Áreas de aplicación de la nanotecnología
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. La tecnología de medición a nanoescala incluye: medición de precisión del tamaño y desplazamiento a nanoescala, y medición de topografía de superficies 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 microscopía de 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 medida y medir la topografía tridimensional microtridimensional de la superficie con el 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 atómica (AFM). El procesamiento a nanoescala se refiere a la tecnología de procesamiento con precisión a nanoescala.
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 utilizando los métodos tradicionales de corte y rectificado. En 2008, la nanofabricación ya había 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. Existen muchos métodos para preparar nanopartículas, que se pueden dividir en métodos físicos y métodos químicos.
Ropa hecha de nanotecnología
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 enfrían. 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 funcionamiento sencillo y bajo coste, pero el producto cristalino tiene baja pureza y distribución desigual a lo largo de los granos.
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.
Método de síntesis hidrotermal: Síntesis en solución acuosa o vapor a alta temperatura y alta presión, seguida de separación y tratamiento térmico para la obtención de nanopartículas. Se caracteriza por su alta pureza, buena dispersión y fácil control de la resistencia a la tracción.
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. Desde que Gleiter et al. prepararon nanomateriales por primera vez 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 una alta resistencia, sino también una 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. Las técnicas de imagen convencionales actuales sólo pueden detectar cambios visibles causados por el cáncer en el tejido, cuando ya se han formado miles de células cancerosas y potencialmente han hecho metástasis. 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. Dado 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 a las células cancerosas, lo que permitirá que los instrumentos de detección 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 imagen 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, lo que permite 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. 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 logrado nuevos avances 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. La nanobiología es el estudio de la estructura y función de varios orgánulos dentro de las células a escala nanométrica. 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. 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 y la transformación de la naturaleza por parte de la humanidad inevitablemente se elevarán a un nivel nuevo y superior.