Conocimientos sobre nanómetros.
Nano es una unidad de medida de tamaño o dimensión, la milmillonésima parte de un metro (kilómetro → metro → centímetro → milímetro → micrón → nanómetro), que es cuatro veces el tamaño de un átomo y es el tamaño de un cabello humano. La nanotecnología se refiere a la creación de objetos de no más de unos pocos cientos de nanómetros de tamaño y tan anchos como docenas de átomos agrupados.
La nanotecnología y su contenido de investigación
La nanociencia y tecnología es el estudio del rango desde una millonésima de metro (10-8) hasta una millonésima de metro (10-9 ) El movimiento y los cambios de átomos, moléculas y otros tipos de materia. Al mismo tiempo, la manipulación y procesamiento de átomos y moléculas en este rango de escala también se conoce como nanotecnología. Los átomos se organizan uno por uno utilizando la punta de un microscopio de efecto túnel para formar caracteres chinos, que tienen sólo unos pocos nanómetros de tamaño. El contenido de investigación de la nanotecnología incluye: crear y preparar nanomateriales con excelentes propiedades, diseñar y preparar diversos nanodispositivos y dispositivos, y detectar y analizar las propiedades y fenómenos de áreas a nanoescala.
Objetivos de la investigación y posibles aplicaciones de la nanotecnología.
Materiales y preparaciones: más ligeros, más resistentes y diseñables; larga vida útil y bajos costos de mantenimiento; uso de nuevos principios y nuevas estructuras para construir materiales con propiedades específicas o materiales que no existen en la naturaleza a nivel nanométrico; Biomateriales y materiales biomiméticos; diagnóstico y reparación de daños a nanoescala durante fallas de materiales;
Microelectrónica y tecnología informática: en 2010 se fabricarán chips de línea de 100 nm. Los objetivos de la nanotecnología son: microprocesadores nanoestructurados con una eficiencia aumentada en un millón de veces; sistemas de red de alta frecuencia con 10 veces el ancho de banda; memoria de megabits (aumentada en 1000 veces; sistemas de nanosensores integrados);
y tecnología eficiente de secuenciación del genoma, diagnóstico genético y terapia genética en el campo de la medicina y la salud; nuevos métodos de medicación y tecnología de "misiles" de medicamentos, tejidos y órganos artificiales duraderos y amigables para los humanos para restaurar la visión y el diagnóstico temprano de enfermedades; Sistemas de nanosensores
Bajo consumo de energía, resistencia a la radiación, computadoras aeroespaciales y de aviación de alto rendimiento; pruebas nanométricas, equipos electrónicos y de control para micronaves espaciales; materiales de recubrimiento nanoestructurados con barrera térmica y resistencia al desgaste.
Medio Ambiente y Energía desarrollan tecnologías de tratamiento ambiental y energía verde para reducir la contaminación y restaurar el medio ambiente dañado. Los materiales nanoporosos con un tamaño de poro de 65438 ± 0 nm sirven como portadores de catalizadores. Los materiales nanoporosos ordenados por MCM-41 (tamaño de poro 10-100 nm) son se utiliza para eliminar la suciedad; materiales poliméricos modificados con nanopartículas
La biotecnología y la agricultura preparan proteínas bioactivas, ribosa, ácidos nucleicos, etc. Según tamaño, simetría y disposición predeterminados, a escala nanométrica. Los biomateriales se implantan en nanomateriales y dispositivos para producir propiedades integrales con funciones biológicas y de otro tipo. Productos químicos biomiméticos y materiales biodegradables, modificación y tratamiento genético de animales y plantas, chips genéticos para determinación de ADN, etc.
Introducción a la nanotecnología
Nano: unidad de longitud, 1 nanómetro = 10-9 metros, que es la milmillonésima parte de un metro. Aproximadamente un octavo del grosor de un cabello humano. "Nano" proviene del latín y significa "corto". Nano es realmente pequeño, pero el mundo construido por nano es mágico y grandioso. En el siglo XXI, las ciencias y la tecnología de la información, las ciencias y la tecnología de la vida y la nanociencia y la tecnología son la corriente principal del desarrollo científico y tecnológico. Generalmente se cree que la nanotecnología es también la base para un mayor desarrollo de las tecnologías de la información y las ciencias de la vida. La revolución tecnológica promovida por la nanotecnología tiene un impacto mucho mayor en la humanidad que la tecnología electrónica.
Nanotecnología: Magia Sutil
La nanotecnología consiste en crear nuevos materiales y dispositivos y aprovechar al máximo sus propiedades especiales controlando la reacción, transferencia y transformación de sustancias a nanoescala. fenómenos y leyes del movimiento material a nanoescala. Debido a que los nanómetros están justo entre el mundo microscópico representado por los átomos y las moléculas y el mundo macroscópico representado por el espacio de la actividad humana, se le llama nanomundo. También es un nuevo territorio para el desarrollo de la física, la química, la ciencia de los materiales, las ciencias de la vida y la ciencia. ciencia de la información. Los nanomateriales contienen múltiples átomos y moléculas, lo que permite el diseño y preparación de materiales y dispositivos a nivel atómico. Cuando se "agrupan" docenas de átomos y moléculas o miles de átomos y moléculas, exhiben propiedades diferentes de las de los átomos y moléculas individuales, y también diferentes de las de los objetos grandes. Esta "combinación" se denomina "supramolécula" o "molécula artificial". El punto de fusión, el magnetismo, la capacitancia, la conductividad, la luminiscencia, el color, la solubilidad en agua y otras propiedades de las moléculas supramoleculares han sufrido grandes cambios.
Cuando las "supramoléculas" continúan creciendo de la forma habitual o se agregan en grandes trozos de material, sus propiedades peculiares se pierden nuevamente. En general, los nanomateriales pueden considerarse, por un lado, como una especie de "supermolécula" que manifiesta plenamente efectos cuánticos, y por otro, también como una "sustancia macroscópica" muy pequeña, que presenta características sin precedentes. Al mismo tiempo, muchas reacciones químicas y biológicas también ocurren a nanoescala, por lo que detectar cambios en las propiedades físicas, químicas y biológicas a nanoescala profundizará la comprensión de las ciencias de la vida. Comprender nuevos patrones en sistemas compuestos por pequeñas cantidades de electrones, átomos o moléculas, y cómo manipularlos o combinarlos, es uno de los principales problemas de la nanotecnología actual. En la actualidad, la investigación y aplicación de la nanotecnología se centran principalmente en los campos de materiales y preparación, microelectrónica y tecnología informática, medicina y salud, aeroespacial y aviación, medio ambiente y energía, biotecnología y agricultura.
Nanomateriales: la vanguardia de la ciencia de los materiales
En el desarrollo de la nanotecnología, los nanomateriales son sus precursores porque los nanomateriales encarnan las características del desarrollo científico y tecnológico moderno, como su pequeño tamaño, una estructura compleja, alta integración, fuerte interacción y alta superficie específica. Cabe señalar que los nanomateriales son una de las mejores ocasiones para la ingeniería o tecnología de efectos mecánicos cuánticos, y pueden producir fenómenos físicos y químicos completamente nuevos. Ahora es posible preparar "partículas" que contengan sólo unos pocos cientos o miles de átomos y moléculas mediante métodos físicos, químicos y biológicos. Estas "partículas" tienen un tamaño de sólo unos pocos nanómetros y reaccionan fácilmente con gases externos, fluidos e incluso átomos sólidos, es decir, son muy activas. Los experimentos han descubierto que si el cobre o el aluminio se convierten en varias nanopartículas, se quemarán y explotarán cuando se expongan al aire. Algunas personas piensan que el combustible sólido elaborado a partir de polvo de nanopartículas tendrá un mayor impulso. Además, el uso de polvo de partículas metálicas nanométricas como catalizador puede acelerar el proceso de reacción química y aumentar considerablemente el rendimiento de la síntesis química.
Si el polvo de partículas de nanomaterial metálico se convierte en un material metálico a granel, se volverá muy fuerte, diez veces más fuerte que el metal ordinario, y también puede ser tan elástico como el caucho. La gente imagina que algún día los coches, aviones o barcos se fabricarán con estos materiales de nanoacero o nanoaluminio, de modo que su peso se reducirá a 1/10 de su peso original. No solo eso, los motores de los automóviles o los aviones utilizan materiales plásticos nanocerámicos, que pueden funcionar a temperaturas más altas. Los automóviles pueden funcionar más rápido y los aviones pueden volar más alto.
La mayor capacidad de las nanopartículas de óxido es la de cambiar rápidamente de color bajo la acción de un campo eléctrico o la irradiación de luz. Por lo general, los espejos fotocromáticos que usan las personas son lentos, pero los espejos fotocromáticos hechos de nanomateriales son diferentes. Cambian de color rápidamente y son mejores como espejos láser protectores para los soldados. Las vallas publicitarias hechas de materiales de nanoóxido se volverán más coloridas bajo la acción de la electricidad y la luz.
El mayor uso de los nanomateriales semiconductores es que pueden emitir luz de varios colores y convertirse en fuentes de luz láser ultrapequeñas. También puede absorber la energía luminosa del sol y convertirla directamente en energía eléctrica. Una vez que se implemente esta tecnología, los automóviles y casas solares se convertirán en una realidad. Se ha aplicado el uso de nanomateriales semiconductores especiales para la desalinización del agua de mar; varios sensores fabricados con nanomateriales semiconductores pueden detectar con sensibilidad cambios en la temperatura, la humedad y la composición atmosférica, y se han aplicado en los gases de escape de los automóviles y en la protección del medio ambiente atmosférico.
El material de nanotubos de carbono que los científicos están estudiando actualmente es un material muy singular. Es una "fibra" en forma de jaula formada al rizar una o varias capas de átomos de carbono en grafito. Es hueca por dentro y tiene un diámetro exterior de sólo unos pocos a decenas de nanómetros. Este material tiene 1/6 de la densidad del acero pero es 100 veces más resistente. Lo mejor es utilizar este material ligero, suave y muy resistente como armadura corporal. Si se utilizaran nanotubos de carbono como cuerda, sería la única cuerda que podría izarse desde la Luna hasta la superficie de la Tierra sin romperse por su propio peso. Si se utilizara como ascensor para las personas en la Tierra y la Luna, sería fácil para las personas establecerse en la Luna. Las puntas delgadas de los nanotubos emiten electrones fácilmente y pueden usarse como cañones de electrones, que pueden convertirse en pantallas de televisión montadas en la pared de varios centímetros de espesor. Esta es una nueva dirección en la fabricación de televisores.
Utilizando la nanotecnología, también podemos utilizar nuevos principios y nuevas estructuras para construir materiales con propiedades específicas o materiales que no existen en la naturaleza a nivel nanométrico, crear biomateriales y materiales biomiméticos, y diagnosticar y reparar daños materiales. Daño a nanoescala en .
Nanodispositivos: revolucionando las tecnologías de la información
Otra importante área de investigación de la nanotecnología es el diseño y preparación de nuevas nanoestructuras y nanodispositivos.
Así como los dispositivos microelectrónicos reemplazaron a los dispositivos de tubos de vacío y revolucionaron la tecnología de la información hace 30 años, las nanoestructuras revolucionarán nuevamente la tecnología de la información.
Si los electrones en movimiento libre quedan atrapados en una pequeña nanopartícula, o en un alambre metálico corto y muy delgado de sólo unos pocos nanómetros de ancho, sucederá algo muy extraño. Debido a que el movimiento de los electrones en las partículas es limitado, el estado del electrón que puede tener continuamente cualquier impulso por debajo del impulso de Fermi se convierte en solo un cierto valor de impulso, es decir, el impulso o la energía del electrón está cuantificado. El resultado más directo de la cuantificación de la energía de los electrones libres es: cuando se aplica un voltaje adecuado a ambos extremos de las partículas metálicas, las partículas metálicas conducen electricidad; cuando el voltaje es inadecuado, las partículas metálicas no conducen electricidad; De este modo, la ley de Ohm, considerada clásica en el mundo macro, ya no es válida en el mundo nano. Hay otro fenómeno extraño. Cuando una partícula de metal tiene carga negativa, su fuerza de Coulomb es suficiente para repeler el siguiente electrón del circuito externo hacia la partícula de metal, cortando así la continuidad del flujo de corriente. Esto pone en duda si sería posible desarrollar dispositivos electrónicos controlados por un electrón, los llamados dispositivos monoelectrónicos. El tamaño de un solo dispositivo electrónico es muy pequeño. Si se integran en chips de computadora, la capacidad y la velocidad de computación de la computadora aumentarán muchas veces. Sin embargo, las cosas no son tan sencillas como la gente piensa. De hecho, los electrones atrapados no son tan honestos. Según las leyes de la mecánica cuántica, a veces pueden escapar a través de las "paredes" de la prisión, lo que haría incontrolables los movimientos del chip. Al mismo tiempo, se necesitan nuevos diseños para convertir dispositivos electrónicos individuales en circuitos integrados. Por tanto, aunque los dispositivos electrónicos se han implementado en el laboratorio, pasará tiempo hasta que se utilicen realmente en la industria.
Otro aporte de los electrones atrapados en un tamaño pequeño es que hacen que el material emita luz intensa. Los "láseres de matriz de puntos cuánticos" o "láseres en cascada" son de tamaño pequeño pero emiten luz de alta intensidad. Se pueden accionar con voltajes muy bajos para producir luz azul o verde, y la densidad de almacenamiento del disco se puede aumentar varias veces cuando se usa para lectura y escritura. Si se utilizan pequeños puntos cuánticos que atrapan átomos para almacenar datos y se convierten en un disco cuántico, el nivel de almacenamiento se puede aumentar miles de veces, lo que supondrá una revolución en la tecnología de almacenamiento de información.
Nanoprocesamiento: a la espera de que los humanos demuestren sus talentos
Para poder estudiar y aplicar los resultados de la investigación de la nanociencia, primero debemos poder cortar y organizar libremente los materiales según las preferencias de las personas. deseos en el mundo a nanoescala. Esta tecnología se llama tecnología de nanofabricación. De hecho, por un lado, la tecnología de nanoprocesamiento es una base importante para los nanomateriales, por otro lado, la tecnología de nanoprocesamiento contiene muchas cuestiones de nanociencia que la gente aún no ha entendido claramente; Por ejemplo, en un agujero o alambre de unos pocos nanómetros de espesor, la difusión de los átomos es muy diferente a la del mundo macroscópico. En términos generales, el camino libre del movimiento atómico es de unas pocas micras. A esta distancia, los átomos chocan y el efecto de las paredes difusoras de calor es insignificante. En los nanoporos o nanocables, la difusión de los átomos se logra principalmente mediante colisiones con las paredes de los poros. Para otro ejemplo, generalmente se cree que la fuerza de fricción cuando los objetos se mueven entre sí proviene principalmente de la irregularidad de la superficie del objeto, es decir, cuanto más lisa es la superficie del objeto, menor es la fuerza de fricción entre ellos. Cuanto más pequeña sea la superficie del nanomaterial, más cercana será la distancia entre ellos, de modo que los átomos de la superficie de los dos materiales estarán unidos químicamente, creando resistencia al movimiento mutuo. Por lo tanto, en el nanomundo, todo procesamiento debe considerarse a nivel de tamaño atómico. La tecnología de nanofabricación puede integrar diferentes materiales. Tiene la función de un chip y puede detectar ondas electromagnéticas y ondas de luz (incluidas señales de luz visible, luz infrarroja y luz ultravioleta) y puede completar comandos de computadora al mismo tiempo. Si se instala un dispositivo integrado de este tipo en un satélite, el peso del satélite se puede reducir considerablemente, lo que hace que su lanzamiento sea más fácil y rentable. Actualmente, ya se está considerando la posibilidad de utilizar satélites "Bird" para sustituir parcialmente los sistemas de satélite existentes.