1er Conversatorio.1er Conversatorio.¿Qué es la

Nanotecnología?

REDVNANO

REDVNANO.ESTULADRA. LETICIA MOGOLLÓN.

� Ese sueño de Feynman era exacto.

� ‘‘ No hay nada en las leyes de la Física que

nos impida hacer con átomos individuales

estructuras artificiales como letras. Se puede

escribir la Enciclopedia Británica en un punto

¿ ?

Richard P. Feynman (1918 –1988), premio Nobel de Física 1965.

escribir la Enciclopedia Británica en un punto

diminuto. Pero hay mucho más’’ 29 deDiciembre de 1959

� En la primera década del siglo 21, se va aunificar la ciencia basado en la unidadde la naturaleza (átomos) y la integraciónde la tecnología en el nivel de lananoescala.

Escala Escala FísicaFísicaEscala Física en materiales y estructuras

Elementos Materiales Estructuras Infraestructura

Nivel Nano Micro Meso Macro Sistema

Escala Molecular Micrones Metro Más de un Km

Campos

Nanomecánica

Autoensamblaje

Micromecánica

Microestructuras

Mesomecánica

Estructuras de

Vigas

Columnas

Sistemas de enlace

Líneas de AeroplanosCampos

Autoensamblaje

Nanofabricación

Microestructuras

Materiales

inteligentes

Estructuras de

interfase de

compuestos

Columnas

Placas

Líneas de Aeroplanos

DimensiónAgua Aminoácido Virus Bacteria Neurona Un Punto Balón

Dimensión

Dimensión.

100.000 nm. Pelo humano 100 nm. Virus de la gripe 1,3 nm. Nanotubo de C.100.000 nm. Pelo humano

4.000 nm. Glóbulo rojo

100 nm. Virus de la gripe

2,5 nm. Hebra de DNA

1,3 nm. Nanotubo de C.

O,14 nm Grafeno

El Carbono: Fullerenos-Nanotubos

Además del diamante y del grafito, desde hace una veintena deaños se ha sabido producir otras formas del carbono:fullerenos (moléculas de aspecto similar a un balón de fútbol)y nanotubos de carbono (de aspecto similar a un tubo formadopor un mallado atómico hexagonal pero de un espesor de unospocos nanómetros). ¿Por qué son interesantes estas nuevaspocos nanómetros). ¿Por qué son interesantes estas nuevasformas del carbono? En particular, los nanotubos de carbonoson diez veces más ligeros que el acero pero diez veces másresistentes a ruptura. Ya existen bicicletas de menos de unkilogramo de peso fabricadas con nanotubos de carbono.

El Carbono: Fullerenos-Nanotubos

El Carbono- Grafeno (2004-2010).

El grafeno no es más que una red bidimensional de átomosde carbono. Suena extraño tener algo bidimensional enun mundo de tres dimensiones, pero realmente lo es,puesto que su espesor es de un único átomo.

En Columbia, un grupo de científicos demostró que elgrafeno, formado por carbono (como el diamante), es elmaterial más fuerte que existe en nuestro planetamaterial más fuerte que existe en nuestro planeta

Éste elemento es una cápita átomos de carbono puestos deforma hexagonal, como si fuese un panal de miel. Laimagen lo demuestra.

Para probar que es el material más fuerte, lo estiraron hastaprobar sus limites. Dando como resultado una fortaleza200 veces mayor que el acero. Llevado a la realidad, seríacomo un elefante sentado sobre un lápiz para poderromperlo. (Sería una capa fina de grafeno como elgrosor de una bolsa de plástico)

Grafen

oGrafen

o

¿Por que hacer las cosas pequeñas?Los objetos a nanoescala tienen propiedades diferentes.

Una propiedad es la relación superficie/volumen. Un material rebanadotiene más superficie relativa, y más superficie significa más reactividad, esdecir, mayor capacidad de reaccionar con el entorno.

La rapidez. Si un electrón debe atravesar un dispositivo para ejecutarcierta operación lógica en un transistor, no es lo mismo que este últimomida 200 nm que 50 nm.

Mayor capacidad de almacenamiento. Cuanto menor tamaño tenga un bitde información, más memoria tendrán nuestros dispositivos electrónicos onuestros sistemas de almacenamiento de datos. “Nano” significa entonces:más reactivo, más rápido, más densidad de información.

Pero estas propiedades no son únicamente las que se pueden mejorarcuando los materiales tienen dimensiones nanométricas. También sepodrán diseñar materiales que poseerán dureza, resistencia mecánica,propiedades ópticas o magnéticas “a la medida”, o materiales capaces derealizar varias funciones.

La nanociencia es el estudio del fenómeno y la manipulación de lamateria a escala nanométrica (0.1 a 100 nm), mientras que lananotecnología se trata del diseño, caracterización, producción yaplicación de estructuras, dispositivos y sistemas a través del controldel tamaño y la forma a nanoescala.

Un nanómetro es la unidad de longitud que equivale a unamilmillonésima parte de un metro.

En esta escala, las propiedades físicas, químicas y/o biológicas de losEn esta escala, las propiedades físicas, químicas y/o biológicas de losmateriales, objetos, sistemas, etc., difieren de manera fundamentalde las propiedades de los mismos a tamaño micro/macroscópico,por lo que la investigación y desarrollo de la nanotecnología seorienta a la comprensión y creación de materiales mejorados,dispositivos y sistemas que exploten estas nuevas propiedades.

En este sentido, la nanotecnología promete una mejor comprensión dela naturaleza y de la vida misma, en donde el tamaño y la forma sonimportantes. A su vez, la física, la química, la ciencia de los materiales,la simulación computacional y la ingeniería, convergen hacia losmismos principios teóricos y técnicas experimentales, posibilitandoavances tecnológicos extraordinarios por la sinergia interdisciplinaria ylas iniciativas tomadas por varios sectores y países.

La convergencia de la ciencia y la ingeniería a nivel nanoescalaestablecerán un patrón para la aplicación y la integración de lananotecnología, que a su vez incorporará la biología, electrónica,medicina, aprendizaje y otros campos (Roco y Bainbridge, 2003).medicina, aprendizaje y otros campos (Roco y Bainbridge, 2003).

Incluye la fabricación híbrida, ingeniería neuromórfica, órganosartificiales, incremento en la expectativa de vida, mejora en elaprendizaje y capacidades sensoriales. La ciencia y la ingeniería denanobiosistemas llegarán a ser esenciales para el cuidado de la salud yla biotecnología.

Se espera que el cerebro y las funciones nerviosas de lossistemas sean medibles con relación a la ingeniería cognitiva.

El desarrollo del conocimiento y la educación se originarán a

nivel nanoescala en vez de la microescala. Un nuevo

paradigma de la educación no basado en disciplinas, sino en

la unidad de la integración de la naturaleza y de la educación-

investigación será puesto a prueba.

Los cambios del paradigma de la ciencia y de la educación

serán por lo menos tan fundamentales como éstos durante la

“transición de la micro-escala C&E (ciencia y educación)”“transición de la micro-escala C&E (ciencia y educación)”

originada en 1950, donde el análisis micro-escala y el análisis

científico fueron estimulados por la carrera para llegar al

espacio y la revolución digital.

La nueva “transición nano-escala” cambiará la base del

análisis y el lenguaje de la educación estimulada por los

productos de la nanotecnología. Esta nueva “transición” se

originó en el umbral del tercer milenio.

¿Dónde estamos?

• Desarrollo de nuevos métodos de

síntesis; nueva instrumentación; nueva

caracterización; nuevas teorías y

modelos y nuevos materiales

Etapa de

construcción del

conocimiento

básico

• Integración del conocimiento y

tecnología para construir dispositivos

Nanociencia

tecnología para construir dispositivos

funcionales, robots, sistemas y equipos y

herramientas que trabajen a escala

nanométrica

Etapa de

Integración

• Producción de dispositivos a nivel de

nanoescala; robots; sistemas y equipo a

nivel masivo

Etapa de

Nanomanufactura

Nanotecnología

¿Dónde estamos?

Etapa de

construcción de

conocimiento

básico

Materiales

Nanomateriales

convencionales

Nanomateriales

moleculares

Ciencia de materiales

Ingeniera Química

Química, Física

Bioquímica

Ingeniería

Eléctrica

Ingeniera

mecánica

Tecnología de

Etapa de

integración

Etapa de

Nanomanufactura

Materiales

mejorados para

industrias

mejoradas

Nuevos mercados;

Nuevos trabajos y

Nuevas Industrias

Nuevas

herramientas para

industrias

existentes

Nanofabricación

Nanoelectrónica

Nanobiotecnológía

Biología Molecular

Biotecnología

Tecnología de

información y

comunicación

Sistemas de

ingeniería

Ingeniera industrial

Sistemas biológicos

Negocios

ANTES

AHORA

Materiales nanoporosos.Materiales nanoporosos.

� Membranas con control de poro a nivel atómico,catalizadores como reductores de emisión decontaminantes, catalizadores como elementos deauto-diagnóstico y auto-reparación en materiales,aislantes, aplicaciones medioambientales parareducción de emisiones, purificación de aguas,reducción de emisiones, purificación de aguas,eliminación de contaminantes, atrapado yeliminación de metales pesados, producción denanopartículas estructuradas, células solaresorgánicas, supercondensadores paraalmacenamiento de energía, almacenamiento degases (hidrógeno, metano, acetileno), ingeniería detejidos para aplicaciones médicas, liberacióncontrolada de fármacos, bioimplantes.

Materiales Nanoporosos.

Arcilla naturalArcilla purificada Suspensión coloidalArcilla natural

Purificación Arcilla purificada Suspensión coloidal

Impregnación de esponja

de PUTratamiento térmicoFiltros de arcilla

NANOCIENCIA

•Se dedica al estudio de las propiedades de

NANOTECNOLOGÍA

Es la manipulación “controlada” y producción

de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica

“controlada” y producción de objetos materiales,

instrumentos, estructuras y sistemas a dicha escala. La

nanociencia y la nanotecnología son ejemplo de (nano) tecnociencia.

¿Por qué la Nanotecnología?

Para incrementar la eficiencia del consumo de energía, ayudar a limpiar el ambiente, y solucionar los principales problemas de

salud. Se ha dicho que es capaz de incrementar masivamente la producción incrementar masivamente la producción manufacturera a costos significativamente

más reducidos.

Los productos de la nanotecnologíapueden ser más pequeños, baratos,ligeros y más funcionales y requierenmenos energía y menos materias primaspara fabricarlos.

� Herramientas (para ver, manipular e ingeniar en el nivel atómico);

� Materiales (por las diferentes propiedades que manifiestan);

� Dispositivos (para el funcionamiento corporal y laser avanzados);

� Técnicas para construir estructuras a nanoescala

Aplicaciones de la nanotecnología

� Técnicas para construir estructuras a nanoescala (autoensamblamiento, nanolitografía);

� Tecnología electrónica y de información (incremento del poder de la computación en pequeño espacio a bajo costo);

� Ciencias de la vida (habilidad para trabajar en la escala de los sistemas biológicos);

� Energía, procesos, medio ambiente (catálisis, fuentes energéticas limpias).

Etapas de la N

anotecn

ología.

~2000

1º Nanoestructuras pasivas 1º Generación de productos

a) Nanoestructuras dispersadas y de contacto Ej..: Aerosoles,

‘‘coloides’’

b) Productos que incorporan Nanoestructuras Ej..:

recubrimientos Compuestos reforzados con nanopartículas,

metales nanoestructurados, polímeros y cerámicos

2º Nanoestructrurados activos

a) Bioactivos con efectos para la salud Ej..:

Medicamentos orientados biodispositivos

b) Activo físico-químico Ej..: Transistores 3D,

Po

líticas d

e rie

sgo

Fo

rmu

lació

n

Etapas de la N

anotecn

ología.

~2005

~2010

~2015 - 2020

b) Activo físico-químico Ej..: Transistores 3D,

amplificadores, actuadores, estructuras adaptables

3º Sistema de Nanosistemas

Ej.: ensamblaje dirigido, redes de 3D y

arquitecturas Jerárquicas, robótica y

evolución

4º Nanositemas Moleculares

Ej.: Dispositivo por diseño,

diseño atómico, funciones

emergentes

Po

líticas d

e rie

sgo

s

La nanociencia y la nanotecnología constituyen la próxima

revolución científico-tecnológica en proceso de despliegue, con

características de tecnología disruptiva, en tanto que los

conceptos de manufactura, diseño y conocimiento serán

transformados radicalmente.

Su impacto descansa en su carácter multidisciplinario que

conduce a sinergias interdisciplinarias y en las iniciativasconduce a sinergias interdisciplinarias y en las iniciativas

tomadas por gobiernos, empresas y sectores

sociales.

El desarrollo del conocimiento y la educación se

originarán a nivel nanoescala en vez de la

microescala. Un nuevo paradigma de la educación no

basado en disciplinas, sino en la unidad de la

integración de la naturaleza y de la educación-

investigación será puesto a prueba.

Los cambios del paradigma de la ciencia y de la

educación serán por lo menos tan fundamentales

como éstos durante la “transición de la micro-escalacomo éstos durante la “transición de la micro-escala

C&E (ciencia y educación)” originada en 1950,

donde el análisis micro-escala y el análisis científico

fueron estimulados por la carrera para llegar al

espacio y la revolución digital.

La nueva “transición nano-escala” cambiará la base

del análisis y el lenguaje de la educación estimulada

por los productos de la nanotecnología. Esta nueva

“transición” se originó en el umbral del tercer

milenio.

1.

•Romper con los moldes tradicionales de pensamiento

�El sistema Educativo debe iniciar la formación de recursos humanos en la

educación Básica de la microciencia.

2.

•Analizar el potencial que representa para nuestro país el acceso al conocimiento de las nanociencia.

3.

•Pensar en el futuro de la vida de nuestros hijos, nietos y de las generaciones siguientes.

4.

•Insertar la acción como parte de procesos diario a mediano y largo plazo (que se construyen desde ya, en el día a día).

5.

•Identificar y generar mecanismos que permitan difundir información, sobre avances y desarrollo de la ciencia y la tecnología, que permitan introducirlos en los conceptos de

5.tecnología, que permitan introducirlos en los conceptos de matemática, ciencias, ingenierías y de nanoescala.

6.

•Difundir la información sobre las implicaciones sociales y éticas que los nuevos conocimientos de la ciencia y las transformaciones tecnológicas tendrán sobre el desarrollo del sistema educativo en el mundo y en el país.

Al irnos introduciendo en el mundo

de la creación intelectual del

SOCIEDAD DEL CONOCIMIENTO

de la creación intelectual del

conocimiento, nos estamos dando

cuenta que éste es “un mundo en donde el grande no se come al chico, sino que el rápido se come al lento”

“Más que la riqueza de los recursos naturales conque se cuente, son más valiosas las mentes, paragenerar y darle utilidad al conocimiento, y lospaíses que no se interesen en darle a sus recursoshumanos una adecuada formación en cienciashumanos una adecuada formación en cienciasnaturales, matemática e ingenierías, manteniendosu creatividad base del diseño y fuente deinnovación, no podrán sustentar su desarrollo ycondenaran a ésta y a las próximas generacionesde sus ciudadanos a vivir en la ignorancia y lapobreza”.