Resumen
En los últimos años, la
Nanotecnología se ha transformado en uno de los más
importantes y apasionantes campos de evolución en
Física, Química, Ingeniería y
Biología. Resulta prometedora en el sentido de que en un
futuro cercano nos suministrará muchos avances que
cambiarán los logros tecnológicos en un amplio
campo de aplicaciones como lo es la ingeniería
electrónica, mas aun si a esta se la fusiona con ramas
importantes como la es la química, física etc. Se
llegara a decir que la nanotecnología representaría
una nueva revolución industrial
Introducción[1]
En la actualidad las nanotecnologías
incluyen un conjunto de disciplinas y técnicas orientadas
al estudio y manipulación de la materia a escala
manométrica, es decir a escala de átomos,
moléculas y estructuras moleculares.
El padre de la nanociencia, es
considerado Richard Feynman, premio Nobel de Física,
quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un
reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el
gran físico escribió un artículo que
analizaba cómo los ordenadores trabajando con
átomos individuales podrían consumir
poquísima energía y conseguir velocidades
asombrosas.
Supondrá numerosos avances para muchas industrias
y nuevos materiales con propiedades extraordinarias desarrollando
materiales más fuertes que el acero pero con solamente
diez por ciento el peso, nuevas aplicaciones informáticas
con componentes increíblemente más rápidos o
sensores moleculares capaces de detectar y destruir
células cancerígenas en las partes más
delicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas
aplicaciones.
DESARROLLO
Definición
La nanotecnologia es el estudio, diseño,
creación, síntesis, manipulación y
aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales
a través del control de la materia a nano escala, y la
explotación de fenómenos y propiedades de la
materia a nano escala.
Cuando se manipula la materia a la escala tan
minúscula de átomos y moléculas, demuestra
fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto,
científicos utilizan la nanotecnología para crear
materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con
propiedades únicas. La nanotecnología promete
soluciones vanguardistas y más eficientes para los
problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados
por la humanidad.
Las innovaciones basadas en
nanotecnología darán respuesta a gran número
de los problemas y necesidades de la sociedad y suponen un
desafío para las actividades industriales y
económicas, hasta el punto de que se considera el motor de
la próxima revolución industrial.
Nos interesa, más que su concepto, lo que
representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones
y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas
estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la
industria, la medicina, ingeniería, física y
química
2.2 INVESTIGACION:
Algunos países en vías de desarrollo ya
destinan importantes recursos a la investigación en
nanotecnología. La nanomedicina es una de las
áreas que más puede contribuir al avance sostenible
del Tercer Mundo, proporcionando nuevos métodos de
diagnóstico de enfermedades, mejores sistemas para la
administración de fármacos y herramientas para la
monitorización de algunos parámetros
biológicos.
Las empresas tradicionales podrán beneficiarse de
la nanotecnologia para mejorar su competitividad en sectores
habituales, como textil, alimentación, calzado,
automoción, construcción y salud. Lo que se
pretende es que las empresas pertenecientes a sectores
tradicionales incorporen y apliquen la nanotecnologia en sus
procesos con el fin de contribuir a la sostenibilidad del
empleo.
Nanotecnología
avanzada
La nanotecnología avanzada, a veces
también llamada fabricación molecular, es un
término dado al concepto de ingeniería de
nanosistemas (máquinas a escala nanométrica)
operando a escala molecular. Se basa en que los productos
manufacturados se realizan a partir de átomos. Las
propiedades de estos productos dependen de cómo
estén esos átomos dispuestos.
Aplicaciones
En el campo computacional se prevé que esta
tecnología va a ser que los chips sean cada vez más
pequeños y por consiguiente aumenten su capacidad de
procesamiento, y es este campo donde se obtuvieron las primeras
ideas acerca de lo que podría hacer la nanotecnologia, ya
que los ingenieros de IBM a mediados de los 80´s
propusieron dos tipos de tecnología de prueba proximal:
AFM10 (atomic force microscope) y STM10 (scanning tunneling
microscope) que como su nombre lo indica una se basa en el
monitoreo microscópico y manipulación mediante una
aguja electrónica pequeña (STM) y la otra en la
manipulación molecular (AFM); siendo mediante estas
tecnologías la que se basa IBM para el grabado de su logo
en los chips electrónicos. Los primeros productos
serán seguramente materiales de construcción
superfuertes a una nanoescala, tales como los tubos Bucky
propuestos por el Dr. Richard E. Smalley, profesor de
química y física de la Universidad de Rice. Los
Buckytubes son tubos de forma de malla de gallinero hecho de
moléculas de carbón de forma de domo
geodésico, llamados Buchyballs por Buckminster Fuller.
Estos tubos son esencialmente fibras de grafito de tamaño
de nanómetros, y su dureza es 100 a 150 veces más
que el acero, con un cuarto del peso de este.
2.4.1 NANOELECTRONICA
El objetivo básicamente es fabricar circuitos con
mayor capacidad de computación y de almacenamiento de la
información y dispositivos de memoria
nanométricos.
2.4.1.1 MEMORIAS MRAM
La electrónica convencional codi?ca los datos
informáticos basados en un sistema binario de unos y
ceros, dependiendo de si los electrones circulan o no dentro del
material. Pero, por principio, la dirección en que un
electrón gira en un sentido o en el otro puede
también ser utilizada como información.
Así que la espintrónica puede
efectivamente permitir a las computadoras almacenar y transferir
el doble de datos por electrón. Una vez que un campo
magnético empuje un electrón en un sentido de
rotación, mantendrá el sentido de rotación
hasta que otro campo magnético provoque el cambio. Este
efecto se puede utilizar para tener acceso muy rápidamente
a información almacenada magnéticamente durante una
operación informática, incluso si la corriente
eléctrica se ha interrumpido entre dos sesiones de
trabajo. Los datos se pueden almacenar permanentemente y
están casi inmediatamente disponibles en cualquier
momento, sin ser necesario un prolongado proceso de
arranque.
Una de las aplicaciones con mayor interés de la
espintrónica es el caso de las memorias MRAM (Magnetic
Random Access Memory), cuya traducción literal
sería "memoria magnética de acceso aleatorio".
Estas memorias han sido recientemente desarrolladas por la
empresa Freestyle, habiéndose convertido su chip de
memoria MR2A16A en el primer dispositivo MRAM en el
mercado.
La aparición de esta nueva tecnología para
el almacenamiento de información supone un avance radical
con respecto a la memoria RAM, ya que ésta necesita que,
con una determinada periodicidad, se reescriba en cada celda de
memoria su contenido actual, mientras que la memoria MRAM
mantiene la información en bits dentro de
minúsculos campos magnéticos. La MRAM supone un
gran ahorro de energía al no necesitar ningún tipo
de alimentación eléctrica.
Otras ventajas de las memorias MRAM frente a las RAM son
que (i) no se pierden datos cuando se apaga el terminal y (ii) es
más rápida y resistente. Todo esto hace que su
aplicación resulte muy atractiva para distintos
dispositivos, desde ordenadores hasta cámaras
digitales.
2.4.1.2 LASER DE PUNTO CUÁNTICO
Un láser es un dispositivo que utiliza un efecto
de la mecánica cuántica, la emisión inducida
o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio
adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza
controlados.
El principio de funcionamiento de un láser es
sencillo, la energía bombeada al láser excita los
electrones de un material ópticamente activo y provoca el
movimiento de estos electrones entre la banda de valencia y la
banda de conducción, emitiendo de forma simultánea
de fotones. Estos fotones son re?ejados por el espejo re?ectante
al 100% e impactan de nuevo sobre el material óptico
estimulando de nuevo la emisión de más
fotones.
En los materiales no nano estructurados, las bandas de
valencia y conducción constituyen un continuo siendo, el
abanico de niveles de energía disponibles para el
movimiento de los electrones entre dichas bandas muy numeroso.
Esto da lugar a un amplio número de longitudes de onda de
emisión.
Los láseres de punto cuántico son un tipo
revolucionario de láseres que son signi?cativamente
superiores en prestaciones a los láseres de
semiconductores clásicos en aspectos tales como la
operación independiente de la temperatura, el bajo consumo
energético, la transmisión a larga distancia y
rápidas velocidades.
Con?nando las dimensiones de un semiconductor en tres
dimensiones para formar un láser de punto cuántico
se consigue restringir las longitudes de onda de emisión
de forma más estrecha de lo que se puede conseguir en los
láseres convencionales. De esta forma la longitud de onda
es determinada por el tamaño del cristal y se puede
consiguientemente crear láseres a medida.
Las aplicaciones de estos láseres incluyen, entre
otras, los lectores de CDs, lectores de códigos de barras
e impresoras láser
2.4.1.3 NANOELECTRÓNICA BASADA EN NANOTUBOS DE
CARBONO
Como es bien conocido, los nanotubos de carbono poseen
propiedades electrónicas y mecánicas excepcionales
cuando son comparados con materiales convencionales. En cuanto a
las primeras, el control de su diámetro permite obtener
estructuras metálicas o semiconductoras, lo que abre un
interesante campo de aplicación en el mundo de la
Nanoelectrónica.
Además, su alta conductividad térmica
podría solventar el problema de disipación
existente actualmente en dispositivos
nanoelectrónicos.
El principal problema de cara a la obtención de
estos dispositivos reside en la actualidad en la
fabricación de los mismos. Por un lado, el gap entre los
niveles energéticos de los nanotubos es dependiente de su
calidad, siendo altamente complicada la fabricación de
estructuras con valores predeterminados y repetibles. Por otro
lado, el alineamiento de los nanotubos, esencial para el buen
funcionamiento del sistema, precisa de técnicas de
crecimiento so?sticadas.
A pesar de estas di?cultades, existen hoy en día
prototipos de nanosistemas electrónicos basados en
nanotubos de carbono. El más conocido de ellos es el
llamado CNT-FET (Carbon nanotube-based Field Effect Transistor)
que ha sido recientemente considerado como el más
candidato para sustituir la tecnología CMOS en un futuro.
De manera resumida, los CNTFET son dispositivos basados en la
unión de los dos electrodos de metal de un transistor
mediante un nanotubo de carbono, haciendo los primeros las veces
de terminal y controlando de este modo el funcionamiento del
nanotubo (conducción o no conducción) al aplicar
una tensión.
Grafica 2.4.1.3 Simulación de un
CNTFET
2.4.1.4 MONITORES LCD BASADOS EN NANOTUBOS DE
CARBONO
Los cientí?cos esperan que los nanotubos de
carbono puedan ser utilizados en la fabricación de
pantallas de cristal líquido (LCD) a nivel comercial. A
día de hoy, ya se han desarrollado pantallas prototipo de
15 pulgadas. Esta tecnología es escalable, por lo que
será posible fabricar pantallas de gran tamaño con
una mayor calidad de imagen y durabilidad que las actuales,
disminuyendo a la vez los costos de
fabricación.
2.4.1.5. CIRCUITOS ÓPTICOS INTEGRADOS:
APLICACIÓN A MODULADORES Y CONMUTADORES
ÓPTICOS
El tratamiento de señales ópticas
representa cada vez un papel más importante en las
actuales tecnologías de la medida y la
comunicación. Aspectos como la generación de
señales, su modulación, su medida y su
direccionamiento son ya imprescindibles en todos los dispositivos
tecnológicos basados en la fotónica, en lugar de la
electrónica.
En este tipo de tecnología, las ópticas
son ampliamente utilizadas para conducir la luz a lo largo de
grandes distancias pero, para el tratamiento preciso de esa luz,
es necesario disponer de dispositivos y circuitos ópticos
integrados. La tecnología de la óptica integrada
permite realizar de forma e?ciente todas las tareas de
modulación, enrutamiento o conmutación necesarias
en cualquier plataforma de comunicaciones
ópticas.
El elemento fundamental de la óptica integrada
son las guías ópticas, que se pueden fabricar
mediante el uso de gran variedad de técnicas y
materiales.
En el laboratorio de Óptica Integrada de la
Universidad de Oviedo se fabrican guías ópticas
integradas sobre vidrio mediante la técnica del
intercambio iónico, y sobre niobato de litio mediante
intercambio protónico.
El niobato de litio es un material electroóptico,
que lidera en la actualidad la fabricación de dispositivos
de comunicaciones ópticas, y en los que ha demostrado una
gran aplicabilidad y . Las técnicas que utiliza el
laboratorio en la fabricación de estos dispositivos
abarcan desde los procesos fotolitográ?cos en la
microescala hasta la caracterización experimental completa
de los elementos fabricados.
Actualmente, en el laboratorio se investigan los
moduladores electroópticos Mach-Zehnder en niobato de
litio. Estos dispositivos se basan en un interferómetro
integrado sobre un sustrato de niobato de litio en el que,
mediante la aplicación de un campo eléctrico, se
consigue modular una señal óptica.
De esta forma, se puede transmitir una señal
digital desde un soporte electrónico a un soporte
óptico. La implementación de estos dispositivos
requiere el tratamiento de señales eléctricas de
alta frecuencia y su adaptación e interacción con
las guías ópticas.
La misma tecnología empleada en los moduladores
permite la fabricación de conmutadores ópticos, en
los que la luz que entra en el dispositivo se puede dirigir a
voluntad hacia distintas salidas. Este efecto se puede utilizar
para multiplexar/demultiplexar señales ópticas o
enrutar éstas a alta frecuencia.
Las técnicas de modulación de fase o de
amplitud, también son utilizadas en dispositivos sensores
industriales como, por ejemplo, los medidores de corriente
eléctrica en estructuras metálicas o los
giroscopios ópticos.
2.4.1.6 SUPERLENTES
Todo microscopio óptico tiene un límite de
resolución. Dicho límite implica que no se pueden
resolver imágenes con un detalle inferior a,
aproximadamente, la longitud de onda de la radiación
utilizada. Para la microscopía óptica convencional,
en la región del espectro visible, dicho límite
sería por lo tanto del orden de varios centenares de
nanómetros. Este hecho es una consecuencia de lo que se
conoce en óptica como difracción, efecto que es
común a la interacción de cualquier tipo de onda
con objetos de tamaño similar a su longitud de onda. Por
otro lado, en la inmediata proximidad de una super?cie, y en
ciertas condiciones, pueden aparecer las denominadas "ondas
evanescentes". Se trata de ondas electromagnéticas que se
propagan paralelamente a la super?cie del material, pero cuya
intensidad decrece muy rápidamente conforme nos alejamos
de la misma, siendo despreciable a distancias del orden de la
longitud de onda de la radiación electromagnética.
Las "ondas evanescente" podrían ser utilizadas para
obtener imágenes ópticas con mayor
resolución que las obtenidas por microscopios
ópticos convencionales. El principal problema en este
sentido es su detección.
Un método utilizado en los últimos
años consiste en acercar a distancias nanométricas
de una super?cie una óptica convenientemente adelgazada.
Es lo que se conoce como "Microscopía de Campo Cercano" o
SNOM.
Sin embargo, muy recientemente (abril 2007), dos grupos
de investigación de la Universidad de Maryland y de
Berkeley, han conseguido mejorar dicha tecnología y llegar
a resoluciones ópticas del orden de 70nm, desarrollando lo
que se conoce como superlentes. Dichos dispositivos permiten
recoger de forma efectiva la señal que proviene de las
ondas evanescentes y su posterior tratamiento por lentes
convencionales. Este hecho permitiría obtener
imágenes ópticas de algo tan pequeño como un
virus, una proteína o una cadena de DNA, lo cual era hasta
la fecha imposible, y abre una nueva vía en la
instrumentación óptica aplicada a la
biología y la ciencia de super?cies. Las superlentes son
un caso particular de lo que se conoce como metamateriales;
materiales arti?ciales obtenidos mediante micro y
nanoestructuración
Las superlentes son metamateriales que poseen una
característica sorprendente: son materiales ópticos
con índice de refracción negativo, contrariamente
al caso de los materiales naturales (por ejemplo el vidrio) que
lo presentan positivo.
Con este nuevo tipo de materiales se puede ampli?car
convenientemente la débil señal que proviene de las
ondas evanescentes que se propagan por la super?cie de la
materia.
Los dos grupos de investigación estadounidenses
han diseñado superlentes con dos geometrías
diferentes. En un caso el dispositivo está constituido por
anillos concéntricos de distintos polímeros
depositados sobre una delgadísima lámina de oro. En
un segundo caso se ha diseñado un dispositivo
tridimensional formado por una estructura multicapa constituida
por láminas alternas de plata y óxido de aluminio
depositadas sobre una super?cie cilíndrica de
cuarzo.
2.4.1.7 CRISTALES FOTÓNICOS
Los cristales fotónicos son nuevos materiales
nanoestructurados que presentan propiedades exclusivas, ya
aplicadas para ópticas.
Se trata de estructuras constituidas por variaciones
periódicas en el índice de refracción del
material que las constituye y con banda prohibida para fotones (o
photonic bandgap, PBG). En analogía con las bandas
electrónicas de sólidos ordenados (como los
materiales semiconductores) donde la periodicidad atómica
origina bandas o niveles de energía para los electrones,
la distribución espacial de la constante
dieléctrica en el caso de los cristales fotónicos
origina una estructura de bandas para fotones. Estas bandas
pueden diseñarse a voluntad (de forma análoga a la
ingeniería de bandas en los materiales semiconductores),
por lo que estas estructuras pueden impedir o favorecer la
propagación de fotones con determinadas energías,
produciendo efectos no observados en la óptica
convencional. Tanto la periodicidad como las dimensiones
físicas de las zonas de variación de la constante
dieléctrica están relacionadas con la longitud de
onda de los fotones que se propagan, exigiendo para estas zonas
dimensiones en la escala de nanómetros para fotones con
energías dentro del espectro visible e infrarrojo
cercano
El creciente tráfico de datos en la red de
telecomunicaciones (vídeo y audio en Internet) hace
necesario el desarrollo de nuevas infraestructuras de mayor ancho
de banda y velocidad (>100 Gb/s) mediante la
implantación de arquitecturas ópticas en
sustitución de los actuales subsistemas
electrónicos.
En última instancia, será necesario
disponer de dispositivos optoelectrónicos (LEDs y/o diodos
láser) de ultra-alta velocidad integrados en chips capaces
de intercomunicarse ópticamente. Por otra parte, estos
dispositivos podrían ser la piedra angular de nuevos
computadores ópticos que superen las limitaciones
impuestas por la progresiva miniaturización de los
actuales procesadores de silicio.
Las aplicaciones actuales de estos cristales incluyen la
espectroscopía, metrología, biomedicina, imagen o
telecomunicación.
Conclusiones
La nanotecnologia es una rama muy importante dentro de
la visión de aplicaciones muy importantes en el futuro,
esta se basa en reconocer que las partículas con
tamaños inferiores a 100 nanómetros (un
nanómetro es la milmillonésima parte de un metro)
con?eren nuevas propiedades y nuevos comportamientos a las
nanoestructuras que con ellas se construyan.
Esto sucede porque las partículas, que son
menores que las longitudes características asociadas a un
fenómeno particular, frecuentemente mani?estan una nueva
química y física, lo que lleva a un nuevo
comportamiento que depende del tamaño. Así, por
ejemplo, se ha observado que la estructura electrónica, la
conductividad, la reactividad, la temperatura de fusión y
las propiedades mecánicas varían cuando las
partículas alcanzan tamaños inferiores a cierto
valor crítico. La dependencia del comportamiento con el
tamaño de la partícula permite diseñar sus
propiedades, se observado que con esta tecnología se
pretende obtener logros muy importantes dentro de la
electrónica, compitiendo con dispositivos básicos
de este como son la tecnología led y la de los
transistores FET, habilitando nuevos parámetros y
funcionalidades
Es claro que esta la comercialización de esta
tecnología en un futuro es muy alejada, pero no quiere
decir que sus aplicabilidad sería muy interesante y
beneficiosa por los efectos que cumpliera, aun mas cuando ha esta
se la fusionara con ramas importantes como lo son las
matemática, física, química,
ingeniería etc.
Bibliografía
Páginas web:
[1] "Overview of Nanotechnology" – Adaptación de
J. Storrs Hall de los textos de Ralph C. Merkle and K. Eric
Drexler –
http://nanotech.rutgers.edu/nanotech/intro.html
[2] "Aplicaciones industriales de la
nanotecnología"
Proyecto NANO-SME – Tecnologías de la
información y las telecomunicaciones (TIC"s)
http://www.idepa.es/sites/web/idepaweb/Repositorios/galeria_descarga_idepa/AplicacionesIndustriales_Nanotecnologia.pdf
Autor:
Carlos Xavier Méndez
Marcillo
Universidad Politécnica
Salesiana
Cuenca, Ecuador