¿Qué es la nanotecnología?
La nanotecnología es una tecnología de vanguardia que pero existe desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, una característica de la superficie del loto es que el lodo no se adhiere a ella. La estructura fina y la rugosidad de la superficie del loto están dentro del rango de la nanoescala, lo que dificulta la absorción de lodo y polvo. La flor de loto emerge del barro sin mancharse. Es natural y es mejor que cualquier tecnología de limpieza humana. Esta nanoestructura y fenómeno físico de autolimpieza en la superficie del loto se llama efecto loto.
La nanotecnología es el estudio de los fenómenos a nanoescala y el control de la materia, especialmente la extensión de las tecnologías existentes a nanoescala. El mundo de la nanotecnología es una colección de átomos, moléculas, polímeros, puntos cuánticos y polímeros, dominados por efectos de superficie como las fuerzas de van der Waals, enlaces de hidrógeno, cargas eléctricas, enlaces iónicos, ** enlaces de valencia, hidrofobicidad, hidrofilicidad y túneles cuánticos. efecto, mientras que los efectos macroscópicos como la inercia y la turbulencia son demasiado pequeños para ignorarlos. Por ejemplo, cuando la relación entre el área de superficie y el volumen aumenta dramáticamente, surgen nuevas posibilidades para la ciencia basada en superficies, como la química catalítica.
La búsqueda continua de lo diminuto ha llevado a la creación de nuevas herramientas, como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía de efecto túnel. Combinados con procedimientos de precisión como la litografía por haz de electrones, estos dispositivos nos permitirán manipular y generar nanoestructuras con precisión. Nanomateriales, ya sea que se fabriquen de arriba hacia abajo (el método principal para reducir el bloque a la escala nanométrica es obtener la forma más pequeña posible cortando, grabando, rectificando y otras operaciones en el bloque (como el mecanizado de ultraprecisión, la dificultad es obtener La microestructura debe ser precisa) o hecha de abajo hacia arriba (compuesta por átomos o moléculas. Los principales métodos son la síntesis química, el autoensamblaje y el ensamblaje posicional. La dificultad radica en lograr una calidad eficiente y estable a escala macro). , no sólo una mayor miniaturización. La cuantificación de la energía de los electrones en un objeto también comienza a afectar las propiedades del material. Se trata del llamado efecto de escala cuántica, que describe las propiedades físicas de los electrones en una sustancia después de su escala. Este efecto no es causado por cambios de escala macro a micro, pero juega un papel muy importante en la nanoescala. Cuando las sustancias están en la nanoescala, se vuelven muy diferentes de las sustancias en la macroescala. las sustancias se vuelven transparentes (cobre), las sustancias inertes se convierten en catalizadores (platino), las sustancias estables se vuelven inflamables (aluminio), los sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (oro) y los aislantes se vuelven conductores (silicio). La magia de la nanotecnología radica en sus fenómenos cuánticos y superficiales a escala nanométrica, por lo que puede tener muchas aplicaciones importantes y producir muchos materiales interesantes.
Aplicaciones de la nanotecnología
La nanotecnología se ha logrado con éxito. utilizado en muchos campos, incluidos medicina, farmacia, pruebas químicas y biológicas, fabricación, óptica y defensa nacional. Esta entrada es un resumen general de las aplicaciones de la nanotecnología, incluidos los siguientes campos:1. de la nanotecnología en microelectrónica, electricidad y otros campos 3. Aplicación de la nanotecnología en la fabricación 4. Aplicación de la nanotecnología en biología, medicina y farmacia 5. Nano Aplicación de la tecnología en monitoreo químico y ambiental 6. Aplicación de la nanotecnología en energía, transporte y otros campos 7. Aplicación de la nanotecnología en la agricultura 8. La tela de fibra química es rígida y fuerte, pero tiene una molesta electricidad estática y se le agrega una pequeña cantidad de nanopartículas metálicas que se pueden eliminar usando nanomateriales, los refrigeradores pueden ser antibacterianos. La vajilla esterilizada y los productos de envasado de alimentos esterilizados se pueden convertir completamente en agua limpia, que cumple totalmente con los estándares de bebida. Color, fragancia y salud. La aplicación de nanotecnología puede aumentar 10 veces la lavabilidad de los revestimientos de las paredes. Las baldosas cerámicas se pueden fabricar recubriendo la superficie de las baldosas de vidrio y cerámica con una fina capa de nanómetros, sin necesidad de frotar. Los materiales de construcción que contienen nanopartículas también pueden absorber los dañinos rayos ultravioleta. Se espera que se conviertan en materiales ideales para piezas de motores como automóviles, barcos y aviones, que pueden mejorar en gran medida la eficiencia y el funcionamiento de los motores. La longevidad y la confiabilidad pueden proporcionar a los conductores información sobre el tráfico en cualquier momento para ayudarlos a conducir con seguridad.
Los microdispositivos de administración de fármacos fabricados con nanotecnología pueden transportar una determinada dosis de fármaco y llegar con precisión a las lesiones bajo la guía de señales electromagnéticas fuera del cuerpo, ejerciendo eficazmente efectos terapéuticos y reduciendo las reacciones adversas a los fármacos. Los microrobots fabricados a partir de nanomateriales son más pequeños que los glóbulos rojos. Al inyectarlos en los vasos sanguíneos de un paciente, pueden eliminar los coágulos de sangre en los vasos sanguíneos del cerebro. Elimina grasa y depósitos de las arterias del corazón y también "mastica" cálculos del sistema urinario. La nanotecnología será una buena ayuda para una vida sana. Las perspectivas de aplicación de la nanotecnología son muy amplias y los beneficios económicos enormes. Autoridades estadounidenses predicen que el mercado de la nanotecnología alcanzará los 144 mil millones de dólares en 2010, y que la aplicación de la nanotecnología en el futuro superará con creces la de la industria informática. Los nanocompuestos, la modificación de plásticos, caucho y fibras, y el diseño y aplicación de materiales de recubrimiento nanofuncionales inyectarán nuevo contenido de alta tecnología en la producción y los productos tradicionales. Los expertos señalan que en los campos de los textiles, materiales de construcción, productos químicos, petróleo, automóviles, equipos militares, equipos de comunicaciones y otros campos, inevitablemente se producirá una "revolución de los materiales" provocada por la nanotecnología. Actualmente, cerca de 65.438.000 empresas en China han registrado nanomateriales y nanotecnología y han establecido más de 65.438.000 líneas de producción de nanomateriales y nanotecnología. Se han producido en masa nanotelas y prendas de vestir, como ropa de trabajo informática, ropa antiestática, ropa anti-UV, etc. El nuevo revestimiento que utiliza nanotecnología no sólo mejora más de diez veces la resistencia al lavado, sino que además no es tóxico, es inofensivo y no tiene olores. La nanotecnología está mejorando y potenciando la calidad de vida de las personas.
Nanociencia y tecnología
La nanociencia y tecnología incluye principalmente física de nanosistemas, nanoquímica, nanomateriales, nanobiología, nanoelectrónica, nanoprocesamiento, nanomecánica, etc.
Nanotecnología
La nanociencia y tecnología es una disciplina de alta tecnología que estudia los patrones de movimiento y las características de electrones, átomos y moléculas en el espacio de escala de 0,1 nm ~ 100 nm. La nanociencia y la tecnología abarcan la nanofísica, la nanoelectrónica, los nanomateriales, la nanomecánica, la nanofabricación, el nanomicroscopio, la nanometrología, la nanoquímica, la nanobiología y la nanomedicina. La nanotecnología nació de la combinación de la física moderna y la tecnología de ingeniería avanzada. Es una tecnología de alta tecnología estrechamente relacionada con la investigación básica y la exploración de aplicaciones.
Medicina tradicional china nanoantitrombótica
Los ingredientes de la medicina tradicional china recubiertos con una interfaz nanosinérgica binaria lipófila permitirán un tratamiento más eficaz de las enfermedades cardiovasculares y cerebrovasculares, la amenaza número uno para la salud humana. Y hará que la medicina tradicional china, una parte importante de la civilización china, llegue al mundo. Debido a que estas medicinas nanochinas tendrán millones de veces la actividad física (efecto terapéutico) de las medicinas chinas comunes, pueden alcanzar sin obstáculos la embolia de los vasos sanguíneos y las lesiones tisulares causadas por la acumulación de grasa y disolverse con la grasa debido a su afinidad, mientras liberan sustancias terapéuticas. efectos de los ingredientes activos, mejorando así la dirección de los medicamentos millones de veces.
Membrana nanoporosa
La membrana nanoporosa preparada utilizando la plataforma tecnológica de nanointerfaz sinérgica binaria resolverá por completo el problema de la delicuescencia y el desprendimiento de pinturas y revestimientos, y puede producir convenientemente en masa nanopartículas con respiración. Los revestimientos impermeables y las membranas de nanoultrafiltración con diálisis inversa han traído cambios revolucionarios a la vida diaria humana e incluso a la tecnología de desalinización de agua de mar, resolviendo fundamentalmente el problema cada vez más grave de la escasez de agua de la humanidad.
Nano materiales de reparación
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 para crear materiales biológicos. Materiales y materiales biomiméticos que diagnostican y reparan daños a nivel nanométrico durante la destrucción del material. En la actualidad, los nanomateriales se utilizan cada vez más en los campos de la instrumentación, la cosmética, la medicina, la imprenta, la fabricación de papel, la electrónica, las comunicaciones, la construcción y el ejército.
Tratamiento y revestimiento de superficies nano autolimpiantes
Si se combinan partículas de nano materiales transparentes, oleofóbicas e hidrofóbicas en la superficie de un edificio o en baldosas de cerámica y vidrio, el edificio No contaminados por el aceite del aire, las baldosas cerámicas y el vidrio siempre serán transparentes porque no se mancharán con el vapor de agua. Cualquier sustancia adherida a la superficie será catalizada por el nanorrevestimiento cuando se exponga a la luz solar y se convertirá en un gas que se puede evaporar o una sustancia que se puede limpiar fácilmente, de modo que el edificio ya no siempre estará sucio y el El baño de la casa ya no está sucio. Tampoco es necesario limpiar el equipo todos los días. Al colocar este tipo de nanopartículas en las fibras de la tela, la ropa no se manchará de polvo, lo que ahorrará muchos problemas al lavar la ropa. La mayor capacidad de las nanopartículas de óxido es cambiar rápidamente de color bajo la acción de un campo eléctrico o la irradiación de luz.
Las gafas fotocromáticas que usa la gente común son lentas, pero las gafas fotocromáticas hechas de nanomateriales son diferentes. Cambian de color rápidamente y son mejores como gafas protectoras láser para los soldados.
Nuevas fuentes de nanoluz y convertidores solares
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, pueden convertirse en fuentes de luz láser ultrapequeñas y también pueden absorber la energía luminosa de la luz solar y convertirla directamente en energía eléctrica. Una vez que se implemente esta tecnología, los automóviles y casas solares se convertirán en una realidad. Para entonces, el entorno de vida de la gente será mejor y el aire será más fresco.
Nanosensores
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. Los sistemas de nanodetección se pueden utilizar para el diagnóstico temprano de enfermedades, y los nanomateriales se pueden utilizar para crear tejidos y órganos artificiales duraderos y amigables para los humanos, dispositivos para la visión y la rehabilitación, mejorando así la calidad de vida de los pacientes.
Medicamentos nanoguiados y productos para el cuidado de la piel y la salud
Si se guían fuera del cuerpo humano, los nanofármacos pueden usarse para bloquear los capilares y matar de hambre a las células cancerosas, y el efecto de El tratamiento farmacológico mejorará enormemente. Las nanopartículas también se pueden usar para la separación o tinción de células en el cuerpo humano, y también se pueden usar para transportar ADN para el tratamiento de defectos genéticos. Si la nanomedicina se convierte en un yeso y se aplica en el área afectada, el medicamento puede absorberse directamente a través de la piel sin necesidad de inyección con aguja, reduciendo así la infección causada por la inyección. Los medicamentos o alimentos que el cuerpo humano no absorbe fácilmente, como las vitaminas, se convierten en nanopolvo o suspensión de nanopolvo, que el cuerpo humano absorbe fácilmente.
Tecnología de nanoprocesamiento
Para poder aplicar la investigación nanocientífica y sus resultados, los materiales deben cortarse y organizarse libremente según los deseos de las personas a nanoescala. Esta tecnología se llama tecnología de nanofabricación. De hecho, por un lado, la tecnología de nanoprocesamiento es una base importante para la aplicación de nanomateriales. Por otro lado, la tecnología de nanoprocesamiento también 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 longitud, las colisiones atómicas y la difusión térmica son insignificantes. 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. En el mundo nanométrico, las superficies de los materiales son tan pequeñas que los átomos en las superficies de los dos materiales están tan cerca que los átomos en las superficies de los dos materiales estarán unidos químicamente, creando resistencia al movimiento mutuo. Por tanto, en el mundo nanométrico, todas las tecnologías de procesamiento deben considerarse al nivel del tamaño atómico.
Nanocomponentes electrónicos
La tecnología de nanoprocesamiento puede integrar diferentes materiales. Tiene la función de un chip, puede detectar ondas electromagnéticas y ondas de luz (incluidas señales de luz visible, luz infrarroja y luz ultravioleta) y puede ejecutar instrucciones de computadora al mismo tiempo. Si este dispositivo integrado se instala en un satélite, el peso del satélite se puede reducir considerablemente. Actualmente, ya se está considerando la posibilidad de utilizar satélites "Bird" para sustituir parcialmente los sistemas de satélite existentes. Si se utilizan dispositivos nanointegrados en los satélites, el satélite "Bird" será más pequeño, más fácil de lanzar y de menor coste.
Aplicaciones de los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono son un material único y los científicos de todo el mundo están trabajando arduamente para estudiarlo. 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 es ligero pero resistente. Su densidad es 1/6 de la del acero, pero su resistencia es 100 veces mayor que la del acero. 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 desde la Tierra a la Luna, sería fácil para la gente colonizar la Luna. Las puntas delgadas de los nanotubos pueden emitir electrones fácilmente y pueden usarse como cañones de electrones. Se pueden convertir en pantallas de televisión de varios centímetros de espesor montadas en la pared. Esta es una nueva dirección en la fabricación de televisores.
Aplicaciones de los nanomateriales de actividad física ultraalta
Imaginemos que una "nanopartícula" contiene sólo cientos o miles de átomos y moléculas. Como regla general, la distancia entre átomos es de aproximadamente 0,2 nanómetros.
Se puede estimar que en una "partícula" cúbica con un tamaño de 1 nm, solo se pueden disponer 5 átomos en cada lado, y se pueden acomodar un total de 125 átomos, pero 98 de ellos están en la superficie. Sabemos que los átomos de la superficie sólo se ven afectados por los átomos del interior. Por lo tanto, reaccionan fácilmente con gases, fluidos e incluso átomos sólidos externos, lo que significa que son muy reactivos. Los experimentos han demostrado que si el cobre o el aluminio se convierten en varias nanopartículas, se quemarán y explotarán cuando se expongan al aire. Algunas personas creen que el combustible sólido hecho de polvo de nanopartículas tendrá mayor empuje y podrá usarse como combustible sólido para nuevos cohetes y explosivos de alta potencia. 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.
Nanomateriales de alta resistencia
Si las partículas de nanomateriales metálicos se convierten en materiales metálicos a granel, se volverán muy fuertes, diez veces más fuertes que los metales comunes, y también se pueden fabricar como Es tan elástico como el caucho. La gente imagina que en el próximo siglo algún día se podrán producir nanoacero y nanoaluminio con propiedades tan mágicas. Usar este material para fabricar coches, aviones o barcos reducirá el peso a 1/10. Para entonces, el peso de una motocicleta será de sólo 20 a 30 kilogramos. Los materiales cerámicos más utilizados en la vida diaria de las personas son duros y quebradizos. Simplemente significa que puede usarse como herramienta para cortar metal y quebradizo significa que no puede soportar impactos. Otra ventaja de la cerámica es que es resistente a altas temperaturas y no se deforma a temperaturas de hasta 10.000°C. En la actualidad, las cerámicas fabricadas a partir de polvos nanocerámicos han mostrado cierta plasticidad. Una vez que este problema se resuelva por completo, desempeñará un papel importante en el motor del automóvil. Eliminará por completo el sistema de enfriamiento del motor y permitirá que el motor funcione a una temperatura más alta. El automóvil funcionará más rápido y el avión volará más alto. .
Nanocomponentes de un solo electrón
Si un electrón que se mueve libremente queda atrapado en una pequeña nanopartícula, o en un cable metálico corto y muy delgado de sólo unos pocos nanómetros de ancho, están sucediendo cosas muy sorprendentes. que suceda. 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 aplicar un voltaje a través de las partículas metálicas. Cuando el voltaje es apropiado, 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 nanopartícula metálica obtiene un electrón extra del circuito externo, la partícula metálica queda cargada negativamente y su fuerza de Coulomb es suficiente para repeler el siguiente electrón del circuito externo hacia la partícula metálica, cortando la continuidad de la corriente. personas si pueden inventar un dispositivo electrónico controlado por electrones, el llamado dispositivo de un solo electrón. El tamaño de un solo dispositivo electrónico es muy pequeño. Una vez implementados, al integrarlos en chips de computadora, la capacidad y la velocidad de computación de las computadoras aumentarán millones de veces.
Nanoláseres y almacenamiento de información de alta densidad
De hecho, los electrones capturados no son tan "honestos". Según las leyes de la mecánica cuántica, a veces puede escapar a través de las "paredes" de la prisión. Por un lado, este fenómeno indica que las unidades lógicas de la nueva generación de chips no tendrán conexiones de cables, por lo que se necesitan nuevos diseños para convertir dispositivos electrónicos individuales en circuitos integrados. Por otro lado, la acción del chip se volverá incontrolable. En última instancia, en este caso, los electrones deberían considerarse "ondas" y no partículas. 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 un voltaje muy bajo para emitir 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 discos cuánticos, el nivel de almacenamiento se puede aumentar miles de veces, lo que supondrá una revolución en la tecnología de almacenamiento de información.
Lectura ampliada:
1265438+Los primeros 20 años del siglo XX fueron un período crítico para el desarrollo de la nanotecnología. Debido a las propiedades especiales de los nanomateriales, la aplicación de nanotecnología y nanomateriales en diversos campos de la producción industrial puede provocar cambios en el rendimiento del producto o mejorarlo en gran medida. El uso de la nanotecnología para transformar las industrias tradicionales, especialmente la industria pesada, traerá nuevas oportunidades y hay mucho margen de expansión. Después de desarrollarse desde cero, la nanotecnología formó inicialmente una industria a gran escala.
Afectados por la crisis financiera internacional, el desarrollo de la tecnología de nanomateriales y las ventas de productos se han ralentizado. Al mismo tiempo, el desarrollo de esta industria puede ralentizarse debido a posibles impactos negativos en la salud humana y el medio ambiente, pero el tamaño del mercado de nanomateriales será considerable en el futuro. Para 2015, las ventas mundiales de nanotecnología y productos alcanzarán los 2,5 billones de dólares. La recesión tendrá el mayor impacto en las industrias automotriz, de la construcción y algunas industrias electrónicas, pero no se espera que tenga mucho impacto en la atención médica y las ciencias biológicas. Entre los nanomateriales, los nanotubos de carbono y las nanopartículas cerámicas se utilizan ampliamente en las industrias de la automoción y la construcción, por lo que son las más afectadas por la recesión económica. Entre los nanointermedios, las áreas más afectadas por la crisis económica son los nanocompuestos y los recubrimientos. Las ventas de productos de nanotecnología compuesta están creciendo rápidamente en Asia Pacífico en comparación con Estados Unidos y Europa. Estados Unidos y Europa representan más de dos tercios de todas las ventas de nanomateriales, pero para 2015, sus cuotas de mercado disminuirán entre un 2% y un 3%.