Entendiendo la nanotecnología

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La nanotecnología, también conocida como nanotecnología, es una tecnología que estudia las propiedades y aplicaciones de materiales con tamaños estructurales entre 1 nm y 100 nm. Tras la invención del microscopio de efecto túnel en 1981, nació un mundo de moléculas con longitudes de 1 a 100 nanómetros. ¿Su objetivo final es construir directamente productos con funciones específicas a partir de átomos o moléculas? [2]?. Por lo tanto, la nanotecnología es en realidad la tecnología para producir materia a partir de átomos y moléculas individuales.

De las investigaciones actuales, se desprenden tres conceptos sobre la nanotecnología:

El primero es el del científico estadounidense Dr. Drexler de 1986 en su libro "La máquina de la creación" que propone la nanotecnología molecular. Según este concepto, se puede hacer práctica una máquina que combine moléculas, de modo que se puedan combinar varias moléculas a voluntad para crear cualquier tipo de estructura molecular. La nanotecnología no ha logrado avances significativos con este concepto.

El segundo concepto define la nanotecnología como el límite de la tecnología de micromecanizado. Se trata de una tecnología que forma artificialmente estructuras a nanoescala mediante un "procesamiento" de precisión nanométrica. Esta tecnología de procesamiento a nanoescala también lleva al límite la miniaturización de semiconductores. Incluso si la tecnología existente continúa desarrollándose, eventualmente alcanzará su límite en teoría, porque si el ancho de la línea del circuito disminuye gradualmente, la película aislante que forma el circuito se volverá extremadamente delgada, destruyendo el efecto de aislamiento. Además, existen problemas como fiebre y temblores. Para solucionar estos problemas, los investigadores están trabajando en nueva nanotecnología.

El tercer concepto se propone desde una perspectiva biológica. Resulta que los seres vivos tienen estructuras a nanoescala en células y biopelículas. El desarrollo de computadoras moleculares de ADN y biocomputadoras celulares se ha convertido en una parte importante de la nanotecnología.

Uso de nanotecnología para organizar átomos de xenón en IBM

Contenido principal

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La nanotecnología es un campo altamente interdisciplinario. Es un Materia integral cuyo contenido de investigación cubre una amplia gama de ciencia y tecnología modernas. La nanotecnología incluye principalmente:

Física de nanosistemas, nanoquímica, nanomateriales, nanobiología, nanoelectrónica, nanoprocesamiento, nanomecánica, etc. Se trata de siete disciplinas relativamente independientes pero interpenetradas y tres áreas de investigación: nanomateriales, nanodispositivos y detección y caracterización a nanoescala. La preparación y la investigación de nanomateriales son la base de toda la nanotecnología. Entre ellos, la nanofísica y la nanoquímica son la base teórica de la nanotecnología, y la nanoelectrónica es el contenido más importante de la nanotecnología.

Nanofibras

En 65438-0993 se celebró en Estados Unidos la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología (INTC). La nanotecnología se dividió en nanofísica, nanobiología, nanoquímica, las seis ramas de la nanoelectrónica. , la tecnología de nanoprocesamiento y la nanometrología promueven el desarrollo de la nanotecnología. Debido a la particularidad, magia y universalidad de esta tecnología, ha atraído a muchos científicos destacados de todo el mundo para realizar investigaciones diligentes al respecto. ¿La nanotecnología generalmente se refiere a materiales, diseño, fabricación, medición, control y tecnología de productos a nanoescala (0,1-100 nm)? [3]?. La nanotecnología incluye principalmente: tecnología de medición a nanoescala: tecnología de detección de propiedades físicas y mecánicas de superficies a nanoescala; tecnología de procesamiento a nanoescala; nanomateriales; tecnología de nanobiotecnología;

La nanotecnología incluye los siguientes cuatro aspectos principales:

1. Nanomateriales: cuando una sustancia alcanza la escala nanométrica, alrededor de 0,1-100 nanómetros, las propiedades de la sustancia cambiarán repentinamente, de manera especial. aparecen las propiedades. Los materiales con propiedades especiales que difieren de los átomos, moléculas y sustancias macroscópicas originales se denominan nanomateriales.

Si se trata sólo de un material a nanoescala sin propiedades especiales, no se puede llamar nanomaterial.

En el pasado, la gente sólo se centraba en los átomos, las moléculas o el universo, ignorando a menudo este campo intermedio que realmente existe en la naturaleza en grandes cantidades, y antes no eran conscientes del funcionamiento de este rango de escala. Los científicos japoneses fueron los primeros en reconocer verdaderamente sus propiedades e invocar el concepto de nanómetros. Prepararon iones ultrafinos mediante evaporación en la década de 1970 y descubrieron que un conductor de cobre y plata que conduce electricidad y calor pierde sus propiedades originales y no conduce ni electricidad ni calor una vez convertido a nanoescala. Lo mismo ocurre con los materiales magnéticos, como las aleaciones de hierro y cobalto. Si se lo convierte en un tamaño de unos 20 a 30 nanómetros, el dominio magnético se convertirá en un dominio magnético único y su magnetismo será 1.000 veces mayor que el original. A mediados de la década de 1980, este tipo de materiales se denominaron oficialmente nanomateriales.

¿Por qué el dominio magnético se convirtió en un único dominio magnético y el magnetismo era 1000 veces mayor que el original? Esto se debe a que la disposición de los átomos individuales en un dominio magnético no es muy regular, pero hay un núcleo en el medio de un solo átomo y electrones que lo rodean. Esta es la razón de la formación del magnetismo. Pero después de convertirse en un dominio magnético único, los átomos individuales se organizan regularmente y muestran un fuerte magnetismo hacia el mundo exterior.

Esta característica se utiliza principalmente para fabricar micromotores. Si la tecnología se desarrolla hasta cierto punto, se puede utilizar para crear levitación magnética, que puede crear motores de alta velocidad más rápidos, más estables y que ahorran más energía. trenes de velocidad.

2. Nanodinámica: Principalmente micromáquinas y micromotores, o sistemas microelectromecánicos (MEMS), utilizados en maquinaria de transmisión a microescala, sistemas de comunicación por fibra óptica, equipos electrónicos especiales, instrumentos médicos y de diagnóstico, etc. Sensores y actuadores . Utiliza una nueva tecnología similar al diseño y fabricación de electrodomésticos integrados. La característica es que las piezas son muy pequeñas, la profundidad de grabado a menudo requiere de decenas a cientos de micrones y el error de ancho es muy pequeño. Este proceso también se puede utilizar para fabricar motores trifásicos, centrífugas de ultra alta velocidad o giroscopios. En consecuencia, en los estudios se deben detectar la microdeformación y la microfricción a escala casi atómica. Aunque todavía no se encuentran realmente en la nanoescala, tienen un enorme valor científico y económico potencial.

En teoría, los micromotores y la tecnología de detección pueden alcanzar una escala nanométrica.

3. Nanobiología y nanofarmacología: por ejemplo, utilizar oro coloidal del tamaño de nanopartículas para fijar partículas de ADN en la superficie de mica y probar las interacciones entre biomoléculas en electrodos interdigitales en la superficie de dióxido de silicio, fosfolípidos y ácidos grasos. Membrana biológica plana bicapa, estructura fina del ADN. Con la nanotecnología, también es posible colocar piezas o componentes en células para formar nuevos materiales mediante el autoensamblaje. Aproximadamente la mitad de los nuevos medicamentos, incluso los polvos finos con partículas del tamaño de una micra, son insolubles en agua, pero si las partículas son de tamaño nanométrico (es decir, partículas ultrafinas), son solubles en agua;

Cuando la nanobiología evoluciona hacia una determinada tecnología, se pueden utilizar nanomateriales para producir células nanobiológicas con capacidades de reconocimiento, y la absorción biomédica de células cancerosas se puede inyectar en el cuerpo humano para matarlas de forma selectiva. (Esta es una forma antigua de recaudar fondos)

4. Nanoelectrónica: incluye dispositivos nanoelectrónicos basados ​​en efectos cuánticos, propiedades ópticas/eléctricas de nanoestructuras, caracterización de materiales nanoelectrónicos, manipulación y ensamblaje atómico. Las tendencias actuales en electrónica requieren que los dispositivos y sistemas sean más pequeños, más rápidos, más fríos y más pequeños, lo que significa una respuesta más rápida. Más fresco significa menos consumo de energía por parte de dispositivos individuales. Pero más pequeño no es infinito. La nanotecnología es la última frontera para los constructores y su impacto será enorme.

Desarrollo histórico

Editor

La nanotecnología se inspiró en un estudio de 1959 del fallecido físico Richard Feynman titulado "El fondo sigue ahí". Hay mucho espacio. " discurso. Un profesor de Caltech propuso una nueva idea a sus colegas. Desde la Edad de Piedra, toda la tecnología humana, desde flechas afiladas hasta chips fotolitográficos, ha consistido en cortar o fusionar cientos de millones de átomos a la vez para darle formas útiles a la materia. Feynman preguntó: ¿por qué no podemos ensamblarlo desde un ángulo diferente para satisfacer nuestras necesidades a partir de una sola molécula o incluso de un átomo? Dijo: "Al menos en mi opinión, las leyes de la física no excluyen la posibilidad de hacer algo átomo por átomo".

En la década de 1970, los científicos comenzaron a proponer ideas sobre la nanotecnología desde diferentes ángulos. En 1974, el científico Norio Taniguchi utilizó por primera vez el término nanotecnología para describir el mecanizado de precisión.

En 1981, los científicos inventaron el microscopio de efecto túnel, una importante herramienta para estudiar nanómetros, que nos reveló un mundo visible de átomos y moléculas y desempeñó un papel positivo en la promoción del desarrollo de la nanotecnología.

1990,

Richard Feynman

Los científicos del IBM Almaden Research Center reorganizaron con éxito átomos individuales, un avance clave en la nanotecnología. Utilizaron un dispositivo llamado sonda de escaneo para mover lentamente 35 átomos a sus respectivas posiciones para formar las tres letras de IBM. Esto demuestra que Feynman tenía razón: las dos letras juntas tienen menos de tres nanómetros de largo. Pronto, los científicos no sólo podrán manipular átomos individuales, sino también "rociar átomos". Utilizando la epitaxia de haces moleculares, los científicos han aprendido cómo crear películas extremadamente delgadas de cristales especiales, una capa de moléculas a la vez. Esta tecnología se utiliza en la fabricación moderna de cabezales de lectura y escritura de discos duros de computadoras.

El famoso físico y ganador del Premio Nobel Richard Feynman predijo que los humanos pueden usar máquinas pequeñas para fabricar máquinas aún más pequeñas y, eventualmente, ordenarán los átomos uno por uno según los deseos humanos para crear productos. ¿Es este el primer sueño sobre la nanotecnología? [4]?.

En julio de 1990 se celebró en Baltimore, EE.UU., la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología, que marcó el nacimiento oficial de la nanotecnología.

En 1991, los nanotubos de carbono fueron descubiertos por el ser humano. Su masa es una sexta parte del mismo volumen del acero, pero su resistencia es 10 veces mayor que la del acero, lo que los convierte en el foco de la investigación en nanotecnología. El profesor Smalley, premio Nobel de Química, cree que los nanotubos de carbono serán el material elegido para las mejores fibras del futuro y también se utilizarán ampliamente en cables ultramicro, interruptores ultramicro y circuitos nanoelectrónicos.

En 1993, después de que el grupo atómico móvil de la Universidad de Stanford "escribiera" el nombre en inglés de la Universidad de Stanford en 1989, y de que IBM utilizara 35 átomos de xenón para expulsar a "IBM" de la superficie del níquel en 1990, la aspiradora de Beijing Funciona el laboratorio de física de la Academia de Ciencias de China. El átomo es libre y la palabra "China" se escribe con éxito, lo que marca el comienzo de la ocupación de un lugar por parte de China en el campo internacional de la nanotecnología.

En 1997, los científicos estadounidenses utilizaron con éxito un solo electrón para mover un solo electrón por primera vez. Se espera que después de 2017 se puedan desarrollar con éxito ordenadores cuánticos con velocidades y capacidades de almacenamiento miles de veces mayores.

En 1999, científicos brasileños y estadounidenses inventaron la "báscula" más pequeña del mundo mientras experimentaban con nanotubos de carbono. Su peso puede alcanzar la milmillonésima parte de un gramo de un objeto, lo que equivale al peso de un virus. Poco después, los científicos alemanes desarrollaron una báscula que podía pesar átomos individuales, batiendo un récord establecido conjuntamente por científicos estadounidenses y brasileños.

En 1999, la nanotecnología entró gradualmente en el mercado y la facturación anual de productos basados ​​en nanotecnología alcanzó los 50 mil millones de dólares estadounidenses.

En 2001, ¿algunos países formularon estrategias o planes relevantes e invirtieron mucho para aprovechar el terreno estratégico de la nanotecnología? [5]?. Japón ha establecido un centro de investigación de nanomateriales y ha incorporado la nanotecnología al enfoque de investigación y desarrollo de su nuevo plan básico quinquenal de ciencia y tecnología; Alemania ha establecido una red de investigación de nanotecnología y Estados Unidos considera la nanotecnología como el núcleo de la próxima industria; revolución. La inversión del gobierno de Estados Unidos en investigación básica sobre nanotecnología aumentó de 65.438+1,16 millones de dólares en 1997 a 497 millones de dólares en 2006. China también ha incluido la nanotecnología en su “Plan 973” para un desarrollo vigoroso y ha brindado un fuerte apoyo a sus industrias relacionadas.

Campos de aplicación

Editor

CPU Intel

En la actualidad, la investigación y aplicación de la nanotecnología se centra principalmente en materiales y preparación, microelectrónica. y Tecnología informática, medicina y salud, aeroespacial y aviación, medio ambiente y energía, biotecnología y productos agrícolas y otros campos. Los equipos fabricados con nanomateriales son más ligeros, más resistentes, tienen una vida útil más larga, menores costes de mantenimiento y son más cómodos de diseñar. ¿Los nanomateriales también se pueden utilizar para crear materiales con propiedades específicas o materiales que no existen en la naturaleza, para crear biomateriales y materiales biomiméticos? [6]?.

1. Nano es una unidad de medida de tamaño geométrico, 1 nanómetro = una millonésima de milímetro.

2. La nanotecnología impulsa la revolución tecnológica.

3. Los medicamentos elaborados a partir de nanotecnología pueden bloquear los capilares y "matar de hambre" a las células cancerosas.

4. Si se utilizan dispositivos nanointegrados en los satélites, los satélites serán más pequeños y más fáciles de lanzar.

5. La nanotecnología es una síntesis de múltiples ciencias y algunos objetivos tardarán mucho en alcanzarse.

6. La nanotecnología, la ciencia y la tecnología de la información y las ciencias y la tecnología de la vida son la corriente principal del desarrollo científico actual. Su desarrollo mejorará la sociedad humana, el medio ambiente y la ciencia y la tecnología.

7. La nanotecnología puede observar los cambios patológicos y las condiciones de las células cancerosas en los pacientes para que los médicos puedan recetar los medicamentos adecuados.

Tecnología de medición

La tecnología de medición a nanoescala incluye: medición de precisión del tamaño y desplazamiento a nanoescala, y medición de topografía de superficie a nanoescala. La tecnología de medición a nanoescala tiene dos direcciones principales de desarrollo.

Una es la interferometría óptica, que utiliza franjas de luz de interferencia para mejorar la resolución de la medición. Los métodos de medición incluyen: interferometría láser de doble frecuencia, interferometría óptica heterodina, interferometría de rayos X, método de medición de herramienta estándar F-P, etc. Se puede utilizar para medir con precisión la longitud y el desplazamiento, así como para medir la microtopografía de superficies.

La segunda es la tecnología de micromedición con sonda de barrido (STM), cuyo principio básico se basa en el efecto túnel de la mecánica cuántica. El principio es utilizar una sonda muy afilada (o un método similar) (la sonda en realidad no entra en contacto con la superficie a medir) para escanear la superficie a medir y medir la topografía tridimensional micro-tridimensional de la superficie. con la ayuda de un sistema de control de posicionamiento de desplazamiento tridimensional a nanoescala. Se utiliza principalmente para medir la morfología microscópica y el tamaño de superficies.

Los métodos de medición que utilizan este principio incluyen la microscopía de efecto túnel (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM).

Tecnología de procesamiento

El procesamiento a nanoescala se refiere a la tecnología de procesamiento con precisión de nivel nanométrico.

Debido a que la distancia entre átomos es de 0,1-0,3 nm, la esencia del nanomecanizado es cortar los enlaces entre átomos para lograr la eliminación de átomos o moléculas, y la energía necesaria para cortar los enlaces entre átomos. debe exceder La energía de enlace entre los átomos materiales, es decir, la densidad de energía de la plantación, es muy grande. El procesamiento a nanoescala es bastante difícil con los métodos tradicionales de corte y rectificado.

En 2008, el nanoprocesamiento ha logrado grandes avances. Por ejemplo, cuando se utiliza litografía por haz de electrones (tecnología UGA) para procesar VLSI, se puede lograr un procesamiento de ancho de línea de 0,1 μm; el grabado iónico puede eliminar materiales de superficie a nivel micrométrico y nanométrico; la microscopía de barrido de túneles puede eliminar, distorsionar, agregar y reorganizar individuos; átomo.

Preparación de partículas

Existen muchos métodos para preparar nanopartículas, que se pueden dividir en métodos físicos y métodos químicos.

Ropa hecha de nanotecnología

Aplicación de la nanotecnología: disco de computadora

Método de alimentación en frío al vacío: mediante evaporación al vacío, calentamiento e inducción de alta frecuencia Las materias primas se vaporizan o forman partículas y luego se apagan. Se caracteriza por su alta pureza, buena estructura cristalina y grado controlable, pero tiene altos requisitos en cuanto a equipamiento técnico.

Método de trituración física: Las nanopartículas se obtienen mediante trituración mecánica, explosión de chispas eléctricas y otros métodos. Se caracteriza por su operación simple y bajo costo, pero el producto cristalino tiene baja pureza y distribución desigual a lo largo de los granos de cristal.

Método de molienda mecánica de bolas: Utilizar el método de molienda de bolas y controlar las condiciones adecuadas para obtener nanopartículas de elementos puros, aleaciones o materiales compuestos. Se caracteriza por su funcionamiento sencillo y bajo coste, pero la pureza del producto es baja y la distribución de partículas es desigual.

Método de deposición de vapor: Los nanomateriales se sintetizan mediante la reacción química del vapor de compuestos metálicos. Se caracteriza por una alta pureza del producto y una estrecha distribución del tamaño de partículas.

Método de precipitación: Después de añadir un precipitante a la solución salina para la reacción, la precipitación se trata térmicamente para obtener nanomateriales. Se caracteriza por ser simple y fácil de implementar, pero tiene baja pureza y gran tamaño de partícula, lo que lo hace adecuado para preparar portadores.

Ropa fabricada con nanotecnología

Método de síntesis hidrotermal: Sintetizar en solución acuosa o vapor a alta temperatura y alta presión, luego separar y tratar térmicamente para obtener nanopartículas. Se caracteriza por su alta pureza, buena dispersión y fácil control del tamaño de las partículas.

Método sol-gel: el compuesto metálico se solidifica mediante solución, sol y gel, y luego se somete a un tratamiento térmico a baja temperatura para generar nanopartículas. Se caracteriza por una gran cantidad de especies reactivas, partículas de producto uniformes, fácil control del proceso y es adecuado para la preparación de óxidos y compuestos 11-VI.

Método de emulsión Hui: 2: Los disolventes inmiscibles forman emulsiones bajo la acción de tensioactivos, y las nanopartículas se obtienen después de nucleación, aglomeración, aglomeración y tratamiento térmico en espuma Hui. Sus partículas características tienen buena monodispersidad e interfaz, y las nanopartículas semiconductoras 11-VI se preparan principalmente mediante este método.

Síntesis hidrotermal - Síntesis a alta temperatura y presión en fluidos como solución acuosa o vapor, para luego separación y tratamiento térmico para la obtención de nanopartículas. Se caracteriza por su alta pureza, buena dispersión y fácil control del tamaño de las partículas.

Síntesis de materiales

Desde que Gleiter et al. tomaron la iniciativa en la preparación de nanomateriales en 1991, después de 10 años de desarrollo, los nanomateriales han logrado grandes avances. En la actualidad existen muchos tipos de nanomateriales, incluidos materiales metálicos, materiales nanocerámicos, materiales nanosemiconductores, materiales nanocompuestos, materiales nanopolímeros, etc. Los nanomateriales son materiales supergranulares, conocidos como "nuevos materiales del siglo XXI", y tienen muchas propiedades especiales.

Por ejemplo, los materiales fabricados mediante la sinterización de polvo metálico de tamaño nanométrico tienen una resistencia y dureza mucho mayores que el metal original. En realidad, el metal de tamaño nanométrico ha pasado de ser un conductor a un aislante. La cerámica común es frágil y rompible. Las cerámicas sinterizadas con nanopolvos no solo tienen alta resistencia, sino también buena tenacidad. El punto de fusión de los nanomateriales disminuye a medida que disminuye el diámetro del polvo ultrafino.

Por ejemplo, el punto de fusión del oro es 1064 °C, pero el punto de fusión del polvo de oro de 10 nm se reduce a 940 °C y el punto de fusión del polvo de oro snm se reduce a 830 °C, lo que puede reducir en gran medida la temperatura de sinterización. . La temperatura de sinterización de las nanocerámicas es mucho más baja que la de las cerámicas originales. Se añaden nanocatalizadores a la gasolina. Puede mejorar la eficiencia de los motores de combustión interna.

Un cohete se puede acelerar añadiendo combustible sólido. El fármaco está formulado en forma de nanopolvo. Puede inyectarse en los vasos sanguíneos y penetra suavemente en los capilares.

Diagnóstico de enfermedades

Actualmente, las técnicas de imagen convencionales sólo pueden detectar cambios visibles causados ​​por el cáncer en los tejidos, cuando ya se han formado miles de células cancerosas y pueden metastatizar. E incluso si el tumor puede verse, es necesaria una biopsia para determinar el tratamiento eficaz según el tipo (maligno o benigno) y las características del tumor en sí. Si las células cancerosas o precancerosas están marcadas de alguna manera, se pueden detectar utilizando equipos tradicionales, que son más propicios para el diagnóstico del cáncer.

Para lograrlo, son necesarias dos condiciones: una tecnología que pueda identificar específicamente las células cancerosas y hacer visibles las células cancerosas identificadas. La nanotecnología puede satisfacer ambas necesidades. Por ejemplo, la superficie de un óxido metálico está recubierta con un anticuerpo que reconoce específicamente un receptor que se sobreexpresa en la superficie de las células cancerosas.

Debido a que los óxidos metálicos emiten señales de alto contraste mediante imágenes por resonancia magnética (MRI) o tomografía computarizada (CT), una vez que ingresan al cuerpo, los anticuerpos en la superficie de estas nanopartículas de óxido metálico se unirán selectivamente al cáncer. células para que el instrumento de detección pueda identificar eficazmente las células cancerosas. Asimismo, las nanopartículas de oro se pueden utilizar para mejorar la dispersión de la luz en la tecnología endoscópica. La nanotecnología puede visualizar marcadores moleculares que identifican tipos de cáncer y diferentes etapas de desarrollo, lo que permite a los médicos ver células y moléculas que las técnicas de imágenes tradicionales no pueden detectar.

En la lucha contra el cáncer, la mitad de la batalla se debe a la detección temprana. La nanotecnología permite un diagnóstico más temprano y preciso del cáncer y puede utilizarse para el seguimiento del tratamiento. La nanotecnología también puede mejorar o incluso revolucionar la detección de biomarcadores en tejidos y fluidos corporales. Existen diferencias entre los cánceres y entre las células cancerosas y las células normales debido a diferencias en la expresión y distribución de varias moléculas. Con el desarrollo de la tecnología de tratamiento, es necesario detectar múltiples biomarcadores del cáncer simultáneamente al determinar las opciones de tratamiento.

Las nanopartículas, como los puntos cuánticos, pueden emitir diferentes colores de luz según su tamaño, permitiendo la detección de múltiples marcadores al mismo tiempo. Las señales luminosas de excitación procedentes de puntos cuánticos recubiertos de anticuerpos se pueden utilizar para detectar ciertos tipos de cáncer. Los puntos cuánticos de diferentes colores se pueden combinar con varios anticuerpos biomarcadores del cáncer, lo que permite a los oncólogos distinguir las células cancerosas de las sanas según el espectro que ven.

Tecnología de embalaje

Dado que la tecnología de grabado ha alcanzado su límite en la nanoescala, la tecnología de ensamblaje se convertirá en un medio importante de la nanotecnología y ha recibido gran atención.

La tecnología de nanoensamblaje es el ensamblaje de átomos, moléculas o agregados moleculares mediante métodos mecánicos, físicos, químicos o biológicos para formar unidades estructurales funcionales. La tecnología de ensamblaje incluye tecnología de ensamblaje ordenado molecular, exploración de átomos de sonda, tecnología de reposicionamiento molecular y tecnología de ensamblaje biológico. El ensamblaje molecular ordenado es la formación de un sistema molecular ordenado de dos o tres dimensiones mediante interacciones físicas o químicas entre moléculas. En la actualidad, los últimos avances en la tecnología de ensamblaje molecular ordenado y su investigación de aplicaciones son principalmente el estudio de las membranas LB y el descubrimiento de propiedades relacionadas. Identificación y ensamblaje de macromoléculas biológicas. El ensamblaje de macromoléculas bioactivas como proteínas y ácidos nucleicos requiere orientación de la densidad, lo cual es muy importante para preparar biosensores de alto rendimiento, desarrollar dispositivos biomoleculares y estudiar interacciones entre biomacromoléculas. En el proceso de ensamblaje de biomacromoléculas de IgG, se utilizó por primera vez la función de reconocimiento de fragmentos activos de anticuerpos para ensamblar biomacromoléculas activas. Este importante avance ha permitido un nuevo avance en el ensamblaje dirigido de biomoléculas.

Además de los tipos de ensamblaje mencionados anteriormente, también han avanzado la investigación sobre el ensamblaje ordenado de moléculas de polímeros de cadena larga, la tecnología de autoensamblaje puente y la aplicación de membranas moleculares ordenadas. La tecnología de nanomecanizado también se puede utilizar para el procesamiento de materiales a nivel atómico, lo que permite que la tecnología de procesamiento entre en una profundidad más detallada. El desarrollo de la tecnología de autoensamblaje de nanoestructuras conducirá a avances en nanomáquinas, sistemas nanoelectromecánicos y nanobiología.

China tiene ciertas ventajas en el descubrimiento científico y la investigación industrial en el campo de la nanotecnología. Países modernos como Estados Unidos, Japón y Alemania están a la vanguardia del primer escalón internacional.

Aunque China ha establecido un cierto número de bases de producción de nanomateriales en los tiempos modernos, el desarrollo y la aplicación de la nanotecnología también han surgido y logrado una industrialización inicial. Todavía queda mucho trabajo por hacer para lograr una producción industrial de nanómetros a gran escala y de bajo costo. Sólo confiando en grandes cantidades de capital e inversiones en alta tecnología podremos obtener altos rendimientos.

Biotecnología

La nanobiología es el estudio de la estructura y función de varios orgánulos dentro de las células a nanoescala. El estudio del intercambio de materia, energía e información dentro de las células y entre las células y todo el organismo. La investigación en nanobiología se centra principalmente en los siguientes aspectos.

La investigación del ADN ha logrado grandes avances en tres aspectos: observación morfológica, investigación de características y modificación genética.

Investigación de la función cerebral

El objetivo del trabajo es descubrir las funciones neuronales avanzadas de la memoria, el pensamiento, el lenguaje y el aprendizaje humanos y las funciones de procesamiento de información del cerebro humano.

Investigación biónica

Este es un tema de investigación candente en nanobiología. Se ha logrado mucho ahora. Este es un segmento prometedor de la nanotecnología.

El motor más pequeño del mundo es un motor biológico: un motor flagelar. Puede girar como una hélice para hacer girar el flagelo.

Nanocerámicas

. Un motor suele estar formado por más de 10 grupos de proteínas y está estructurado como un motor artificial. Consta de estator, rotor, cojinetes y juntas universales. Su diámetro es de solo 3 nm, su velocidad de rotación puede llegar a 15 r/min y puede completar el cambio entre giros hacia la derecha y hacia la izquierda en 1 μs. Puede acelerar o desacelerar mediante el uso de un campo eléctrico externo. La fuente de energía de la rotación es la diferencia de concentración de iones de óxido de nitrógeno dentro y fuera de la membrana que sostiene el motor en las bacterias. Prueba experimental. La diferencia de potencial dentro y fuera de la bacteria también puede impulsar el motor flagelar. La gente moderna está explorando el diseño de un motor flagelar artificial que pueda controlarse mediante diferencia de potencial.

La japonesa Mitsubishi Corporation ha desarrollado un chip de retina que puede simular la función del ojo humano en el procesamiento de imágenes visuales. El chip se basa en semiconductores de arsénico. Cada chip contiene 4096 elementos sensores. Se espera que se aplique aún más a los robots.

Se ha propuesto construir máquinas moleculares como anillos y varillas. Ensamblarlos en unidades de circuitos de una computadora. El tamaño de la unidad es de solo 1 Inm, que se puede ensamblar en una computadora ultrapequeña con un volumen de solo unas pocas micras y puede lograr el mismo rendimiento que las computadoras modernas de uso común.

En la fabricación de sistemas electromecánicos complejos nanoestructurados autoensamblados, un gran problema es el ensamblaje de varios componentes del sistema. Cuanto más avanzado y complejo sea el sistema, más difícil será resolver los problemas de montaje. Proteínas, ADN, células, etc. Varios organismos en la naturaleza tienen estructuras extremadamente complejas. Su generación y montaje son automáticos. Si se puede comprender y controlar el principio de autoensamblaje de las macromoléculas biológicas, la comprensión humana y la transformación de la naturaleza inevitablemente se elevarán a un nivel nuevo y superior.

Derivados

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Robots

Los nanorobots son "dispositivos moleculares funcionales diseñados y fabricados a nivel molecular basados ​​en principios biológicos". , también conocidos como robots moleculares; la investigación y el desarrollo de nanorobots se ha convertido en un tema candente en la vanguardia de la ciencia y la tecnología.

En 2005, muchos países formularon estrategias o planes relevantes e invirtieron mucho para aprovechar el terreno estratégico de los nanorobots, una nueva tecnología. Recientemente, la revista mensual "Robot Age" señaló que los nanorobots tienen una amplia gama de usos potenciales, especialmente en los campos médico y militar.

La aparición de cada nueva tecnología parece contener posibilidades ilimitadas. No pasará mucho tiempo antes de que nanorobots mágicos del tamaño de moléculas sigan entrando en nuestra vida diaria. El profesor Zhou Haizhong, un famoso erudito chino, predijo en un artículo sobre robots publicado en 1990 que, a mediados del siglo XX, los nanorobots cambiarán por completo el trabajo y el estilo de vida humanos.

Paraguas impermeables

Los paraguas nano impermeables son una combinación de paraguas e impermeables. Los paraguas nano incluyen paraguas triples y paraguas rectos (en resumen, hay dos opciones al cerrar el paraguas). . Los nano impermeables se pueden transformar a partir de nano paraguas. Los nano impermeables son diferentes de los impermeables comunes porque pueden garantizar que nunca te mojes de la cabeza a los pies. Gracias a los nanomateriales, este paraguas se seca instantáneamente. Después de que el paraguas se transforma en un impermeable, el impermeable se puede secar completamente con un simple salto mientras lo usa.

Material impermeable

El 4 de agosto de 2014, Australia fabricó una camiseta innovadora utilizando un tejido recién inventado. No importa cuánto intentes empaparla, esta camiseta sigue siendo impermeable.

Esta camiseta blanca llamada Knight es 100% algodón. Aunque parece discreta en la superficie, su tejido está tejido aplicando nanotecnología "hidrófoba", lo que hace que esta camiseta impida eficazmente la infiltración de la mayoría de líquidos y manchas. Esta camiseta se puede lavar a máquina y es resistente al agua, por lo que aguanta hasta 80 lavados. Su tejido tiene una función de autolimpieza natural y cualquier mancha adherida se puede fregar o lavar con agua.

A diferencia de otras aplicaciones impermeabilizantes que contienen productos químicos, la camiseta imita las propiedades hidrofóbicas naturales de las hojas de loto. La invención de este tejido podría tener un impacto revolucionario en restaurantes y cafeterías. Además, esta tela se puede utilizar en la industria médica o en hospitales.

Peligros potenciales

Editor

Al igual que la biotecnología, la nanotecnología también tiene muchos problemas ambientales y de seguridad (por ejemplo, si su pequeño tamaño evadirá el sistema de defensa natural de los organismos). ), si es biodegradable, cuáles son los efectos secundarios, etc.).

Peligros sociales

Peligros de las nanopartículas

Nanomateriales (materiales que contienen nanopartículas) . ) no es en sí mismo un peligro. Sólo ciertos aspectos son perjudiciales, especialmente su movilidad y el aumento de reflejos. ¿Solo cuando algún aspecto de determinadas nanopartículas sea perjudicial para los seres vivos o el medio ambiente podremos afrontar un daño real? [7]?.

Para hablar del impacto de los nanomateriales en la salud y el medio ambiente, debemos distinguir entre dos tipos de nanoestructuras:

Nanocompuestos, estructuras de nanosuperficies o nanocomponentes (electrónica, sensores ópticos, etc.). ) Al utilizar partículas de tamaño nanométrico ensambladas en una matriz, el material o dispositivo también se denomina nanopartículas fijas.

Nanopartículas “libres”, ya sea que las nanopartículas individuales se almacenen o se utilicen directamente en algún paso de producción.

Estas nanopartículas libres pueden ser elementos individuales, compuestos o mezclas complejas de tamaño nanométrico, como nanopartículas "recubiertas" o nanopartículas "núcleo-cubierta" en las que un elemento está recubierto con otra partícula.

La sabiduría moderna aceptada es que, si bien debemos centrarnos en materiales con nanopartículas inmovilizadas, las nanopartículas libres son la preocupación más apremiante.

Porque las nanopartículas son tan diferentes de las que se encuentran en la vida cotidiana que sus efectos nocivos no pueden deducirse de su conocida toxicidad. Discutir de esta manera los impactos ambientales y de salud de las nanopartículas libres tiene implicaciones importantes.

Para complicar aún más las cosas, cuando hablamos de nanopartículas, debemos saber que los polvos o líquidos que contienen nanopartículas casi nunca son monodispersos, sino que vienen en muchos tamaños diferentes dentro de un rango determinado. Esto complicará el análisis experimental porque las nanopartículas grandes pueden tener propiedades diferentes a las de las nanopartículas pequeñas. Además, las nanopartículas tienen tendencia a agregarse y las nanopartículas agregadas se comportan de manera diferente a las nanopartículas individuales.

Problemas de salud

Hay cuatro formas en que las nanopartículas ingresan al cuerpo humano: inhalación, ingestión, absorción cutánea o inyección intencional (o liberación de implantes) durante procedimientos médicos. Una vez dentro del cuerpo, son muy móviles. En algunos casos, incluso pueden cruzar la barrera hematoencefálica.

El comportamiento de las nanopartículas en los órganos sigue siendo un gran tema por estudiar. Básicamente, el comportamiento de las nanopartículas depende de su tamaño, forma e interacción con el tejido circundante. Pueden causar una "sobrecarga" de fagocitos (células que fagocitan y destruyen sustancias extrañas), provocando fiebre defensiva y reduciendo la inmunidad del cuerpo. Pueden acumularse en los órganos porque no pueden degradarse o degradarse lentamente. Otra preocupación es el peligro potencial de que reaccionen con algunos procesos biológicos del cuerpo humano. Debido a su gran superficie, las nanopartículas expuestas a tejidos y fluidos adsorben inmediatamente las moléculas grandes que encuentran. Por ejemplo, esto afectaría a los mecanismos reguladores de enzimas y otras proteínas.

Cuestiones medioambientales

La principal preocupación es que las nanopartículas puedan causar peligros desconocidos.

Riesgos Sociales

El uso de la nanotecnología también tiene riesgos sociales. A nivel de instrumentos, también incluye la posibilidad de utilizar la nanotecnología en el ámbito militar. (En el Instituto de Nanotecnología para Soldados del MIT [1] se investiga, por ejemplo, equipar a los soldados con implantes u otros medios, así como monitorear medios mejorados con nanodetectores.

A nivel estructural, los nanómetros Los críticos de esta tecnología argumentan que la nanotecnología abre un nuevo mundo controlado por los derechos de propiedad y las corporaciones.

Señalan que así como la capacidad de la biotecnología para manipular genes conlleva el patentamiento de la vida, la capacidad de la nanotecnología para manipular moléculas conlleva el patentamiento de la materia. La obtención de patentes a nanoescala ha sido una especie de fiebre del oro en los últimos años. En 2003 se aprobaron más de 800 patentes relacionadas con los nanómetros, y este número aumenta cada año. Las grandes empresas monopolizan numerosas patentes de invenciones y descubrimientos a nanoescala. Por ejemplo, dos grandes empresas, NEC e IBM, poseen patentes básicas sobre nanotubos de carbono, una de las piedras angulares de la nanotecnología. Los nanotubos de carbono son versátiles y se espera que desempeñen un papel clave en muchos sectores industriales, desde la electrónica y las computadoras hasta los materiales reforzados y el diagnóstico y la administración de medicamentos. Los nanotubos de carbono tienen el potencial de convertirse en un importante material comercializado industrialmente que sustituirá a las materias primas tradicionales. Sin embargo, a medida que su uso se expande, cualquiera que quiera fabricar o vender nanotubos de carbono, independientemente de su aplicación, primero debe adquirir una licencia de NEC o IBM.