Download CONTACTO NUCLEAR 35

Entorno nuclear
NANOTECNOLOGÍA:
arte de manipular la materia átomo por átomo
Por Demetrio Mendoza Anaya
(dma@nuclear.inin.mx)
El potencial para aplicar la
nanotecnología a dispositivos y bienes de uso común es inmenso, lo
cual se hará patente en las próximas décadas.
Desde que el hombre tuvo uso de razón,
ha procurado mejorar su manera de vivir, lo
que le condujo a explotar los recursos naturales y transformarlos a su mejor conveniencia. Además de tomar lo que la naturaleza le ofrece, también se ha preocupado
por crear nuevos materiales con propiedades específicas. Producto de esta inquietud es lo que ahora conocemos bajo el nombre de «nanociencia», y aunque resulta difícil entender dicho concepto, las
implicaciones que está teniendo en la actividad humana son cada vez más evidentes.
Pero, ¿qué es la nanociencia?
La nanociencia (aunque se ha extendido
mucho más el término “nanotecnología”
dado que incluye tanto a la investigación
básica, como a la aplicada [1], por lo que en
lo subsiguiente utilizaremos este último) se
puede definir como el conjunto de saberes
3 8 Contacto
Nuclear
y metodologías dirigidos a estudiar, fabricar
y caracterizar estructuras funcionales con
dimensiones inferiores a unas pocas decenas de nanómetros (un nanómetro es igual
a 0.000000001m). El estudio de dichas estructuras incluye métodos de síntesis, el
análisis de propiedades estructurales, mecánicas, eléctricas, magnéticas, químicas, el
estudio de interacción con otras
nanoestructuras, su interacción con ondas
electromagnéticas, su interacción con medios biológicos, etc.
La nanotecnología fue formalmente reconocida por primera vez como un campo de
investigación viable en la conferencia titulada «There’s Plenty of Room at the Bottom»
(Queda mucho espacio en lo fundamental),
impartida por Richard P. Feynman el 29 de
diciembre de 1959 en la reunión anual de
la American Physical Society [2]. En su charla, Feynman describió cómo las leyes de la
naturaleza no limitan nuestra habilidad de
trabajar a nivel molecular, átomo por átomo,
aseverando que las leyes de la mecánica
cuántica no excluían la posibilidad de construir máquinas del tamaño de moléculas.
Pero, ¿qué ventajas tiene trabajar átomo por
átomo?; primero, que se obtienen estructuras más pequeñas, lo que da enormes ventajas. Sin embargo, hay algo más importan-
X
Sonda de contacto del microscopio de fuerza atómica. Gracias a
su diminuta punta, es posible trabajar en la escala nanométrica,
incluso manipulando átomos.
Nanopartículas de Fe3O4 con propiedades ferromagnéticas para
catálisis y almacenamiento de información (cortesía: I. MartínezMera).
te, y es que al aproximarse al límite atómico, se rebasa el límite de la física clásica y
el comportamiento de los materiales es
completamente diferente al de su estado
macroscópico. De esta manera cualquier
material, sea metal, aislante, líquido o sólido tendrá propiedades de dureza, elasticidad, conductividad térmica, magnética y
eléctrica, no solo diferentes, sino bajo ciertas condiciones, mucho mejores cuando
está ubicado en el rango de la escala
nanométrica. Otra importante ventaja es
que permite diseñar y construir sistemas
con características particulares para aplicaciones específicas. Así por ejemplo, una propiedad de los materiales tales como los
cerámicos y los metales a escala
nanométrica, es la alta relación área/volumen, lo que representa un potencial para
la aceleración de reacciones catalíticas y
las separaciones bioquímicas y farmacéuticas, aunque dicha propiedad puede también ser aplicada para tratamientos
anticorrosivos,
antideslizantes
y
superadherentes. Así, áreas relacionadas
con el medio ambiente, salud, energía e
industria se verán altamente beneficiadas.
A través del desarrollo nanotecnológico es
posible fabricar estructuras electrónicas a
escala nanométrica como dispositivos
láseres, conmutadores ultrarrápidos, dispositivos de memoria para computadoras con
alta capacidad de almacenamiento de datos y nanotransistores, de gran utilidad en
la optoelectrónica, informática y comunicaciones. En otras áreas como la ingeniería
molecular se ve la posibilidad de producir
biosensores que puedan implantarse en
humanos y animales para monitorear el
estado de salud y administrar dosis controladas de medicamentos. Más aún, imitando a la naturaleza, el autoensamblaje de
nanopartículas en forma periódica similar
a la de los materiales cristalinos es una alternativa que se esta considerando en la
industria electrónica [3,4]. Adicionalmente
se explora la posibilidad de que nanohilos
y nanotransistores se autoensamblen, y que
después se autoordenen de manera espontánea para conformar unidades lógicas
y circuitos. Así podrán formarse miles de
millones de dispositivos de manera rápida
y barata.
Contacto
X
Nuclear 39
Gracias a diversos logros científicos, la
nanotecnología ha dejado ser una mera
promesa para convertirse en una realidad.
De estos logros se pueden mencionar la
invención de los microscopios de tunelaje
y fuerza atómica, que permitieron la visualización y manipulación en la escala atómica; el descubrimiento de los fulerenos (moléculas de 60 átomos de carbono) y
nanotubos de carbono y de ciertos metales, dotados de alta resistencia mecánica y
flexibilidad, y la manipulación de
nanopartículas con propiedades magnéticas que permiten la grabación de datos en
dispositivos de menor tamaño.
Sin embargo, a nivel mundial, los grupos
de investigación dedicados a las diferentes
áreas de la nanotecnología están conscientes de que aún queda mucho por investigar, sobre todo porque resultará esencial
para impulsar la innovación tecnológica, el
desarrollo de dispositivos y sistemas, favoreciendo así el desarrollo sustentable y la
competitividad en sectores tales como los
de energía, transporte, medicina, electrónica, fotónica y construcción. Dada la impor-
a
tancia de controlar la materia a un nivel
nanoscópico en temas relacionados con el
medio ambiente, salud, energía e industria,
no hay duda de que las implicaciones sociales derivadas de la nanotecnología pueden ser muy profundas y de gran impacto.
El potencial para aplicar la nanotecnología
a dispositivos y bienes de uso común es
inmenso y esto se hará patente en las
próximas décadas. Países como Estados
Unidos, Japón y varios países europeos destinan cientos de millones de dólares para
el desarrollo de estas áreas porque están
seguros que serán relevantes para mantener su hegemonía económica y tecnológica. Por ejemplo, en enero de 2000 el Congreso de los Estados Unidos aprobó una
iniciativa nacional de nanotecnología con
recursos iniciales de 422 millones de dólares, los que se incrementaron a 463 millones en 2001, a 604 millones en 2002 y a
710 millones en 2003, dedicando el 70%
de estos recursos a centros de investigación y universidades para impulsar el desarrollo de nanoestructuras destinadas a
X
las aplicaciones tecnológicas.
b
Nanopartícula bimetalica Au/Pt. (a) Imagen de HRTEM, (b) imagen simulada de la nanopartícula,
(c) imagen simulada de HRTEM (cortesía: M. Pérez-Alvarez).
4 0 Contacto
Nuclear
c
Nanopartículas de Au autoensambladas en silica mesoporosa
para aplicaciones ópticas (Cortesia: M. E. Espinosa-Pesqueira y C.
E. Gutiérrez-Wing).
control en los parámetros de síntesis. Se han
obtenido nanopartículas metálicas de Au, Ni,
Cu, Co y Fe, las cuales han sido incorporadas en soportes cerámicos. También se trabaja en el crecimiento de nanopelículas y
en la síntesis de nanotubos de carbón, entre otros. Asimismo, se analizan propiedades ópticas y catalíticas o ferromagnéticas,
principalmente. Muchos de los resultados
obtenidos han logrado publicarse en diversas revistas de circulación internacional [57], además de presentarse en diversos foros
especializados nacionales e internacionales
logrando buena aceptación. ’
Referencias
No obstante que en países subdesarrollados como México, ya existen grupos de investigación que trabajan en algunas áreas
de la nanotecnología y que con pocos recursos económicos obtienen resultados de
un nivel que compite con otros grupos internacionales, no cuentan todavía con una
iniciativa que apoye esta área estratégica
para desarrollar aplicaciones que puedan
repercutir en beneficio de la sociedad y de
la economía. Por ello, sus gobiernos deben
apoyar la nanotecnología a través de proyectos de corto, mediano y largo plazo para
evitar la dependencia tecnológica, considerando, sobre todo, que la nanotecnología
es una ciencia que comienza a impactar
en todos los ámbitos de la vida.
En el Instituto Nacional de Investigaciones
Nucleares (ININ) existen grupos que de
manera directa o indirecta están ya trabajando en la síntesis y caracterización de
materiales nanoestructurados, logrando un
1. Richard W. Siegel, Evelyn Hu, Donald M. Cox, Herb
Goronkin, Lynn Jelinski, Carl C. Koch, John Mendel, M. C.
Roco David T. Shaw. Nanostructure Science and Technology: R & D Status and Trends in Nanoparticles,
Nanostructured Materials, and Nanodevices. A Worldwide Study Prepared under the guidance of IWGN and
NSTC, copyright: 1999 by Loyola College in Maryland.
2. R. Feynman. “There´s plenty of room at the bottom”.
Talk at the annual meeting of the American Physical
Society at the California Institute of Technology, given on
December 29th (1959). http://www.zyvex.com/nanotech/
feynman.html.
3. E. Drexler. Engines of Creation. The Coming Era of
Nanotechnology. Foreword by Marvin Minsky,
Massachusetts Institute of Technology (1986).
4. Douglas Mulhall. “Our Molecular Future”. Prometheus
Books, 59 John Glenn Drive, Amherst, New York.
5. J. M. Montejano, J. L. Rodríguez, C. Gutiérrez Wing, M.
Miki, M. Jose-Yacamán, “Crystallography and shape of
nanoparticles and clusters: Geometrical Analysis, image
and diffraction simulation and high resolution images”
Capitulo en Encyclopedia of Nanoscience and
Nanotechnology Editado por H. S. Nalwa, American
Scientific Publishers, Vol. 2, 237-282 (2004).
6. Domingo García-Gutiérrez, Claudia Gutiérrez-Wing,
Mario Miki-Yoshida, Miguel José-Yacamán “HAADF study
of Au-Pt Core-shell Bimetallic Nanoparticles”. Para su
publicación en Applied Physics A, Ene 2004.
7. D. Mendoza-Anaya, C. Ángeles, P. Salas, R Rodríguez
and V. M. Castaño. “Nanoparticle-enhanced
Thermoluminescence in Silica Gels”. Nanotechnology 14
(2003) L1–L4.
8. R. Pérez-Hernández, J. Arenas-Alatorre, D. MendozaAnaya, A. Gómez-Cortés, G. Díaz. Efecto de la Titania en
Circonia Sintetizada por Sol-gel como Soporte Catalítico
del CuO. Revista Mexicana de Física (2004), L1-L4.
Contacto
Nuclear 41