) — Este término actualmente no tiene una definición única y universalmente aceptada. Por el término "nanotecnología" RUSNANO entiende un conjunto de métodos y técnicas tecnológicas utilizadas en el estudio, diseño y producción de materiales, dispositivos y sistemas, incluido el control y la gestión específicos de la estructura, la composición química y la interacción de sus elementos individuales a nanoescala (con dimensiones del orden de 100 nm o menos según al menos una de las mediciones), que conducen a una mejora o a la aparición de características y propiedades operativas y/o de consumo adicionales de los productos resultantes.
Descripción
El término "nanotecnología" fue utilizado por primera vez por el profesor en su informe "Sobre el concepto básico de nanotecnología" en una conferencia internacional celebrada en Tokio en 1974. Inicialmente, el término "nanotecnología" se utilizó en un sentido estricto y significaba un conjunto de procesos. que proporcionan procesamiento de alta precisión utilizando haces de electrones, fotones e iones de alta energía, deposición de películas y ultradelgados. Actualmente, el término “nanotecnología” se utiliza en un sentido amplio, abarcando y combinando procesos, técnicas y sistemas tecnológicos de máquinas y mecanismos diseñados para realizar operaciones ultraprecisas en una escala de varios nanómetros.
Los objetos de la nanotecnología pueden ser tanto objetos directamente de pequeñas dimensiones con dimensiones características del nanorango en al menos una dimensión (nanopelículas) como objetos macroscópicos (materiales a granel, elementos individuales de dispositivos y sistemas), cuya estructura se crea y modifica de forma controlada. con resolución a nivel de nanoelementos individuales. Se considera que los dispositivos o sistemas están fabricados mediante nanotecnología si al menos uno de sus componentes principales es un objeto de nanotecnología, es decir, existe al menos una etapa del proceso tecnológico cuyo resultado es un objeto de nanotecnología.
Autores
- Goldt Iliá Valerievich
- Gusev Alexander Ivanovich
Fuentes
- Gusev a.i. Nanomateriales, nanoestructuras, nanotecnologías. - M.: Fizmatlit, 2007. - 416 p.
- Gusev A. I., Rempel A. A. Materiales nanocristalinos. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 351 p.
1. Definiciones y terminología
2. Nanotecnología: historia de origen y desarrollo.
3. Fundamentos
Microscopía de sonda de barrido
Nanomateriales
Nanopartículas
Autoorganización de nanopartículas.
El problema de la formación de aglomerados.
Micro y nanocápsulas
Sensores y analizadores de nanotecnología.
4. Aplicaciones nanotecnología
Medicina y biología
En la industria automotriz
Agricultura
Ecología
Exploración espacial
Cibernética
5. Actitud de la sociedad hacia la nanotecnología
Nanotecnología es un campo interdisciplinario de ciencia y tecnología fundamentales y aplicadas, que se ocupa de un conjunto de justificaciones teóricas, métodos prácticos de investigación, análisis y síntesis, así como métodos para la producción y uso de productos con una estructura atómica determinada mediante la manipulación controlada de átomos y moléculas individuales.
Nanotecnología es una tecnología para estudiar objetos a escala nanométrica y trabajar con objetos del orden de un nanómetro (una millonésima de milímetro), que es comparable al tamaño de moléculas y átomos individuales.
Definiciones y terminología
En el Comité Técnico ISO/TC 229, nanotecnología significa lo siguiente:
conocimiento y control de procesos, típicamente en la escala de 1 nm, pero sin excluir la escala inferior a 100 nm, en una o más dimensiones, donde la introducción de un efecto de tamaño (fenómeno) conduce a la posibilidad de nuevas aplicaciones;
el uso de propiedades de objetos y materiales a escala nanométrica, que difieren de las propiedades de átomos o moléculas libres, así como de las propiedades generales de una sustancia formada por estos átomos o moléculas, para crear materiales, dispositivos y sistemas más avanzados. que realizan estas propiedades.
Según el “Concepto de desarrollo en Rusia obras en el campo de la nanotecnología hasta 2010” (2004), la nanotecnología se define como un conjunto de métodos y técnicas que brindan la capacidad de crear y modificar objetos de manera controlada, incluidos componentes con dimensiones inferiores a 100 nm, al menos en una dimensión. , y como resultado de esto, obtener cualidades fundamentalmente nuevas que permitan su integración en sistemas en pleno funcionamiento a mayor escala.
El aspecto práctico de la nanotecnología implica la producción de dispositivos y sus componentes necesarios para crear, procesar y manipular átomos, moléculas y nanopartículas. Se entiende que un objeto no tiene necesariamente que tener al menos un tamaño lineal inferior a 100 nm; pueden ser macroobjetos cuya estructura atómica se controla de forma controlada con resolución al nivel de átomos individuales, o pueden contener nanoobjetos. En un sentido más amplio, este término también abarca los métodos de diagnóstico, caracterización e investigación de dichos objetos.
Las nanotecnologías son cualitativamente diferentes de las disciplinas tradicionales, ya que en tales escalas las tecnologías macroscópicas habituales para manipular la materia a menudo son inaplicables, y los fenómenos microscópicos, insignificantemente débiles en escalas convencionales, se vuelven mucho más significativos: las propiedades e interacciones de átomos y moléculas individuales o agregados. de moléculas (por ejemplo, fuerzas de Van -der Waals), efectos cuánticos.
La nanotecnología y especialmente la tecnología molecular son disciplinas nuevas y muy poco exploradas. Los grandes descubrimientos previstos en esta zona aún no se han realizado. Sin embargo, las investigaciones en curso ya están dando resultados prácticos. El uso de logros científicos avanzados en nanotecnología nos permite clasificarla como alta tecnología.
El desarrollo de la electrónica moderna avanza por el camino de la reducción del tamaño de los dispositivos. Por otro lado, los métodos de producción clásicos se acercan a su barrera económica y tecnológica natural, cuando el tamaño del dispositivo no disminuye mucho, pero los económicos aumentan exponencialmente. La nanotecnología es el siguiente paso lógico en el desarrollo de la electrónica y otras industrias de alta tecnología.
La nanotecnología es una continuación lógica y un desarrollo de la microtecnología.
Microtecnología, una combinación de ciencia que estudia microobjetos y tecnología. trabajar con objetos del orden de un micrómetro (una milésima de milímetro), se convirtió en la base para la creación de la microelectrónica moderna. Teléfonos móviles, computadoras, Internet, una variedad de productos electrónicos domésticos, industriales y de consumo, todo esto ha cambiado tanto al mundo como a las personas hasta quedar irreconocibles.
La nanotecnología cambiará el mundo igualmente. La nanotecnología requiere una gran potencia informática para simular el comportamiento de los átomos y dispositivos eléctricos y mecánicos de alta precisión para organizar los átomos y moléculas de diferentes materiales de nuevas maneras. De esta manera se crea nueva materia. Por primera vez en la historia de la civilización se están creando materiales con nuevas propiedades que la gente necesita. Enumeremos sólo algunos de ellos. Se trata de un material transparente y flexible con la ligereza del plástico y la dureza del acero, un revestimiento de plástico flexible que es una batería solar, un material para el electrodo de una batería eléctrica, que es decenas y cientos de veces más resistente que uno normal. .
Incluso a nivel moderno, la nanotecnología permite obtener pantallas de plástico flexible con el grosor de una hoja de papel y el brillo de un monitor moderno, electrónica compacta basada en compuestos de carbono, con dimensiones e intensidad energética cientos de veces menores que las modernas. La nanotecnología también significa materiales estructurales y de construcción livianos y flexibles, filtros altamente eficientes para el aire y el agua, medicamentos y cosméticos que actúan a un nivel más profundo, una rápida reducción del costo de los vuelos espaciales y mucho, mucho más.
Hasta ahora, todos los materiales nanotecnológicos son muy caros. Pero, como ocurre con la industria informática, la producción en masa conducirá a compromisos dramáticos en los precios. En la lucha invisible por las ganancias y la influencia que dará la nanotecnología, los principales especuladores son Estados Unidos, y Rusia. Israel, los países europeos y países América Latina está aumentando rápidamente su potencial en esta área.
Lamentablemente, a pesar de la presencia de una buena base científica y un gran capital privado, los avances científicos y los productos aplicados de Ucrania están poco representados en el mundo.
Los programas científicos nacionales de nanotecnología son de particular importancia para los avances nanotecnológicos. Más de 50 desarrollados países anunció el lanzamiento de sus propios programas de nanotecnología.
Nanotecnología: historia de origen y desarrollo.
Muchas fuentes, principalmente en inglés, asocian la primera mención de métodos que luego se llamarían nanotecnología con el famoso discurso de Richard Feynman "Hay mucho espacio en el fondo", pronunciado por él en 1959 en el Instituto de Tecnología de California en la reunión anual. de la Sociedad Americana de Física.
Richard Feynman sugirió que podría ser posible mover mecánicamente átomos individuales usando un manipulador del tamaño apropiado, al menos de este tamaño. proceso no contradeciría las leyes físicas actualmente conocidas.
Sugirió hacer este manipulador de la siguiente manera. Es necesario construir un mecanismo que cree una copia de sí mismo, sólo que un orden de magnitud más pequeño. El mecanismo más pequeño creado debe volver a crear una copia de sí mismo, nuevamente un orden de magnitud más pequeño, y así sucesivamente hasta que las dimensiones del mecanismo sean proporcionales a las dimensiones del orden de un átomo. En este caso, será necesario realizar cambios en la estructura de este mecanismo, ya que las fuerzas gravitacionales que actúan en el macrocosmos tendrán cada vez menos influencia, y las fuerzas de las interacciones intermoleculares y las fuerzas de Van der Waals influirán cada vez más en el funcionamiento de el mecanismo. La última etapa: el mecanismo resultante ensamblará su copia a partir de átomos individuales. En principio, el número de copias de este tipo es ilimitado; será posible crear un número arbitrario de máquinas de este tipo en poco tiempo. Estas máquinas podrán ensamblar macrocosas de la misma manera, mediante ensamblaje atómico. Esto hará que las cosas sean mucho más baratas: estos robots (nanorobots) necesitarán recibir sólo la cantidad requerida de moléculas y energía, y escribir un programa para ensamblar los elementos necesarios. Hasta ahora nadie ha podido refutar esta posibilidad, pero nadie ha logrado crear tales mecanismos. Así describió R. Feynman a su presunto manipulador:
Estoy pensando en crear un sistema controlado eléctricamente que utilice "robots de servicio" fabricados convencionalmente en forma de copias cuatro veces más pequeñas de las "manos" del operador. Estos micromecanismos podrán realizar fácilmente operaciones a escala reducida. Me refiero a pequeños robots equipados con servomotores y pequeños "brazos" que pueden apretar tornillos y tuercas igualmente pequeños, perforar agujeros muy pequeños, etc. En resumen, podrán hacer todo el trabajo a escala 1:4. Para ello, por supuesto, primero hay que fabricar los mecanismos, herramientas y brazos de manipulación necesarios a un cuarto del tamaño habitual (de hecho, está claro que esto significa reducir todas las superficies de contacto en un factor de 16). En la etapa final, estos dispositivos estarán equipados con servomotores (con una potencia 16 veces menor) y conectados a un sistema de control eléctrico convencional. ¡Después de esto, podrás utilizar brazos manipuladores que son 16 veces más pequeños! El ámbito de aplicación de estos microrobots, así como de las micromáquinas, puede ser bastante amplio, desde operaciones quirúrgicas hasta el transporte y procesamiento de materiales radiactivos. Espero que el principio del programa propuesto, así como los problemas inesperados y las interesantes oportunidades asociadas con él, sean claros. Además, se puede pensar en la posibilidad de una reducción adicional significativa de la escala, lo que, por supuesto, requerirá más cambios y modificaciones en el diseño (por cierto, en un momento determinado, es posible que deba abandonar las "manos" de la forma habitual ), pero permitirá producir dispositivos nuevos y mucho más avanzados del tipo descrito. Nada me impide continuar con esto. proceso y crea tantas máquinas diminutas como quieras, ya que no hay restricciones relacionadas con la ubicación de las máquinas o su consumo de material. Su volumen siempre será mucho menor que el volumen del prototipo. Es fácil calcular que el volumen total de 1 millón de máquinas reducido 4000 veces (y por tanto la masa de materiales utilizados para su fabricación) será menos del 2% del volumen y peso de una máquina convencional de dimensiones normales.
Está claro que esto elimina inmediatamente el problema. costo materiales. En principio, sería posible organizar millones de fábricas en miniatura idénticas, en las que pequeñas máquinas perforarían continuamente agujeros, estamparían piezas, etc. A medida que nos hacemos más pequeños, nos encontraremos constantemente con fenómenos físicos muy inusuales. Todo lo que encuentras en la vida depende de factores a gran escala. Además, existe el problema de la “pegadura” de los materiales bajo la influencia de fuerzas de interacción intermoleculares (las llamadas fuerzas de Van der Waals), lo que puede provocar efectos inusuales a escala macroscópica. Por ejemplo, una tuerca no se separará de un perno una vez desenroscada y, en algunos casos, se "pegará" firmemente a la superficie, etc. Hay varios problemas físicos de este tipo que deben tenerse en cuenta al diseñar y construir mecanismos microscópicos.
Durante el estudio teórico de esta posibilidad surgieron escenarios hipotéticos apocalípticos, que suponen que los nanorobots absorberán toda la biomasa de la Tierra, llevando a cabo su programa de autorreproducción (la llamada “sustancia gris” o “lodo gris”).
Las primeras suposiciones sobre la posibilidad de estudiar objetos a nivel atómico se pueden encontrar en el libro “Opticks” de Isaac Newton, publicado en 1704. En el libro, Newton expresa su esperanza de que algún día los microscopios del futuro puedan explorar los “secretos de los corpúsculos”.
El término “nanotecnología” fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974. Usó este término para describir la producción de artículos comerciales de tamaño del orden de nanómetros. En la década de 1980, Eric K. Drexler utilizó el término, sobre todo en su libro de 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Utilizó este término para referirse a una nueva área de la ciencia que estaba explorando en su tesis doctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Posteriormente publicó los resultados de su investigación en el libro Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. Los cálculos matemáticos desempeñaron un papel importante en su investigación, ya que con su ayuda todavía es posible analizar propiedades hipotéticas y desarrollar dispositivos con dimensiones del orden de nanómetros.
Básicamente, actualmente se está considerando la posibilidad de manipulación mecánica de moléculas y la creación de manipuladores autorreplicantes para estos fines.
Como ya se ha dicho, esto permitirá reducir significativamente el coste de cualquier producto existente y crear otros fundamentalmente nuevos, resolviendo todos los problemas medioambientales existentes. Además, estos manipuladores tienen un enorme potencial médico: son capaces de reparar células humanas dañadas, lo que de hecho conduce a una verdadera inmortalidad técnica de una persona. Por otro lado, la creación de nanomanipuladores puede conducir al escenario del “lodo gris”. También sugieren un posible escenario en el que un determinado grupo de personas obtenga un control total sobre dicho manipulador y lo utilice para afirmar completamente su posición sobre otras personas. Si este escenario se cumple, el resultado será ideal y, aparentemente, será imposible de destruir.
La definición más completa de NT se da en los materiales de la iniciativa nacional de nanotecnología. EE.UU:
NT: investigación científica y desarrollos tecnológicos a nivel atómico, molecular o macromolecular con una escala subnanómetro a lo largo de una o más coordenadas para proporcionar una comprensión fundamental de los fenómenos y propiedades de los materiales en tales dimensiones y para la fabricación y uso de estructuras, dispositivos y Sistemas que tienen nuevas propiedades y funciones debido a su pequeño tamaño.
Al mismo tiempo, el trabajo muestra que las bases del NT se sentaron en la segunda mitad del siglo XIX en relación con el desarrollo de la química coloidal. En 1857, M. Faraday fue el primero en obtener soluciones coloidales estables (soles) de oro de color rojo. En 1861, T. Graham logró coagular soles y convertirlos en geles. También introdujo la división de sustancias según el grado de dispersión de la estructura en coloidal (amorfa) y cristaloide (cristalina).
El estado cristalino o amorfo de una sustancia depende, en primer lugar, de sus propias propiedades y luego de las condiciones en las que se produce la transición al estado sólido.
En 1869, el químico I. Borshchov planteó la hipótesis de que, dependiendo de las condiciones, se podría obtener una sustancia tanto en estado cristalino (tendencia a formar cristales) como coloidal (amorfo). Cambiando adecuadamente las condiciones de transición de una sustancia al estado sólido, es posible obtener sustancias típicamente amorfas (caucho, pegamento, vidrio) en estado cristalino y, a la inversa, obtener sustancias típicamente cristalinas (metales y sal de mesa). en estado amorfo (vítreo).
Dado que en el siglo XIX solo existían microscopios ópticos para observar objetos y medir sus tamaños, que no permitían detectar partículas en soluciones coloidales y granos en sustancias coloidales, sustancias con un grado de dispersión ultraalto, partículas, fibras, granos y películas. de los cuales no pueden detectarse en microscopios ópticos con una resolución de 300 nm cuando se utiliza luz blanca y de 150 nm cuando se utiliza luz ultravioleta.
En 1892, D. Ivanovsky descubrió la primera partícula coloidal biológica, el virus de la enfermedad del mosaico del tabaco, y en 1901, W. Reed aisló el primer virus humano, el virus de la fiebre amarilla. Cabe señalar que los virus tienen tamaños característicos de 40 a 80 nm.
En 1903, R. Zsigmondy y R. Siedentopf inventaron un ultramicroscopio óptico que tenía una resolución de hasta 5 nm y permitía observar partículas coloidales. Un ultramicroscopio se basa en el principio de observación con luz reflejada, por lo que se ven objetos más pequeños que en un microscopio normal. Con la ayuda del ultramicroscopio de R. Zsigmondy se pudo establecer que en soluciones coloidales (soles) oro Las partículas amarillas tienen un tamaño de 20 nm, las rojas de 40 nm y las azules de 100 nm.
En 1904, P. Weymarn estableció: Entre el mundo de las moléculas y las partículas microscópicamente visibles, existe una forma especial de materia con un complejo de nuevas propiedades fisicoquímicas inherentes a ella: un estado ultradisperso o coloidal, que se forma cuando su grado de dispersión es igual a la región de 105-107 cm-1, en la que las películas tienen un espesor, y las fibras y partículas tienen un diámetro en el intervalo de 1,0-100 nm.
La clasificación del estado de una sustancia según el grado de dispersión se da en la Tabla 1. Se puede observar que el estado coloidal es un estado extremadamente altamente disperso o ultradisperso de una sustancia.
Todos los sistemas dispersos son heterogéneos, ya que consisten en una fase continua continua: el medio de dispersión y las partículas trituradas ubicadas en él, la fase dispersa. Un requisito previo para su existencia es la insolubilidad mutua de la fase dispersa y el medio de dispersión.
Los sistemas coloidales a menudo se denominan ultramicroheterogéneos para enfatizar que la separación de fases en ellos no se puede detectar mediante microscopios ópticos. Si las partículas de la fase dispersa tienen el mismo tamaño, los sistemas se denominan monodispersos, y si son diferentes, se denominan sistemas polidispersos.
Las propiedades de sustancias y materiales dependen de su estructura, caracterizada por niveles interconectados que influyen en dichas propiedades.
El primer nivel de estructura se llama cristalino y caracteriza la disposición espacial de átomos, iones y moléculas en la red cristalina de un sólido, que puede verse influenciada por defectos puntuales (vacantes, átomos en intersticios, átomos extraños). Los defectos puntuales son móviles y determinan en gran medida las propiedades eléctricas y de difusión de los materiales, especialmente los semiconductores.
El segundo nivel está asociado con la presencia en un sólido de diversos defectos estructurales lineales y planos (dislocaciones), cuyo número por unidad de volumen aumenta bajo cargas mecánicas, lo que lleva a la aparición de tensiones internas en el material. Al igual que los defectos puntuales, las dislocaciones son móviles y su densidad y capacidad para moverse en un sólido determinan las propiedades mecánicas de los materiales, especialmente rieles.
El tercer nivel de estructura son los defectos volumétricos, como poros y capilares, que pueden crearse en los materiales durante su formación o uso. Están asociados a la ausencia de determinadas zonas del cuerpo sólido.
Todas las sustancias en estado sólido se pueden dividir en soluciones sólidas monocristalinas, policristalinas, amorfas (o nanocristalinas) y moleculares.
Si la disposición ordenada de las partículas (átomos, moléculas o iones) reflejadas por la celda unitaria se mantiene en todo el volumen del sólido, se forman cristales individuales.
Si el orden de la estructura se conserva en áreas macroscópicas (>100 µm) y microscópicas (>0,1 µm) del sólido (ver Tabla 1), entonces se forman sustancias policristalinas con los llamados cristalitos o granos de cristalitos de tamaños apropiados y espacialmente adecuados. redes cristalinas desorientadas entre sí.
Hasta mediados de la década de 1980, se creía que las sustancias amorfas carecían de una disposición ordenada de sus partículas. Sin embargo, los estudios realizados con microscopios de transmisión de electrones de alta resolución, de barrido de túneles y de fuerza atómica, especialmente en vidrios metálicos, permitieron detectar cristalitos o granos con tamaños en el rango subnanométrico en sustancias amorfas.
Así, las sustancias y materiales amorfos se caracterizan por un grado de fragmentación ultradispersa (coloidal) de los granos de la fase cristalina y pueden denominarse nanocristalinos.
En las soluciones moleculares sólidas, como en las líquidas, habitualmente llamadas soluciones verdaderas o simplemente soluciones, la sustancia distribuida se mezcla uniformemente con las moléculas del medio de dispersión a nivel molecular. Por tanto, las soluciones moleculares sólidas y líquidas que no tienen fases ni interfaces son sistemas homogéneos.
El estado cristalino de una sustancia es siempre más estable que el estado amorfo (nanocristalino), por lo que es posible una transición espontánea del estado amorfo al cristalino, pero no a la inversa. Un ejemplo es la desvitrificación, la cristalización espontánea del vidrio a temperaturas elevadas.
Los sistemas dispersos, incluidos los coloidales, se clasifican según el grado de dispersión, el estado de agregación de la fase dispersa y el medio de dispersión, la intensidad de la interacción entre ellos, la ausencia o formación de estructuras.
La diversidad de los sistemas coloidales se debe a que las fases que los forman pueden estar en cualquiera de los tres estados de agregación; tienen naturaleza inorgánica, orgánica y biológica. Dependiendo del estado de agregación de la fase dispersa y del medio de dispersión, son posibles los siguientes 9 tipos de sistemas dispersos:
Zh1 - G2, Zh1 - Z2, Zh1 - T2,
T1 - G2, T1 - G2, T1 - T2,
G1 - G2, G1 - T2, T1(F1) - T1(F2),
donde G, F y T son los estados gaseoso, líquido y sólido, y los números 1 y 2 se refieren a la fase dispersa y al medio de dispersión, respectivamente. Para el último tipo de sistema disperso, F1 y F2 denotan diferentes fases (modificaciones polimórficas) del estado sólido de una sustancia.
En un medio de dispersión gaseoso sólo se pueden dispersar líquidos y sólidos, ya que todos los gases se disuelven indefinidamente entre sí a presiones no muy altas.
Los sistemas dispersos con un medio de dispersión gaseoso se denominan aerosoles. Las nieblas son aerosoles con una fase líquida dispersa (L1 - G2) y los humos son aerosoles con una fase sólida dispersa (T1 - G2). El ejemplo más simple de aerosol es el humo del tabaco, cuyo tamaño medio de partícula es de 250 nm, mientras que el tamaño de partícula del hollín o la ceniza volcánica puede ser inferior a 100 nm y sus aerosoles pertenecen a sistemas ultrafinos (coloidales).
En un medio de dispersión líquido se pueden dispersar gases, líquidos y sólidos. Las espumas son una dispersión de gas en líquido (G1 - G2). Las emulsiones son sistemas dispersos en los que un líquido se tritura en otro líquido que no lo disuelve (L1 - L2). De mayor importancia para la química y la biología son los sistemas coloidales en los que el medio de dispersión es la fase líquida y la fase dispersa es un sólido (T1 - L2), llamados soluciones coloidales o soles, a menudo liosoles. Si el medio de dispersión es agua, estos soles se denominan hidrosoles, y si son líquidos orgánicos, se denominan organosoles. Las soluciones coloidales son muy importantes, ya que a ellas están asociados muchos procesos que ocurren en los organismos vivos.
En un medio de dispersión sólido se pueden dispersar gases, líquidos y sólidos. Los sistemas (G1 - T2) se denominan espumas sólidas o sistemas capilares dispersos, en los que el gas se encuentra en forma de células cerradas separadas por un medio de dispersión sólido. Las espumas sólidas incluyen espuma de poliestireno, hormigón celular, piedra pómez, escoria, rieles con la inclusión de gases, diversos materiales porosos (carbón activado, gel de sílice, madera), así como membranas y diafragmas, fibras de cristales fotónicos, cuero, papel, tejidos.
El sistema (G1 - T2) incluye una amplia clase de hidratos cristalinos: cristales que contienen moléculas de agua de cristalización. Los hidratos cristalinos típicos son muchos minerales naturales, por ejemplo, yeso CaSO4∙2H2O, carnalita MgCl2∙KCl∙6H2O, alumbre potásico KAl(SO4)2·12H2O.
De gran importancia práctica son los sistemas dispersos de tipo (T1 - T2), que incluyen los materiales de construcción más importantes, compuestos metal-cerámicos, algunas aleaciones, esmaltes, varios minerales, en particular algunas piedras preciosas y semipreciosas, muchas rocas. en el que se liberaban cristales al solidificarse el magma.
Los vidrios coloreados se forman como resultado de la dispersión de nanopartículas metálicas o sus óxidos en vidrio de silicato. Los esmaltes son vidrios de silicato con inclusiones de pigmentos SnO2, TiO2 y ZrO2, que confieren opacidad y color a los esmaltes.
Por tanto, los coloides no se entienden como una clase separada de sustancias, sino como un estado especial de cualquier sustancia, caracterizado, en primer lugar, por ciertos tamaños de partículas. La nanoestructuración de un sólido debe entenderse como la transferencia de una sustancia o material a un estado coloidal (ultradisperso), es decir. la creación en la estructura de fases físicas o químicas de tamaños subnanométricos, que pueden considerarse como nanopartículas peculiares separadas del resto de la estructura por interfaces.
Estas nanopartículas, además de los nanopolvos dispersados mecánicamente, son:
Granos nanocristalinos;
Fases polimórficas de tamaño nanométrico;
Defectos estructurales de tamaño nanométrico (nanobloques);
Nanoestructuras superficiales (hoyos, protuberancias, surcos, paredes);
Nanoestructuras volumétricas (poros y capilares);
Fases químicas de tamaño nanométrico de átomos o moléculas extrañas, formadas en su superficie o en volumen y que tienen forma fibrosa o corpuscular;
Estructuras de tamaño nanométrico formadas como resultado de la deposición física o química de la fase gaseosa o líquida (fulerenos, nanotubos de carbono);
Películas de sustancias nanométricas formadas en una secuencia periódica;
Macromoléculas, conjuntos polimoleculares, películas moleculares, complejos moleculares del tipo “huésped-huésped” (la presencia de una distribución de tamaños es una característica que distingue las nanopartículas de las macromoléculas); Estructuras biológicas nanoestructuradas y nanoestructuradas (virus, proteínas, genes, proteínas, cromosomas, moléculas de ADN y ARN).
El estado coloidal de una sustancia es una forma cualitativamente especial de su existencia con un complejo de propiedades fisicoquímicas inherentes. Por esta razón, el campo de las ciencias naturales que estudia las leyes físicas y químicas objetivas del estado heterogéneo ultradisperso de la materia, los compuestos de alto peso molecular ( polímeros, compuestos complejos y conjuntos moleculares) y superficies de interfase, formaron a principios del siglo XX una disciplina independiente: la química coloidal.
El rápido desarrollo de la química coloidal se debe a la gran importancia de los fenómenos y procesos que estudia esta ciencia en diversas áreas de la práctica humana. Áreas aparentemente completamente diferentes como los procesos vitales en los organismos, la formación de muchos minerales, la estructura y productividad de los suelos están estrechamente relacionados con el estado coloidal de la materia. La química coloidal es también la base científica de los índices de producción industrial de muchos materiales.
Con el desarrollo de medios técnicos para la formación y manipulación de nanoobjetos, así como de métodos para su estudio, comenzaron a surgir disciplinas más especializadas en la química coloidal, como la química. polímeros y química física de superficies (finales de la década de 1950), química supramolecular (finales de la década de 1970).
El estudio y estudio de estructuras biológicas nanoestructuradas y nanoestructuradas (proteínas, genes, cromosomas, proteínas, aminoácidos, ADN, ARN), que son objeto de la biología de sistemas ultradispersos, llevaron a la creación de la virología en los años 30-50. biología molecular y en el último cuarto del siglo XX genética e inmunoquímica.
Si las dimensiones de un material en al menos una dimensión son menores que las longitudes críticas que caracterizan muchos fenómenos físicos, dicho material adquiere nuevas propiedades físicas y químicas únicas de naturaleza mecánica cuántica, que son estudiadas y utilizadas para crear nuevos dispositivos por parte de la Física de estructuras de baja dimensión, que es el área de desarrollo más dinámico de los cuerpos modernos de física de estado sólido.
El resultado de los estudios de sistemas de baja dimensión (pozos cuánticos, cables y puntos) fue el descubrimiento de fenómenos fundamentalmente nuevos: el efecto Hall cuántico entero y fraccionario en un gas de electrones bidimensional, la cristalización de Wigner de electrones cuasi bidimensionales y agujeros, el descubrimiento de nuevas cuasipartículas compuestas y excitaciones electrónicas con cargas fraccionarias.
El campo de la química coloidal, que estudia los procesos de deformación, destrucción y formación de materiales y estructuras dispersas, ha evolucionado hacia la mecánica física y química de sólidos y estructuras ultradispersas. Se formó a mediados del siglo XX gracias al trabajo del académico P. Rebinder y su escuela como nuevos conocimientos, química coloidal límite, física molecular de sólidos, mecánica de materiales y su tecnología de producción.
La principal tarea de la mecánica física y química es la creación de materiales estructurales con propiedades específicas y una estructura óptima para los fines de su aplicación.
Otra industria que estudia y crea elementos, estructuras y dispositivos en el rango subnanométrico es la microelectrónica, en la que se puede distinguir la nanoelectrónica (desarrollo y producción de circuitos integrados con elementos de tamaño subnanométrico - nanocircuitos integrados (INS), electrónica molecular, electrónica funcional de materiales nanoestructurados y sistemas nanoelectromecánicos (NEMS).
Resumiendo lo anterior, así como con base en el análisis realizado en el trabajo, podemos formular una definición de NT: la nanotecnología es la producción controlada de sustancias y materiales en forma coloidal (ultradispersa, nanoestructurada con el tamaño de elementos estructurales en el rango de 1.0-100 nm) estado, investigación y medición de sus propiedades y características y su uso en diversos industrias ciencia, tecnología y industria.
Todos los términos asociados con la creación y el estudio del nivel coloidal (nanoestructurado) de la estructura de la materia bajo la marca "nanotecnología" recibieron automáticamente el prefijo "nano", aunque hasta mediados de la década de 1980 se denominaron en consecuencia: mecánica, fotónica, cristalografía. , química, biología y electrónica sistemas ultrafinos o coloidales; y se nombraron los objetos de su investigación: polvos y composites ultrafinos, aerosoles, hidro y organosoles, geles reversibles e irreversibles, cerámicas ultrafinas, etc.
El interés por el estado coloidal de la materia bajo el nombre de “nanotecnología” en los últimos 20 años se debe, en primer lugar, a sus propiedades únicas y, en segundo lugar, al desarrollo y creación de equipos tecnológicos y de control para la obtención y estudio del sub. -Nivel a nanoescala de la estructura de la materia: su física, química y biología.
En lugar de descubrir nuevos materiales y fenómenos a través de la casualidad o la investigación caótica, la transformación controlada de la materia en un estado nanoestructurado (coloidal), llamada concepto de nanotecnología, permite que esto se haga de manera sistemática. En lugar de encontrar nanopartículas y nanoestructuras con buenas propiedades mediante la intuición, el conocimiento de las leyes de formación y estabilización de sistemas ultradispersos abre la posibilidad de su diseño artificial según un sistema específico.
Particularmente interesante fue la adquisición de propiedades completamente nuevas por parte de algunas sustancias conocidas en tamaños nanométricos.
Los sistemas nanoestructurados (coloidales), de acuerdo con su posición intermedia entre el mundo de los átomos y las moléculas y el mundo de los cuerpos microscópicos y macroscópicos, se pueden obtener de dos formas principales: dispersión, es decir. molienda (trituración) de grandes sistemas y condensación, es decir, la formación de nanosistemas a partir de átomos, moléculas, grupos y nanoestructuras.
Los métodos para obtener sistemas nanoestructurados mediante la primera vía se denominan dispersión y la segunda, condensación. Existen métodos mixtos para producir sistemas nanoestructurados, que se denominan dispersión-condensación y condensación-dispersión, respectivamente.
En la nanoelectrónica tradicional, durante la fabricación de nanocircuitos integrados (ANC) utilizando tecnología CMOS clásica, la nanoestructuración controlada de capas funcionales (FL) en obleas de silicio se proporciona mediante patrones litográficos de máscara de proyección (plantillas fotográficas y nanosellos) (máscaras resistivas).
En este caso, se utiliza un enfoque de dispersión estratégica o un enfoque de arriba hacia abajo, es decir. La eliminación local de áreas innecesarias del FS se realiza grabándolas. La precisión de reproducir las dimensiones de los elementos estructurales en el plano horizontal se garantiza mediante máscaras resistivas formadas en procesos de litografía.
En este sentido, enfatizando la dispersión estratégica o el enfoque de arriba hacia abajo utilizado, la nanoelectrónica industrial tradicional se denomina más convenientemente D-nanoelectrónica.
Los métodos de condensación (métodos de síntesis no litográficos), que utilizan un enfoque ascendente para obtener sistemas nanoestructurados, se pueden dividir en dos grupos: tradicionales y nuevos, creados en el marco de los últimos avances en nanotecnología.
Disposiciones fundamentales
Microscopía de sonda de barrido
Uno de los métodos utilizados para estudiar nanoobjetos es la microscopía de sonda de barrido. En el marco de la microscopía de sonda de barrido se implementan técnicas tanto ópticas como no ópticas.
Los estudios de las propiedades de la superficie mediante un microscopio de sonda de barrido (SPM) se llevan a cabo en aire a presión atmosférica, al vacío e incluso en líquido. Diversas técnicas SPM permiten estudiar objetos tanto conductores como no conductores. Además, SPM admite la combinación con otros métodos de investigación, como la microscopía óptica clásica y los métodos espectrales.
Con un microscopio de sonda de barrido (SPM), no solo se pueden ver átomos individuales, sino también influir selectivamente en ellos, en particular, mover los átomos a lo largo de la superficie. Los científicos ya han logrado crear nanoestructuras bidimensionales en la superficie con este método. Por ejemplo, en el centro de investigación de IBM, al mover secuencialmente átomos de xenón en la superficie de un monocristal de níquel, los empleados pudieron diseñar tres letras del logotipo. compañías utilizando 35 átomos de xenón.
Al realizar tales manipulaciones surgen una serie de dificultades técnicas. En particular, es necesario crear condiciones de vacío ultra alto (10-11 torr), es necesario enfriar el sustrato y el microscopio a temperaturas ultrabajas (4-10 K), la superficie del sustrato debe estar atómicamente limpia. y atómicamente suave, para lo cual se utilizan métodos especiales de preparación. El sustrato se enfría para reducir la difusión superficial de los átomos depositados.
Nanomateriales
Los nanomateriales son materiales estructurados en o cerca del nivel de tamaño molecular. La estructura puede ser más o menos regular o aleatoria. Se pueden obtener superficies con una nanoestructura aleatoria mediante procesamiento con haces de partículas, grabado con plasma y algunos otros métodos.
En cuanto a las estructuras regulares, pequeñas áreas de la superficie se pueden estructurar "desde el exterior", por ejemplo, utilizando un microscopio de sonda de barrido (ver más abajo). Sin embargo, áreas bastante grandes (~1 μ2 o más), así como volúmenes de materia, aparentemente sólo pueden estructurarse mediante el método de autoensamblaje de moléculas.
El autoensamblaje está muy extendido en la naturaleza viva. La estructura de todos los tejidos está determinada por su autoensamblaje a partir de células; La estructura de las membranas celulares y los orgánulos está determinada por el autoensamblaje a partir de moléculas individuales.
Se está desarrollando el autoensamblaje de componentes moleculares como una forma de construir estructuras periódicas para fabricar circuitos nanoelectrónicos, y se han logrado avances notables.
En medicina, se pueden utilizar materiales con una superficie nanoestructurada para reemplazar ciertos tejidos. Las células del cuerpo reconocen estos materiales como “propios” y se adhieren a su superficie.
Actualmente se ha avanzado en la producción de nanomateriales que imitan el tejido óseo natural. Así, científicos de la Universidad Northwestern ( EE.UU) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp y otros utilizaron el autoensamblaje tridimensional de fibras de aproximadamente 8 nm de diámetro, imitando las fibras de colágeno naturales, seguido de la mineralización y formación de nanocristales de hidroxiapatita orientados a lo largo de las fibras. Las propias células óseas estaban bien adheridas al material resultante, lo que permite utilizarlo como "pegamento" o "masilla" para el tejido óseo.
También es interesante desarrollar materiales que tengan la propiedad contraria: no permiten que las células se adhieran a la superficie. Una posible aplicación de estos materiales podría ser la fabricación de biorreactores para el cultivo de células madre. El hecho es que, al adherir a la superficie, la célula madre busca diferenciarse, formando ciertas células especializadas. El uso de materiales con estructura superficial a nanoescala para controlar los procesos de proliferación y diferenciación de células madre representa un enorme campo de investigación.
Las membranas de nanoporos se pueden utilizar en microcápsulas para la administración de fármacos y otros fines. Por tanto, pueden utilizarse para filtrar fluidos corporales de sustancias nocivas y virus. Las membranas pueden proteger los nanosensores y otros dispositivos implantables de la albúmina y sustancias de recubrimiento similares.
Nanopartículas
La tendencia moderna hacia la miniaturización ha demostrado que una sustancia puede tener propiedades completamente nuevas si se toma una partícula muy pequeña de ella. Las partículas que varían en tamaño entre 1 y 100 nanómetros se denominan comúnmente "nanopartículas". Por ejemplo, resultó que las nanopartículas de algunos materiales tienen muy buenas propiedades catalíticas y de adsorción. Otros materiales muestran propiedades ópticas asombrosas; por ejemplo, para fabricar células solares se utilizan películas ultrafinas de materiales orgánicos. Estas baterías, aunque tienen una eficiencia cuántica relativamente baja, son más baratas y pueden ser mecánicamente flexibles. Es posible lograr la interacción de nanopartículas artificiales con nanoobjetos naturales: proteínas, ácidos nucleicos, etc. Las nanopartículas cuidadosamente purificadas pueden autoensamblarse en determinadas estructuras. Esta estructura contiene nanopartículas estrictamente ordenadas y, a menudo, también presenta propiedades inusuales.
Los nanoobjetos se dividen en 3 clases principales: partículas tridimensionales obtenidas por explosión de conductores, síntesis de plasma, reducción de películas delgadas, etc.; objetos bidimensionales: películas producidas por deposición molecular, CVD, ALD, deposición de iones, etc.; objetos unidimensionales: bigotes, estos objetos se obtienen mediante el método de estratificación molecular, introduciendo sustancias en microporos cilíndricos, etc. También hay nanocompuestos: materiales obtenidos introduciendo nanopartículas en cualquier matriz. Por el momento, sólo se utiliza ampliamente el método de microlitografía, que permite obtener objetos islas planas con un tamaño de 50 nm en la superficie de las matrices, se utiliza en electrónica; El método CVD y ALD se utiliza principalmente para crear películas de micrones. Otros métodos se utilizan principalmente con fines científicos. Particularmente dignos de mención son los métodos de estratificación iónica y molecular, ya que con su ayuda es posible crear monocapas reales.
Americano organización C-Sixty Inc. Realiza pruebas preclínicas de productos basados en nanoesferas de fullereno C60 con grupos químicos ordenados en su superficie. Estos grupos pueden seleccionarse para unirse a objetivos biológicos preseleccionados. La gama de posibles aplicaciones es extremadamente amplia. Incluye la lucha contra enfermedades virales como la gripe y el VIH, el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas, la osteoporosis y las enfermedades vasculares. Por ejemplo, una nanoesfera puede contener un átomo de un elemento radiactivo en su interior y en su superficie grupos que le permiten unirse a una célula cancerosa.
Se están llevando a cabo avances similares en Federación Rusa. El Instituto de Medicina Experimental (San Petersburgo) utilizó un aducto de fullereno con polivinilpirrolidona (PVP). Este compuesto es muy soluble en agua y las cavidades de su estructura son de tamaño similar a las moléculas de C60. Las cavidades se llenan fácilmente con moléculas de fullereno, lo que da como resultado la formación de un aducto soluble en agua con alta actividad antiviral. Dado que la PVP en sí no tiene efecto antiviral, toda la actividad se atribuye a las moléculas C60 contenidas en el aducto.
En cuanto al fullereno, su dosis eficaz es de aproximadamente 5 μg/ml, cifra claramente inferior a la correspondiente a la rimantadina (25 μg/ml), utilizada tradicionalmente en la lucha contra el virus de la gripe. A diferencia de la rimantadina, que es más eficaz en las primeras etapas período Infección, el aducto C60/PVP tiene un efecto estable durante todo el ciclo de reproducción del virus. Otra característica distintiva del fármaco construido es su eficacia contra los virus de la influenza de tipo A y B, mientras que la rimantadina actúa solo contra el primer tipo.
Las nanoesferas también se pueden utilizar en el diagnóstico, por ejemplo, como agente de contraste de rayos X que se adhiere a la superficie de determinadas células y muestra su ubicación en el cuerpo.
Los dendrímeros son de particular interés. Representan un nuevo tipo de polímeros que tienen una estructura ramificada en lugar de la habitual lineal.
De hecho, el primer compuesto con tal estructura se obtuvo en los años 50, y los principales métodos para su síntesis se desarrollaron principalmente en los años 80. El término "dendrímeros" apareció antes que "nanotecnología" y al principio no estaban asociados entre sí. Sin embargo, últimamente los dendrímeros se mencionan cada vez más en el contexto de sus aplicaciones nanotecnológicas (y nanomedicinas).
Esto se debe a una serie de propiedades especiales que tienen los compuestos dendrímeros. Entre ellos:
Tamaños de macromoléculas predecibles, controlables y reproducibles con gran precisión;
La presencia de canales y poros en macromoléculas que tienen formas y tamaños bien reproducibles;
La capacidad de encapsulación e inmovilización altamente selectiva de sustancias de bajo peso molecular con la formación de construcciones supramoleculares de "huésped-huésped".
Autoorganización de nanopartículas.
Una de las cuestiones más importantes a las que se enfrenta la nanotecnología es cómo obligar a las moléculas a agruparse de una determinada manera, a autoorganizarse, para, en última instancia, obtener nuevos materiales o dispositivos. Este problema lo aborda una rama de la química: la química supramolecular. No estudia moléculas individuales, sino interacciones entre moléculas que pueden organizar las moléculas de cierta manera, creando nuevas sustancias y materiales. Es alentador que en la naturaleza existan sistemas y procesos similares. Por tanto, se conocen biopolímeros que pueden organizarse en estructuras especiales. Un ejemplo son las proteínas, que no solo pueden plegarse en forma globular, sino también formar complejos, estructuras que incluyen varias moléculas de proteínas (proteínas).
Ya existe un método de síntesis que utiliza las propiedades específicas de la molécula de ADN. Se toma ADN complementario, en uno de los extremos se conecta una molécula A o B. Tenemos 2 sustancias: ----A y ----B, donde ---- es una imagen convencional de una sola molécula de ADN. Ahora, si mezclas estas 2 sustancias, se forman enlaces de hidrógeno entre las dos hebras simples de ADN, que atraerán las moléculas A y B entre sí. Representemos aproximadamente la conexión resultante: ====AB. La molécula de ADN se puede eliminar fácilmente una vez completado el proceso.
El problema de la formación de aglomerados.
Las partículas con tamaños del orden de nanómetros, o nanopartículas como se las llama en los círculos científicos, tienen una propiedad que dificulta enormemente su uso. Pueden formar aglomerados, es decir, pegarse unos a otros. Dado que las nanopartículas son prometedoras en industrias producción de cerámica, metalurgia, este problema debe resolverse. Una posible solución es el uso de sustancias dispersantes, como citrato de amonio (solución acuosa), imidazolina, alcohol oleico (insoluble en agua). Se pueden agregar a un medio que contenga nanopartículas. Esto se analiza con más detalle en la fuente "Organic Additives And Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (inglés).
Micro y nanocápsulas
Para entrega Se pueden utilizar cápsulas en miniatura (~1 μ) con nanoporos para administrar medicamentos en el lugar deseado del cuerpo. Ya se están probando microcápsulas similares para entrega y liberación de insulina fisiológicamente regulada en la diabetes tipo 1. El uso de poros con un tamaño de aproximadamente 6 nm permite proteger el contenido de la cápsula de los efectos del sistema inmunológico del cuerpo. Esto hace posible colocar células animales productoras de insulina en cápsulas que de otro modo serían rechazadas por el cuerpo.
Las cápsulas microscópicas de diseño relativamente simple también pueden duplicar y ampliar las capacidades naturales del cuerpo. Un ejemplo de tal concepto es el respirocito propuesto por R. Freitas, un portador artificial de oxígeno y dióxido de carbono, significativamente superior en sus capacidades tanto a los glóbulos rojos como a los sustitutos de la sangre existentes (por ejemplo, a base de emulsiones de fluorocarbono). El posible diseño de un respirocito se discutirá con más detalle a continuación.
Sensores y analizadores de nanotecnología.
El uso de micro y nanotecnología permite aumentar considerablemente la capacidad de detectar y analizar cantidades ultrapequeñas de diversas sustancias. Una de las variantes de este tipo de dispositivos es el “laboratorio en un chip”, es decir, una placa en cuya superficie están dispuestos de forma ordenada los receptores de las sustancias deseadas, por ejemplo los anticuerpos. La transferencia de una sustancia al receptor se detecta eléctricamente o mediante fluorescencia. En una placa se pueden colocar sensores para muchos miles de sustancias.
Un dispositivo de este tipo, capaz de detectar literalmente moléculas individuales, se puede utilizar para determinar la secuencia de bases de ADN o aminoácidos (con fines de identificación, detección de enfermedades genéticas u oncológicas), detección de patógenos de enfermedades infecciosas y sustancias tóxicas.
El dispositivo, de unos pocos milímetros de tamaño, puede colocarse en la superficie de la piel (para analizar sustancias excretadas con el sudor) o en el interior del cuerpo (en la boca, el tracto gastrointestinal, debajo de la piel o en un músculo). Al mismo tiempo, podrá informar sobre el estado del entorno interno del cuerpo y señalar cualquier cambio sospechoso.
En el Instituto de Biología Molecular que lleva el nombre. Engelhardt, de la Academia de Ciencias de Rusia, ha desarrollado un sistema diseñado para la detección rápida de la cepa patógena; Un chip alberga alrededor de cien sensores fluorescentes.
Varios grupos de investigadores están desarrollando una idea interesante a la vez. Su esencia es "pasar" una molécula de ADN (o ARN) a través de un nanoporo en la membrana. El tamaño del poro debe ser tal que el ADN pase a través de él de forma “enderezada”, una base tras otra. Medir el gradiente eléctrico o la corriente de túnel cuántico a través de un poro nos permitiría determinar qué base pasa actualmente a través de él. Un dispositivo basado en este principio permitiría obtener la secuencia completa de ADN en una sola pasada.
Aplicaciones de la nanotecnología
Medicina y biología
Será posible "introducirlo" en un organismo vivo a nivel atómico. Las consecuencias pueden ser muy diferentes: desde la "restauración" de especies extintas hasta la creación de nuevos tipos de seres vivos y biorobots. Creación de robots médicos moleculares que “vivirían” dentro del cuerpo humano, eliminando todos los daños que se produzcan o previniendo su aparición, incluidos los genéticos.
Según científicos de la Universidad de Michigan, llegará el día en que, con la ayuda de la nanotecnología, se podrán incorporar sensores microscópicos en las células sanguíneas humanas para advertir de los primeros signos de amenaza de radiación o del desarrollo de una enfermedad.
En los últimos años, los empleados del Centro de Nanotecnología Biológica, dirigido por el Dr. James Baker, han estado trabajando en la creación de microsensores que se utilizarán para detectar células cancerosas en el cuerpo y combatir esta terrible enfermedad.
Una nueva técnica para reconocer las células cancerosas se basa en la implantación en el cuerpo humano de diminutos reservorios esféricos hechos de polímeros sintéticos llamados dendrímeros (del griego dendron, madera). Estos polímeros se sintetizaron en la última década y tienen una estructura fundamentalmente nueva, no sólida, que se asemeja a la estructura del coral o la madera. Estos polímeros se denominan hiperramificados o en cascada. Aquellos en los que la ramificación es regular se denominan dendrímeros. Cada una de estas esferas, o nanosensor, tiene un diámetro de solo 5 nanómetros, 5 milmillonésimas de metro, lo que permite colocar miles de millones de nanosensores similares en un área pequeña del espacio.
Una vez dentro del cuerpo, estos pequeños sensores penetrarán en los linfocitos, glóbulos blancos que proporcionan la respuesta de defensa del cuerpo contra infecciones y otros factores que causan enfermedades. Durante la respuesta inmune de las células linfoides a una determinada enfermedad o condición ambiental (un resfriado o la exposición a la radiación, por ejemplo), la estructura proteica de la célula cambia. Cada nanosensor, recubierto con reactivos químicos especiales, comenzará a emitir fluorescencia o brillar con tales cambios.
Para ver este brillo, el Dr. Baker y sus colegas van a crear un dispositivo especial que escanea la retina del ojo. El láser de dicho dispositivo debería detectar el brillo de los linfocitos cuando, uno tras otro, pasan a través de los estrechos capilares del fondo de ojo. Si hay suficientes sensores marcados en los linfocitos, será necesario un escaneo de 15 segundos para detectar daño celular, dicen los científicos.
La idea en sí aún se encuentra en fase de investigación, pero ya ha atraído la atención de la dirección de la NASA, que ha destinado 2 millones de dólares para futuras investigaciones. La NASA estaba interesada en la posibilidad de crear los sensores descritos anteriormente que monitorean constantemente el nivel de radiación al que está expuesto un astronauta y la aparición de cualquier signo de enfermedad o infección en su cuerpo.
Baker dijo que su equipo ha estado trabajando en una tecnología similar para detectar células cancerosas, pero la investigación aún está lejos de estar completa. Aún no está claro, por ejemplo, cómo será posible detectar el brillo de los nanosensores en los glóbulos blancos cuando haya una gran cantidad de glóbulos rojos de color más oscuro alrededor. Los investigadores ya han logrado cierto éxito en experimentos de laboratorio con cultivos celulares y planean probar la nueva tecnología en animales este año.
Los científicos del estado de Michigan afirman que con la ayuda de la nanotecnología será posible incorporar sensores microscópicos en las células sanguíneas humanas que advertirán sobre signos de radiación o el desarrollo de enfermedades. Así, en Estados Unidos, por sugerencia de la NASA, se está desarrollando este tipo de nanosensores. James Beiner imagina una “nanolucha” con la radiación cósmica: antes del lanzamiento, un astronauta utiliza una jeringa hipodérmica para inyectar en la cuna un líquido transparente saturado con millones de nanopartículas; durante el vuelo, se inserta un pequeño dispositivo en el oído (como un audífono). ayuda). Durante el vuelo, este dispositivo utilizará un pequeño láser para buscar células brillantes. Esto es posible porque Las células pasan a través de los capilares del tímpano. Las células se transmitirán de forma inalámbrica a la computadora principal de la nave espacial y luego se procesarán. Si pasa algo, se tomarán las medidas necesarias.
Todo esto puede convertirse en realidad en unos 5-10 años. Los científicos llevan más de cinco años utilizando nanopartículas.
Ahora, sensores más delgados que un cabello humano pueden ser 1.000 veces más sensibles que las pruebas de ADN estándar. Los científicos estadounidenses que desarrollaron estos nanosensores creen que los médicos podrán realizar una amplia gama de pruebas diferentes con una sola gota de sangre. Una de las ventajas de este sistema es la capacidad de enviar instantáneamente los resultados del análisis a una computadora de bolsillo. Los investigadores creen que se necesitarán unos cinco años para desarrollar un modelo de nanosensor completamente funcional que los médicos puedan utilizar en su trabajo diario.
Con la ayuda de la nanotecnología, la medicina no sólo podrá tratar cualquier enfermedad, sino también prevenir su aparición y contribuir a la adaptación del hombre al espacio.
Cuando el mecanismo complete su trabajo, los nanomédicos tendrán que eliminar los nanorobots del cuerpo humano. Por tanto, el peligro de que los “nanorobots obsoletos” que quedan en el cuerpo humano no funcionen correctamente es muy pequeño. Será necesario diseñar nanorobots para evitar fallos de funcionamiento y reducir las complicaciones médicas. ¿Cómo se eliminarán los nanorobots del cuerpo? Algunos de ellos serán capaces de autoeliminarse del cuerpo humano a través de canales naturales. Otros estarán diseñados para que los médicos puedan extraerlos. La eliminación dependerá del diseño de un nanorobot determinado.
Se cree que el principal peligro para el paciente será la incompetencia del médico tratante. Pero también pueden ocurrir errores en casos inesperados. Una contingencia podría ser la interacción entre robots cuando chocan. Estas fallas serán difíciles de identificar. Un ejemplo de este caso puede ser el trabajo de dos tipos de nanorobots A y B en el cuerpo humano. Si el nanorobot A elimina las consecuencias del trabajo del robot B, esto conducirá a un trabajo repetido de A, y esto continuará indefinidamente, es decir, los nanorobots corregirán el trabajo de los demás. Para evitar que surjan tales situaciones, el médico tratante debe controlar constantemente el funcionamiento de los nanorobots y, si es necesario, reprogramarlos. Por tanto, la cualificación del médico es un factor muy importante.
Como sabes, nuestro sistema inmunológico reacciona a los cuerpos extraños. Por lo tanto, el tamaño del nanorobot jugará un papel importante, así como la rugosidad de la superficie y la movilidad del dispositivo. Se argumenta que el problema de la biocompatibilidad no es muy difícil. La salida a este problema será la creación de robots basados en materiales diamantoides. Debido a la fuerte energía superficial y la superficie diamantada y su gran suavidad, la capa exterior de los robots será químicamente inerte.
Nanotecnologías utilizadas en medicina recientemente
Las nanotecnologías ya se utilizan en medicina. Las principales áreas de su aplicación son: tecnologías de diagnóstico, dispositivos medicinales, prótesis e implantes.
Un ejemplo sorprendente es el descubrimiento del profesor Aziz. A las personas con enfermedad de Parkinson se les insertan electrodos en el cerebro a través de dos pequeños orificios en el cráneo, que están conectados a un estimulador. Después de aproximadamente una semana, al paciente se le implanta el estimulador en la cavidad abdominal. El paciente puede ajustar él mismo el voltaje mediante un interruptor. El dolor se puede controlar en el 80% de los casos:
Para algunos, el dolor desaparece por completo, para otros cede. Alrededor de cuatro docenas de personas han sido sometidas a estimulación cerebral profunda.
Muchos de los colegas de Aziz dicen que este método no es eficaz y puede tener consecuencias negativas. El profesor está convencido de que el método es eficaz. Ni lo uno ni lo otro han sido probados ahora. Me parece que sólo deberíamos creer a los cuarenta pacientes que fueron liberados de un dolor insoportable. Y querían vivir de nuevo. Y si este método se practica desde hace 8 años y no afecta negativamente la salud de los pacientes, ¿por qué no ampliar su uso?
Otro descubrimiento revolucionario es el biochip, una pequeña placa a la que se han aplicado moléculas de ADN o proteínas en un orden determinado y que se utiliza para análisis bioquímicos. El principio de funcionamiento del biochip es sencillo. Se aplican secuencias específicas de secciones de ADN dividido a una placa de plástico. Durante el análisis, el material que se está probando se coloca en el chip. Si contiene la misma información genética, entonces se aparean. El resultado se puede observar. La ventaja de los biochips es una gran cantidad de pruebas biológicas con ahorros significativos en material de prueba, reactivos, costos de mano de obra y tiempo de análisis.
generología
Lograr la inmortalidad personal de las personas mediante la introducción en el cuerpo de robots moleculares que previenen el envejecimiento celular, además de reestructurar y “ennoblecer” los tejidos del cuerpo humano. Reanimación y curación de aquellas personas irremediablemente enfermas que actualmente estaban congeladas por métodos criónicos. Período de implementación proyectado: tercer - cuarto cuarto del siglo XXI.
Industria
Reemplazar los métodos de producción tradicionales con robots moleculares que ensamblan bienes de consumo directamente a partir de átomos y moléculas. Hasta sintetizadores personales y fotocopiadoras que te permitirán realizar cualquier elemento. Los primeros resultados prácticos podrán obtenerse a principios del siglo XXI.
Grafeno. En octubre de 2004, se creó en la Universidad de Manchester una pequeña cantidad de material llamado grafeno. Robert Freitas sugiere que este material podría servir como sustrato para la creación de dispositivos mecanosintéticos de diamante.
Las comunicaciones por satélite se utilizan ampliamente para televisión, Internet y comunicaciones telefónicas. Los sistemas de posicionamiento espacial son utilizados por aviones, barcos, automóviles y turistas.
La humanidad ya ha salido de su cuna: nuestra vida ya no es concebible sin espacio. Por lo tanto, hoy muchos países están iniciando sus propios programas espaciales y, a principios del siglo XXI, se inició la exploración espacial privada. En 2001, el primer turista espacial, Dennis Tito, entró en órbita. En 2004, como parte del concurso X-Prize, la nave espacial reutilizable SpaceShipOne, creada por desarrolladores independientes, realizó un vuelo suborbital (a una altitud de 112 km). En 2005 se inició la construcción de puertos espaciales privados en Mojave (EE.UU.), Ras Al Khaimah (EAU) y Singapur. Para los próximos años está prevista una enorme expansión del turismo (Virgin Galactic tiene previsto enviar hasta 2013 a 7.000 personas en cruceros espaciales, gracias al precio asequible de 200.000 dólares). El propietario de la mayor cadena de moteles, Robert Bigolow, planea abrir el primer hotel orbital Skywalker en 2010.
Todo esto y mucho más será posible con la llegada de un nuevo camino hacia el espacio, más eficiente incluso que las modernas naves espaciales reutilizables. ¡Se están desarrollando planes para construir un ascensor espacial con la participación de la NASA! Debido a la baja fuerza gravitacional de la Luna, la construcción de un ascensor de este tipo desde los puntos de Lagrange (L-1 o L-2), donde las fuerzas gravitacionales de la Luna, la Tierra y el Sol están equilibradas, hasta la superficie de la Luna ¡Es posible incluso con la ayuda de las tecnologías actuales! Todo lo que se necesita es un cable de fibra M5 ultrarresistente, con un peso total de 7 toneladas, que pueda elevarse al espacio en un solo lanzamiento.
Construir un ascensor de este tipo en la Tierra requeriría materiales más avanzados, pero se espera que los nanotubos de carbono sean lo suficientemente fuertes para este propósito. Las tecnologías necesarias se podrán desarrollar en un plazo de 10 a 15 años. Pero una vez que se construya el ascensor espacial, el coste de poner la carga en órbita bajará a decenas de dólares por kilogramo. Probablemente, inmediatamente después de la aparición del primer ascensor, se construirán otros nuevos a lo largo del ecuador, luego se mejorarán y ya no se verán como varias cintas delgadas, sino como torres caladas con estructuras en niveles intermedios. Tal vez. que después de un tiempo se creará todo un anillo al nivel de la órbita geoestacionaria, una estación espacial orbital gigante, similar a la descrita por A. Clark en Odyssey 3000.
Ahora también se están considerando seriamente los planes (de la NASA) para extraer recursos en la Luna y los asteroides. Un tipo de mineral que puede extraerse económicamente en el espacio es el helio-3. No está presente en la Tierra; en la Luna está presente en abundancia (recogido por la Luna a partir del viento solar durante miles de millones de años). Y al mismo tiempo es un excelente combustible para la energía termonuclear. Al mismo tiempo, para abastecer a todo nuestro planeta con un consumo de energía en la escala de 2005, ¡sólo será necesario entregar a la Tierra 100 toneladas de helio-3 por año!
Independientemente de las perspectivas económicas, la construcción de bases habitables en la Luna y Marte sigue en la agenda. Porcelana está a punto de construir la primera base en la Luna, Rusia y Estados Unidos se dirigen hacia Marte. Las mejoras graduales en la tecnología están haciendo que estos proyectos sean cada vez más viables.
Ahora sobre los motores. Al comienzo de la era espacial, usábamos motores de cohetes. Desde entonces se han propuesto muchas alternativas, pero aún no se han vuelto dominantes. En el futuro, los motores de iones se utilizarán para vuelos dentro del sistema solar. Ya proporcionan una eficiencia inusualmente alta. Se pueden utilizar motores láser para ponerlos en órbita. Cuando se construya el ascensor espacial, sustituirá a los cohetes en esta zona.
Otro ejemplo: en 1958 se desarrolló el proyecto Orión: un proyecto para una nave espacial que despegaba de la superficie de la Tierra mediante explosiones de microbombas nucleares. Pero la prohibición de detonar artefactos nucleares en la atmósfera, que entró en vigor en 1963, puso fin a este proyecto. Actualmente existe un proyecto para una nave espacial de este tipo, Prometheus, que está previsto enviar a Marte.
Además, para volar a las estrellas se pueden utilizar motores atómicos y de fotones, que permiten viajar a velocidades cercanas a la de la luz. Sin embargo, si esto es físicamente posible, entonces la Supermente del futuro seguramente encontrará una manera de sortear la barrera de luz, por ejemplo, mediante el uso de agujeros de gusano, compresión espacial u otros métodos.
Cabe señalar aquí que es poco probable que el simple descubrimiento, estudio o colonización de nuevos mundos siga siendo importante para las supercivilizaciones. Después de todo, la tecnología informática permitirá simular toda la riqueza de capacidades de billones de sistemas estelares en el marco de generadores informáticos de realidad virtual. El primer paso en este camino se dará en los próximos años con el lanzamiento del juego de ordenador Spore. Por tanto, es probable que la actitud de la Supermente hacia las estrellas distantes sea más pragmática.
Antes de usar algo, debes alcanzarlo. Es muy probable que esta tarea sea asumida por las llamadas sondas Von Neumann: naves autómatas inteligentes y autorreplicantes capaces de alcanzar un objetivo, estudiarlo, transmitir información y crear cientos de copias de sí mismas que serán enviadas a nuevos destinos. estrellas. Esta descentralización puede resultar mucho más eficaz que las románticas expediciones estelares del homo sapiens con asistentes robóticos descritas en la ciencia ficción.
El desarrollo de la ciencia espacial sienta las bases experimentales y de investigación para el futuro, probablemente un avance supertecnológico post-singular hacia el espacio cercano y luego hacia el profundo. ¿Pero cuáles son las perspectivas para la vida humana en el espacio? Vemos tres posibilidades radicalmente diferentes: la terraformación, la adaptación humana a las condiciones espaciales y la reestructuración de la materia cósmica en computernio. Mirémoslos todos.
Ya existen proyectos para terraformar Marte. La reconstrucción de la superficie de otros planetas se puede llevar a cabo con la ayuda de microorganismos artificiales o nanorobots que crean una atmósfera, una capa protectora de ozono, suelo, ríos y mares... La superinteligencia puede incluso crear un dispositivo, llamémoslo "Génesis " - capaz de hacer habitable el planeta en unos pocos días o meses.
Sin embargo, otra alternativa es posible: el desarrollo de la autotrofia humana, la autosuficiencia y la independencia del medio ambiente. Los cambios que se pueden lograr con la ayuda de la nanotecnología harán posible la vida humana (tanto en el cuerpo físico como dentro de los sistemas informáticos) en condiciones de vacío y presión ultraalta, radiación y gravedad ultraaltas, temperaturas ultrabajas o ultraaltas, que Está, en casi todas partes, excepto, quizás, en el Sol.
Si una persona abandona nuestras formas habituales de existencia, entonces el escenario más efectivo puede ser el desmantelamiento de los planetas del sistema solar y la reestructuración de toda la materia en computadoras superpoderosas unidas en una sola red. La sustancia hipotética que proporciona la máxima potencia informática por unidad de masa se llama computernio. Si abandonamos la idea de crear un ambiente cómodo para los humanos en el espacio, entonces incluso la existencia dentro del Sol puede ser posible para la Supermente: después de todo, dondequiera que puedan existir estructuras ordenadas, pueden tener lugar los cálculos y, por lo tanto, puede existir la conciencia. Es interesante que cuando se habla de los límites de la potencia informática, los científicos suelen describir bolas de plasma caliente, objetos que se parecen mucho al interior del Sol.
Cualquiera que sea el camino de la exploración espacial, la poshumanidad no abandonará la expansión espacial. Después de todo, la Supermente no es inmanentemente planetaria. Esta división le es ajena, ya que para él no existen restricciones físicas a la vida en el espacio. Y definitivamente se involucrará en una megaconstrucción cósmica, transformando la materia cósmica inerte en materia inteligente.
Quizás suceda así. Después de conquistar los planetas del sistema solar, construiremos una megaestructura que aumentará nuestras capacidades territoriales, por ejemplo, ciudades espaciales gigantes. Dado que esperamos el desarrollo de los más diversos tipos de posthumanos, en esta época algunas de las postpersonalidades transformarán los planetas más cercanos al Sol (y más ricos en energía solar) en "cerebros de matrioskas", mientras que otros, más similares a sus antepasados. (es decir, nosotros), podemos estar ocupados construyendo megamundos (como un “mundo anular”) entre las órbitas de la Tierra y Marte. Los gigantes gaseosos serán desmantelados y las sustancias que los componen se utilizarán para nuestros fines. Con el tiempo, para aprovechar al máximo la energía del sol, se construirá una esfera Dyson alrededor del sistema solar.
En un futuro más lejano, la Mente Suprema emprenderá proyectos galácticos. Como extraer energía de los agujeros negros, levantar materia de estrellas activas, encender y apagar estrellas, crear agujeros de gusano en el espacio para superar la barrera de la luz.
Y cuando la Mente Universal agote las posibilidades de nuestro Universo, llegará el momento de crear nuevos universos hijos. El valor práctico de los universos hijos es asegurar la existencia verdaderamente infinita de la mente, transfiriéndola de los universos moribundos a los recién creados. Sin embargo, según algunos modelos, dentro de nuestro universo se puede garantizar una existencia subjetiva infinitamente larga.
Cibernética
Habrá una transición de las estructuras planas actuales a los microcircuitos volumétricos, y el tamaño de los elementos activos disminuirá hasta el tamaño de las moléculas. Las frecuencias de funcionamiento de los ordenadores alcanzarán valores de terahercios. Se generalizarán las soluciones de circuitos basadas en elementos similares a las neuronas. Aparecerá una memoria a largo plazo de alta velocidad basada en moléculas de proteínas, cuya capacidad se medirá en terabytes. Será posible "reubicar" la inteligencia humana en una computadora. Período de implementación previsto: primer - segundo cuarto del siglo XXI.
El Instituto de Fabricación Molecular (IMM) ha desarrollado un diseño preliminar de un nanomanipulador con precisión atómica. Tan pronto como se obtenga el sistema "nanocomputadora - nanomanipulador" (los expertos lo predicen en 2010-2020), será posible producir mediante programación otro complejo similar: ensamblará su análogo de acuerdo con un programa determinado, sin intervención humana directa. Las bacterias, utilizando las propiedades replicativas del ADN, pueden desarrollarse en cuestión de horas desde varios individuos hasta millones. Así, la obtención de ensambladoras a gran escala no requerirá ningún costos desde el exterior, además de proporcionarles energía y materias primas.
Sobre la base del sistema "nanocomputadora - nanomanipulador", será posible organizar complejos de ensamblaje automatizados capaces de ensamblar cualquier objeto macroscópico utilizando una red tridimensional de átomos previamente tomada o desarrollada. Actualmente, Xerox está realizando una intensa investigación en el campo de la nanotecnología, lo que sugiere su deseo de crear duplicadores de materia en el futuro. Un complejo de robots desmontará el objeto original en átomos, y otro complejo creará una copia idéntica, hasta los átomos individuales, al original (los expertos predicen esto en 2020-2030). Esto permitirá abolir el complejo actual de fábricas que producen productos utilizando tecnología "volumétrica", bastará con diseñar cualquier producto- y será recogido y multiplicado por el complejo de montaje.
Será posible construir automáticamente sistemas orbitales, colonias autoensambladas en la Luna y Marte y cualquier estructura en los océanos del mundo, en la superficie de la Tierra y en el aire (los expertos predicen esto en 2050). La posibilidad del autoensamblaje puede conducir a la solución de los problemas globales de la humanidad: el problema de la falta de alimentos, vivienda y energía. Gracias a la nanotecnología, el diseño de máquinas y mecanismos cambiará significativamente: muchas piezas se simplificarán debido a las nuevas tecnologías (desarrollos) de ensamblaje y muchas se volverán innecesarias. Esto permitirá diseñar máquinas y mecanismos que antes eran inaccesibles para los humanos debido a la falta de tecnologías de montaje y diseño. Estos mecanismos consistirán esencialmente en una parte muy compleja.
Con la ayuda de nanoconvertidores mecanoeléctricos será posible convertir cualquier tipo de energía con alta eficiencia y crear dispositivos eficaces para generar electricidad a partir de la radiación solar con una eficiencia de aproximadamente el 90%. Gestión de residuos y global. control Sistemas como el "reciclaje" aumentarán significativamente las reservas de materias primas de la humanidad. Medio ambiente mundial control, control del clima gracias a un sistema de nanorobots interactivos que funcionan de forma sincrónica.
Es probable que la biotecnología y la tecnología informática se beneficien de la nanotecnología. Con el desarrollo de robots nanomédicos, será posible retrasar indefinidamente la muerte humana. Tampoco habrá problemas con la reestructuración del cuerpo humano para aumentar cualitativamente las capacidades naturales. También es posible proporcionar energía al cuerpo, independientemente de si se ha comido algo o no.
La tecnología informática se está transformando en una única red global de información de enorme productividad, y cada persona tendrá la oportunidad de ser una terminal, a través del acceso directo al cerebro y los órganos de los sentidos. El campo de la ciencia de los materiales cambiará significativamente: aparecerán materiales "inteligentes" capaces de comunicarse multimediamente con el usuario. También aparecerán materiales ultrarresistentes, ultraligeros y no inflamables.
En cuanto al problema de las materias primas, para construir la mayoría de objetos, los nanorobots utilizarán varios de los tipos de átomos más comunes: carbono, hidrógeno, silicio, nitrógeno, oxígeno, etc. en menores cantidades. Con el desarrollo de otros planetas por parte de la humanidad, el problema del suministro de materias primas quedará resuelto.
Así, según las previsiones, la nanotecnología promete una transformación radical tanto de la producción moderna y las tecnologías relacionadas, como de la vida humana en general. La nanotecnología producirá la misma revolución en la manipulación de la materia que las computadoras han producido en la manipulación de la información. Afectarán al mundo más que el descubrimiento de la electricidad.
La actitud de la sociedad hacia la nanotecnología.
Los avances en el campo de la nanotecnología han provocado cierta protesta pública.
La actitud de la sociedad hacia la nanotecnología fue estudiada por VTsIOM y el servicio europeo Eurobarómetro.
Varios investigadores indican que una actitud negativa hacia la nanotecnología entre los no especialistas puede estar asociada con la religiosidad, así como con la preocupación por la toxicidad de los nanomateriales.
Reacción de la comunidad mundial al desarrollo de la nanotecnología.
Desde 2005 funciona un grupo de trabajo internacional organizado por el CRN que estudia las consecuencias sociales del desarrollo de la nanotecnología.
En octubre de 2006, el Consejo Internacional de Nanotecnología publicó un artículo de revisión que, en particular, hablaba de la necesidad de limitar la difusión de información sobre la investigación en nanotecnología por razones de seguridad.
Greenpeace exige una prohibición total de la investigación en el campo de la nanotecnología.
El tema de las consecuencias del desarrollo de la nanotecnología se está convirtiendo en objeto de investigación filosófica. Así, las perspectivas de desarrollo de la nanotecnología se discutieron en la conferencia futurológica internacional Transvision, celebrada en 2007, organizada por la WTA.
La reacción de la sociedad rusa al desarrollo de la nanotecnología.
El presidente ruso, Dmitry Medvedev, confía en que el país reúne todas las condiciones para el desarrollo exitoso de la nanotecnología.
La nanotecnología es una nueva dirección de la ciencia y la tecnología que se ha ido desarrollando activamente en las últimas décadas. Las nanotecnologías incluyen la creación y uso de materiales, dispositivos y sistemas técnicos, cuyo funcionamiento está determinado por la nanoestructura, es decir, sus fragmentos ordenados que varían en tamaño de 1 a 100 nanómetros.
El prefijo "nano", que proviene del idioma griego ("nanos" en griego - gnomo), significa milmillonésima parte. Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro.
El término “nanotecnología” fue acuñado en 1974 por Norio Taniguchi, científico de materiales de la Universidad de Tokio, quien lo definió como “una tecnología de fabricación que puede alcanzar una precisión ultraalta y dimensiones ultrapequeñas... del orden de 1 nm...” .
En la literatura mundial, la nanociencia se distingue claramente de la nanotecnología. El término ciencia a nanoescala también se utiliza para la nanociencia.
En el idioma ruso y en la práctica de la legislación y los documentos reglamentarios rusos, el término "nanotecnología" combina "nanociencia", "nanotecnología" y, a veces, incluso "nanoindustria" (áreas de negocios y producción donde se utilizan nanotecnologías).
Los componentes más importantes de la nanotecnología son nanomateriales, es decir, materiales cuyas propiedades funcionales inusuales están determinadas por la estructura ordenada de sus nanofragmentos que varían en tamaño de 1 a 100 nm.
- estructuras nanoporosas;
- nanopartículas;
- nanotubos y nanofibras
- nanodispersiones (coloides);
- superficies y películas nanoestructuradas;
- nanocristales y nanoclusters.
Tecnología de nanosistemas- sistemas y dispositivos funcionalmente completos creados total o parcialmente a partir de nanomateriales y nanotecnologías, cuyas características son radicalmente diferentes de las de los sistemas y dispositivos con fines similares creados utilizando tecnologías tradicionales.
Áreas de aplicación de la nanotecnología.
Es casi imposible enumerar todas las áreas en las que esta tecnología global puede influir significativamente en el progreso tecnológico. Podemos nombrar sólo algunos de ellos:
- elementos de nanoelectrónica y nanofotónica (transistores semiconductores y láseres;
- fotodetectores; Células solares; varios sensores);
- dispositivos de grabación de información ultradensos;
- tecnologías de telecomunicaciones, información e informática; supercomputadoras;
- equipos de vídeo: pantallas planas, monitores, proyectores de vídeo;
- dispositivos electrónicos moleculares, incluidos interruptores y circuitos electrónicos a nivel molecular;
- nanolitografía y nanoimpresión;
- pilas de combustible y dispositivos de almacenamiento de energía;
- dispositivos de micro y nanomecánica, incluidos motores moleculares, nanomotores y nanorobots;
- nanoquímica y catálisis, incluido el control de la combustión, los recubrimientos, la electroquímica y los productos farmacéuticos;
- aplicaciones de aviación, espacio y defensa;
- dispositivos de vigilancia ambiental;
- administración selectiva de fármacos y proteínas, biopolímeros y curación de tejidos biológicos, diagnóstico clínico y médico, creación de músculos y huesos artificiales, implantación de órganos vivos;
- biomecánica; genómica; bioinformática; bioinstrumentación;
- registro e identificación de tejidos cancerígenos, patógenos y agentes biológicamente nocivos;
- seguridad en la agricultura y la producción de alimentos.
Computadoras y microelectrónica
Nanocomputadora— un dispositivo informático basado en tecnologías electrónicas (mecánicas, bioquímicas, cuánticas) con un tamaño de elementos lógicos del orden de varios nanómetros. El propio ordenador, desarrollado sobre la base de la nanotecnología, también tiene dimensiones microscópicas.
computadora de ADN- un sistema informático que utiliza las capacidades informáticas de las moléculas de ADN. La computación biomolecular es un nombre colectivo para diversas técnicas relacionadas de una forma u otra con el ADN o el ARN. En la computación del ADN, los datos no se representan en forma de ceros y unos, sino en forma de una estructura molecular construida sobre la base de la hélice del ADN. La función del software para leer, copiar y gestionar datos la desempeñan enzimas especiales.
microscopio de fuerza atómica- un microscopio de sonda de barrido de alta resolución basado en la interacción de una aguja en voladizo (sonda) con la superficie de la muestra en estudio. A diferencia del microscopio de efecto túnel (STM), este puede examinar superficies tanto conductoras como no conductoras incluso a través de una capa de líquido, lo que permite trabajar con moléculas orgánicas (ADN). La resolución espacial de un microscopio de fuerza atómica depende del tamaño del voladizo y de la curvatura de su punta. La resolución alcanza un nivel atómico horizontal y la supera significativamente verticalmente.
Oscilador de antena- El 9 de febrero de 2005 se obtuvo en el laboratorio de la Universidad de Boston una antena-oscilador con unas dimensiones de aproximadamente 1 micrón. Este dispositivo cuenta con 5.000 millones de átomos y es capaz de oscilar a una frecuencia de 1,49 gigahercios, lo que le permite transmitir enormes cantidades de información.
Nanomedicina e industria farmacéutica.
Una dirección en la medicina moderna basada en el uso de propiedades únicas de nanomateriales y nanoobjetos para rastrear, diseñar y modificar sistemas biológicos humanos a nivel nanomolecular.
nanotecnología de ADN- utilizar bases específicas de ADN y moléculas de ácido nucleico para crear estructuras claramente definidas a partir de ellas.
Síntesis industrial de moléculas de fármacos y preparaciones farmacológicas de forma claramente definida (bispéptidos).
A principios de 2000, los rápidos avances en la tecnología de nanopartículas impulsaron el desarrollo de un nuevo campo de la nanotecnología: nanoplasmónica. Resultó posible transmitir radiación electromagnética a lo largo de una cadena de nanopartículas metálicas mediante la excitación de oscilaciones de plasmón.
Robótica
Nanorobots- robots creados a partir de nanomateriales y de tamaño comparable a una molécula, con funciones de movimiento, procesamiento y transmisión de información y ejecución de programas. Nanorobots capaces de crear copias de sí mismos, es decir. La autorreproducción se llama replicadores.
En la actualidad ya se han creado nanodispositivos electromecánicos con movilidad limitada que pueden considerarse prototipos de nanorobots.
Rotores moleculares- motores sintéticos de tamaño nanométrico capaces de generar par cuando se les aplica suficiente energía.
El lugar de Rusia entre los países que desarrollan y producen nanotecnologías
Los líderes mundiales en términos de inversión total en nanotecnología son los países de la UE, Japón y Estados Unidos. Recientemente, Rusia, China, Brasil e India han aumentado significativamente las inversiones en esta industria. En Rusia, el importe de la financiación del programa "Desarrollo de infraestructura nanoindustrial en la Federación de Rusia para el período 2008 - 2010" ascenderá a 27,7 mil millones de rublos.
El último informe (2008) de la firma de investigación Cientifica, con sede en Londres, llamado Nanotechnology Outlook Report, describe textualmente la inversión rusa de la siguiente manera: “Aunque la UE todavía ocupa el primer lugar en términos de inversión, China y Rusia ya han superado a los Estados Unidos. "
Hay áreas de la nanotecnología en las que los científicos rusos fueron los primeros del mundo en obtener resultados que sentaron las bases para el desarrollo de nuevas tendencias científicas.
Entre ellos se encuentran la producción de nanomateriales ultradispersos, el diseño de dispositivos monoelectrónicos, así como el trabajo en el campo de la fuerza atómica y la microscopía de sonda de barrido. Sólo en una exposición especial celebrada en el marco del XII Foro Económico de San Petersburgo (2008) se presentaron a la vez 80 novedades específicas.
Rusia ya produce una serie de nanoproductos que tienen demanda en el mercado: nanomembranas, nanopolvos y nanotubos. Sin embargo, según los expertos, en la comercialización de avances nanotecnológicos Rusia va diez años por detrás de Estados Unidos y otros países desarrollados.
El material fue elaborado con base en información de fuentes abiertas.
En el sitio web de la revista británica New Scientist, la información básica sobre la nanotecnología se presenta de una forma muy cómoda: en forma de respuestas a preguntas frecuentes, escribe dp.ru.
¿Qué es la nanotecnología?
El término "nanotecnología" debe entenderse como un complejo de disciplinas científicas y de ingeniería que estudian procesos que ocurren a escala atómica y molecular. La nanotecnología implica la manipulación de materiales y dispositivos tan pequeños que no puede existir nada más pequeño. Cuando se habla de nanopartículas, normalmente se refiere a tamaños desde 0,1 nm hasta 100 nm. Tenga en cuenta que los tamaños de la mayoría de los átomos se encuentran en el rango de 0,1 a 0,2 nm, el ancho de una molécula de ADN es de aproximadamente 2 nm, el tamaño característico de una célula sanguínea es de aproximadamente 7500 nm y un cabello humano es de 80 000 nm.
¿Por qué los objetos pequeños adquieren propiedades tan específicas a nivel de nanoescala? Por ejemplo, pequeños grupos (llamados clusters) de átomos de oro y plata exhiben propiedades catalíticas únicas, mientras que las muestras más grandes suelen ser inertes. Y las nanopartículas de plata demuestran distintas propiedades antibacterianas y, por lo tanto, suelen utilizarse en nuevos tipos de apósitos.
A medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta la relación superficie-volumen. Por este motivo, las nanopartículas entran en reacciones químicas mucho más fácilmente. Además, los efectos de la física cuántica aparecen en niveles inferiores a 100 nm. Los efectos cuánticos pueden afectar las propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas de los materiales de manera impredecible.
Las pequeñas muestras cristalinas de algunas sustancias se vuelven más fuertes porque simplemente alcanzan un estado en el que no pueden romperse como lo hacen los cristales más grandes cuando se les aplica fuerza. Los metales se vuelven similares en algunos aspectos al plástico.
¿Cuáles son las perspectivas para la aplicación de la nanotecnología?
En 1986, el futurista Eric Dressler imaginó un futuro utópico en el que los nanorobots autorreplicantes realizarían todo el trabajo que la sociedad necesitaba. Estos pequeños dispositivos son capaces de reparar el cuerpo humano desde adentro hacia afuera, haciendo a las personas prácticamente inmortales. Los nanorobots también pueden moverse libremente en el medio ambiente, lo que los hace indispensables en la lucha contra la contaminación de este medio ambiente.
Se espera que la nanotecnología proporcione avances significativos en la tecnología informática, la medicina y también en los asuntos militares. Por ejemplo, la ciencia médica ha desarrollado formas de administrar medicamentos directamente a los tejidos cancerosos en pequeñas “nanobombas”. En el futuro, los nanodispositivos podrían “patrullar” las arterias, contrarrestar infecciones y proporcionar diagnósticos de enfermedades.
Los científicos estadounidenses han utilizado con éxito “nanobalas” recubiertas de oro para encontrar y destruir tumores cancerosos inoperables. Los científicos colocaron nanobalas en anticuerpos que pueden contactar con las células cancerosas. Si las nanobalas se exponen a radiación de frecuencia cercana a la infrarroja, su temperatura aumentará, lo que ayuda a destruir los tejidos cancerígenos.
Investigadores del Instituto de Nanotecnología del Ejército de Cambridge (EE.UU.), financiado por el ejército estadounidense, están utilizando la nanotecnología para crear un tipo de uniforme fundamentalmente nuevo. Su objetivo es crear una tela que pueda cambiar de color, desviar balas y explosiones de energía, e incluso pegar huesos.
¿Dónde se utilizan actualmente las nanotecnologías?
La nanotecnología ya se utiliza en la producción de discos duros para computadoras personales, convertidores catalíticos (elementos de motores de combustión interna), pelotas de tenis con una larga vida útil, así como raquetas de tenis de alta resistencia y al mismo tiempo livianas, y herramientas para cortar metales. , revestimientos antiestáticos para equipos electrónicos sensibles y revestimientos especiales para ventanas que garantizan su autolimpieza.
¿Cómo se crean los nanodispositivos?
Actualmente, existen dos métodos principales para fabricar nanodispositivos.
Abajo arriba. Montaje de nanodispositivos según el principio “molécula a molécula”, que recuerda al montaje de una casa o. Las nanopartículas simples, como el dióxido de titanio o el óxido de hierro utilizados en cosmética, se pueden producir mediante síntesis química.
Es posible crear nanodispositivos arrastrando átomos individuales utilizando el llamado microscopio de fuerza atómica (o microscopio de efecto túnel), que es lo suficientemente sensible para realizar tales procedimientos. Esta técnica fue demostrada por primera vez por los especialistas de IBM: utilizando un microscopio de efecto túnel, establecieron la abreviatura de IBM y, en consecuencia, colocaron 35 átomos de xenón en la superficie de una muestra de níquel.
De arriba hacia abajo. Esta técnica supone que utilizamos una muestra macroscópica y, por ejemplo, mediante grabado, creamos en su superficie componentes ordinarios de dispositivos microelectrónicos con parámetros característicos de la nanoescala.
¿La nanotecnología representa una amenaza para la salud humana o el medio ambiente?
No hay mucha información sobre los efectos negativos de las nanopartículas. En 2003, un estudio demostró que los nanotubos de carbono podían dañar los pulmones de ratones y ratas. Un estudio de 2004 encontró que los fullerenos pueden acumularse y causar daño cerebral en los peces. Pero ambos estudios utilizaron grandes cantidades de la sustancia en condiciones inusuales. Según una de los expertos, la química Kristen Kulinowski (EE.UU.), “sería aconsejable limitar la exposición a estas nanopartículas, a pesar de que actualmente no hay información sobre su amenaza para la salud humana”.
Algunos comentaristas también han sugerido que el uso generalizado de la nanotecnología puede generar riesgos sociales y éticos. Así, por ejemplo, si el uso de la nanotecnología inicia una nueva revolución industrial, esto provocará pérdidas de empleo. Además, la nanotecnología puede cambiar el concepto de persona, ya que su uso ayudará a prolongar la vida y aumentará significativamente la capacidad de recuperación del cuerpo.
"Nadie puede negar que la adopción generalizada de los teléfonos móviles e Internet ha provocado enormes cambios en la sociedad", afirma Kristen Kulinowski. “¿Quién se atrevería a decir que la nanotecnología no tendrá un mayor impacto en la sociedad en los próximos años?”
Por muy extraña que pueda parecer esta pregunta en nuestros tiempos, habrá que responderla. Al menos para mí. Al comunicarme con científicos y especialistas involucrados en esta industria, llegué a la conclusión de que la pregunta aún permanece abierta.
Alguien en Wikipedia lo definió de esta manera:
La nanotecnología es un campo interdisciplinario de ciencia y tecnología fundamentales y aplicadas, que se ocupa de una combinación de justificación teórica, métodos prácticos de investigación, análisis y síntesis, así como métodos para la producción y uso de productos con una estructura atómica determinada mediante la manipulación controlada de átomos y moléculas individuales.
Y esta definición estaba ahí hace 2 años:
La nanotecnología es un campo de la ciencia y la tecnología aplicadas que se ocupa del estudio de las propiedades de los objetos y del desarrollo de dispositivos con dimensiones del orden del nanómetro (según el sistema SI de unidades, 10 -9 metros).
La prensa popular utiliza una definición aún más simple y comprensible para la persona promedio:
La nanotecnología es una tecnología para manipular la materia a nivel atómico y molecular.
(Me encantan las definiciones cortas :))
O aquí está la definición del profesor G. G. Elenin (MSU, Instituto M. V. Keldysh de Matemática Aplicada RAS):
La nanotecnología es un campo interdisciplinario de la ciencia en el que se estudian las leyes de los procesos físicos y químicos en regiones espaciales de dimensiones nanométricas para controlar átomos, moléculas y sistemas moleculares individuales en la creación de nuevas moléculas, nanoestructuras, nanodispositivos y materiales con propiedades físicas especiales. , propiedades químicas y biológicas.
Sí, en general, todo está bastante claro... Pero nuestro meticuloso escéptico (observo especialmente el doméstico) dirá: "¿Qué, cada vez que disuelve un trozo de azúcar en un vaso de té, no estamos manipulando la sustancia en ¿El nivel molecular?
Y tendrá razón. Es necesario añadir al hilo conceptos relacionados con “control y precisión de la manipulación”.
La Agencia Federal para la Ciencia y la Innovación en el "Concepto para el desarrollo del trabajo en el campo de la nanotecnología en la Federación de Rusia hasta 2010" da la siguiente definición:
“La nanotecnología es un conjunto de métodos y técnicas que brindan la capacidad de crear y modificar objetos de manera controlada, incluidos componentes con tamaños inferiores a 100 nm, al menos en una dimensión, y como resultado de esto, obtener cualidades fundamentalmente nuevas que permitir su integración en sistemas a gran escala en pleno funcionamiento; en un sentido más amplio, este término también abarca los métodos de diagnóstico, caracterización e investigación de dichos objetos”.
¡Guau! ¡Dicho poderosamente!
O el Secretario de Estado del Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación Rusa, Dmitry Livanov, define la nanotecnología como:
“un conjunto de áreas científicas, tecnológicas e industriales que se unen en una sola cultura basada en operaciones con la materia a nivel de moléculas y átomos individuales”.
Un simple escéptico está satisfecho, pero un escéptico-especialista dirá: "¿No son estas mismas nanotecnologías en las que la química tradicional o la biología molecular y muchas otras áreas de la ciencia están constantemente involucradas, creando nuevas sustancias en las que se determinan sus propiedades y estructura?" ¿Por objetos de tamaño nanométrico conectados de cierta manera?
¿Qué hacer? Entendemos qué es la “nanotecnología”… lo sentimos, se podría decir… Intentemos agregar un par de términos más a la definición.
La navaja de Occam
Nanotecnología: cualquier tecnología para crear productos cuyas propiedades de consumo están determinadas por la necesidad de controlar y manipular objetos individuales de tamaño nanométrico.
¿Breve y sobrio? Expliquemos los términos utilizados en la definición:
"Cualquier": Este término pretende acercar a especialistas de diferentes campos científicos y tecnológicos. Por otro lado, este término obliga a las organizaciones que controlan el presupuesto de desarrollo de la nanotecnología a encargarse de financiar una amplia gama de áreas. Incluyendo, por supuesto, las biotecnologías moleculares. (Sin necesidad de añadir artificialmente el prefijo “nano-” al nombre de estas direcciones). Lo considero un término bastante importante para la situación actual de la nanotecnología en nuestro país :).
"Propiedades de consumo" (por supuesto, puede utilizar el término tradicional "valor para el consumidor", como desee): la creación de productos utilizando métodos tan avanzados como el control y la manipulación de la materia a nanoescala debería impartir algunas propiedades nuevas para el consumidor o afectar el precio de productos, de lo contrario pierde su sentido.
También está claro que, por ejemplo, los nanotubos, en los que una de las dimensiones lineales se encuentra en la zona de las dimensiones tradicionales, también entran en esta definición. Al mismo tiempo, los productos creados pueden tener cualquier tamaño, desde "nano" hasta tradicional.
"Individual": la presencia de este término aleja la definición de la química tradicional y requiere claramente la presencia de las herramientas científicas, metrológicas y tecnológicas más avanzadas capaces de proporcionar control sobre nanoobjetos individuales y, si es necesario, incluso específicos. Es con control individual que obtenemos objetos que tienen novedad para el consumidor. Se podría argumentar que, por ejemplo, muchas de las tecnologías existentes para la producción industrial de materiales ultrafinos no requieren dicho control, pero esto es sólo a primera vista; En realidad certificado La producción de materiales ultradispersos requiere necesariamente un control sobre el tamaño de las partículas individuales.
"Control"
, sin "Manipulación"
extiende la definición a los llamados. Nanotecnología de “generación anterior”.
"Control"
Juntos con "Manipulación"
amplía la definición a las nanotecnologías avanzadas.
Por lo tanto, si somos capaces de encontrar un objeto específico de tamaño nanométrico, controlarlo y, si es necesario, cambiar su estructura y conexiones, entonces esto es “nanotecnología”. Si obtenemos objetos de tamaño nanométrico sin la posibilidad de tal control (sobre nanoobjetos específicos), entonces esto no es nanotecnología o, en el mejor de los casos, nanotecnología de “generación anterior”.
"Objeto de tamaño nanométrico": Átomo, molécula, formación supramolecular.
En general, la definición intenta vincular la ciencia y la tecnología con la economía. Aquellos. cumple con el logro de los principales objetivos del programa de desarrollo de la nanoindustria: la creación de tecnologías basadas en métodos avanzados de investigación y producción, así como la comercialización de los logros alcanzados.
