este nuevo avance en nanotecnología, los científicos cultivaron en un proceso
controlado nanotubos de carbón con un diámetro cada uno de 0,7 a 1,1 nanometros. Un
pelo humano es 100.000 veces más grueso que estos nanotubos.
Las propiedades características de los nanotubos de carbón hacen que sea el material ideal
para muchas aplicaciones microelectrónicas. Los nanotubos llevan corriente eléctrica
prácticamente sin fricción sobre la superficie gracias al transporte balístico de electrones,
por lo que pueden llevar 1000 veces más que cable de cobre. Además pueden ser
conductores o semiconductores.
Ifineon fue una de las pioneras del desarrollo de nanotubos de carbón y fue una de las
primeras en demostrar cómo se cultivan nanotubos de carbón en puntos definidos con
precisión y cómo se pueden construir transistores para cambiar corrientes más grandes.
El transistor de nanotubo que acaba de inventar los investigadores de Ifineon es capaz de
trasladar corrientes en exceso de 15 µAa un voltaje de solo 0.4 V (lo normal es 0,7 V). Se
ha observado una densidad superior en unas 10 veces a la de silicona.
Sobre la base de pruebas en el laboratorio, los investigadores de Infineon creen que podrán
seguir reduciendo el tamaño de transistores. Según su nota de prensa, con la aplicación de
nanotubos de carbón se podrán lograr voltajes de suministro tan bajo como 0,35V.
Transistor de lámina flexible e imprimible de alta
velocidad
Según un artículo publicado este mes en physorg.com, científicos de la Universidad de
Massachusetts Lowell y Brewer Science, Inc. han utilizado nanotubos de carbono como
base para el desarrollo de transistores de lámina delgada de alta velocidad impresos en
láminas de plástico flexibles. Su método puede permitir la impresión de circuitos
electrónicos de gran superficie en casi cualquier sustrato flexible a un bajo coste y en
cantidades industriales.
Entre las aplicaciones de esta electrónica flexible se encuentran el papel electrónico, las
etiquetas de identificación por radiofreciencia (RFID) para realizar seguimientos de bienes
y personas, y las “pieles inteligentes”, materiales y recubrimientos que gracias a una serie
de circuitos electrónicos pueden indicar cambios en la temperatura o la presión en aviones u
otros aparatos.
Los circuitos impresos en plástico no son algo nuevo. Numerosos investigadores han
creado este tipo de circuitos a temperatura ambiente utilizando varios polímeros
semiconductores, y muchos grupos de investigación de todo el planeta continúan trabajando
para perfeccionar el proceso y el producto. No obstante, el problema de estos polímeros es
que los electrones viajan demasiado despacio a través de ellos, lo cual limita la velocidad
de los dispositivos a apenas unos kHz, señala el profesor de la UMass Lowell, Xuejun Lu.
Esto es muy poco, teniendo en cuenta que los ordenadores modernos, por ejemplo,
desarrollan velocidades de hasta más de un gigahertzio.
Los investigadores estudiaron el uso de nanotubos de carbono como medio para obtener
transistores de alta velocidad, logrando unos resultados muy prometedores. Sin embargo,
uno de los métodos para depositar los nanotubos sobre el plástico que consiste en
“cultivarlos” con calor, requiere unas temperaturas muy elevadas, de unos 900°C, lo cual
supone un gran obstáculo para la fabricación de dispositivos electrónicos.
Por otra parte, los transistores hechos de nanotubos de carbono individuales o láminas de
nanotubos de carbono de baja densidad pueden transportar tan solo una pequeña cantidad
de corriente, mientras que las láminas de alta densidad (de más de 1.000 nanotubos por
micrómetro cuadrado) son mejores, pero la mayoría no disponen de la calidad suficiente, al
contener “hollín” que recubre las paredes de los nanotubos y ralentiza el flujo de transporte.
Para resolver estos problemas, Brewer Science, Inc. desarrolló una disolución de nanotubos
de carbono de calidad electrónica. Los investigadores depositaron una diminuta gota de
dicha disolución sobre una l´mina transparente de plástico a temperatura ambiente
utilizando una jeringa, un método similar al de la impresión por inyección de tinta.
“Nuestras disoluciones de calidad electrónica contienen nanotubos de carbono ultrapuros
sin utilizar ningún surfactante y la movilidad de transporte de nuestro transistor impreso es
mucho más elevada que la de dispositivos similares desarrollados por otros grupos: exhibe
una velocidad de 312 megahertzios y puede transportar una corriente elevada”, señala el
Dr. Xuliang Han, ingeniero de investigación senior de Brewer Science.