1-Introducció a la Nanotecnologia

1.1-Història

La nanociència comença quan Richard Feynman (1918-1988), de la Universitat Tecnològica de California, guanya el Premi Nobel de Física el 29 de desembre del 1959 i dona una conferència titulada "En el fons hi ha espai de sobres" (There's Plenty of Room at the Bottom) en la que proposar la fabricació de productes en base a un reordenament d'àtoms i molècules. En aquesta conferència va afirmar:

<<Els principis de la física, segons la meva opinió, no neguen la possibilitat de manipular les coses àtom a àtom. No és un intent de violar cap de les lleis de la física; és una cosa que, en principi, es pot fer; però en la pràctica no s'ha fet perquè les persones som massa grans>>

Des de llavors, els científics no han deixat d'investigar fins a obtenir uns resultats que han involucrat a una gran varietat de ciències, com la química, la bioquímica, la biologia molecular, la física, l'electrònica, la informàtica, la medicina, la robòtica, etc.

El terme nanotecnologia el va introduir Kim Eric Drexler que el va utilitzar al seu llibre "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (1986). Al quart capítol del llibre, Drexler introdueix el concepte d'autoreplicació: de la mateixa manera que les cèl·lules construeixen còpies per reproduir-se els robots moleculars dissenyats per l'home podrien autoreplicar-se. Com a conseqüència, només haurien de suportar el cost del disseny i construcció del primer robot molecular capaç d'autoreplicar-se. Aquest primer robot amb capacitat generadora (anomenat enssamblador) podria fins i tot construir objectes molt més especialitzats, ultilitzant com a matèria primera: àtoms, energia, el software i el temps.

Actualment alguns països en vies de desenvolupament ja destinen importants recursos a la investigació en nanotecnologia. La nanomedicina és una de les àrees que més pot contribuir a l'avenç sostenible del Tercer Món, proporcionant nous mètodes de diagnòstic de malalties, millors sistemes per a l'administració de fàrmacs i eines per a la monitorització d'alguns paràmetres biològics.

Actualment, al voltant de 40 laboratoris arreu del món canalitzen grans quantitats de diners per a la recerca en nanotecnologia. Unes 300 empreses tenen el terme

"nano" en el seu nom, tot i que encara hi ha molt pocs productes al mercat.

Alguns gegants del món informàtic com IBM, Hewlett-Packard (HP), NEC i Intel estan invertint milions de dòlars a l'any en el tema. Els governs de l'anomenat Primer Món també s'han pres el tema molt seriosament, amb el clar lideratge del govern nord-americà, que per aquest any ha destinat 570 milions de dòlars a la seva National Nanotechnology Initiative.

Potser l'esdeveniment més important en la nanociència ha sigut la manipulació atomica que va du a terme IBM per representar la seva marca a nivell nanomètric. Aquesta imatge va donar la volta al món i es va convertir en un símbol reconegut d'aquesta marca.

A Espanya, els científics parlen de "nanopressupostos". Però l'interès creix, ja que hi ha hagut alguns congressos sobre el tema: a Sevilla, a la Fundació San Telmo, sobre oportunitats d'inversió, i a Madrid, amb una reunió entre responsables de centres de nanotecnologia de França, Alemanya i Regne Unit a la Universitat Autònoma de Madrid.

Existeix un gran consens en que la nanotecnologia ens portarà a una segona revolució industrial en el segle XXI tal com anuncià fa uns quants anys Charles Vest.

Richard Feynman (pare de la Nanotecnologia)

1.2-Conceptes fonamentals

La nanotecnologia és l'estudi, disseny, creació, síntesis, manipulació i aplicació de materials, aparells i sistemes funcionals a través del control de la materia a nanoescala, i la explotació de fenómens i propietats de la matèria a nano escala.

Quan es manipula la matèria a una escala d'àtoms i molècules, aquesta adquireix fenòmens, i propietats totalment noves. Per tant, els científics utilitzen la nanotecnologia per a crear materials, aparells i sistemes innovadors i poc costosos amb propietats úniques.

Vídeo d'introducció a la nanotecnologia

Un nanòmetre és una unitat molt petita. Un mil·límetre equival a 1.000.000 nanòmetres. En comparació, les distàncies del enllaços carboni-carboni típiques, o els espais entre a`toms en una molècula, són de l'ordre dels 0,12-0,15 nm, i una hèlix doble d'ADN té un diàmetre al voltant de 2 nm. D'altra banda, les formes de vida cel·lulars més petites, els bacteris del gènere microplasma, tenen al voltant de 200 nm de llargada.

Per entendre com és de petita aquesta mesura podem dir que un nanòmetre és el que creix la barba d'un home en el temps que triga en alçar la máquina d'afaitar a la cara.

Escala gràfica de les magnituds més petites

En la nanotecnologia es poden aplicar principalment dos enfocaments, l'enfocament de baix a dalt (bottom-up) i l'enfocament de dalt a baix (top-down).

En l'enfocament de baix a dalt, o bottom-up en anglès, els components i mecanismes es construeixen a partir de components moleculars que es munten sols químicament per principis de reconeixement molecular(self-assembly).

En l'enfocament de dalt a baix, o top-down en anlès, els nano objectes es construeixen a partir d'entitats més grans sense control a nivell atòmic. El més utilitzat és el de baix a dalt ja que és molt més econòmic ja que els productes que vulguis obtenir es munten sols.

1.3-Aplicacions

Més enllà del seu concepte, el que més importa és el que representa dins del conjunt d'investigacions i aplicacions actuals el propòsit de les quals és crear noves estructures i productes que tindran un gran impacte en la indústria, la medicina, l'enginyeria, etc.

Aplicacions de la nanotecnologia

La nanotecnologia suposarà nombrosos avenços per a moltes indústries i nous materials amb propietats extraordinàries (desenvolupar materials més forts que l'acer però amb únicament el 10% del seu pes), noves aplicacions informàtiques amb components increïblement més ràpids o sensors moleculars capaços de detectar i destruir cèl·lules cancerígenes en les parts més delicades del cos humà, com el cervell, entre moltes altres aplicacions.

Un dels desenvolupaments més importants en el camp de la nanotecnologia han sigut la invenció del microscopi d'efecte túnel (STM) i microscopi de força atòmica (AFM).

Microscopi d'Efecte Túnel Microscopi de Força Atòmica

Algunes de les recerques que s'estan duent a terme actualment són:

Nanomaterials

Això inclou subcamps que desenvolupen o estudien materials que tenen propietats singulars que sorgeixen de les seves dimensions a nanoescala.

- La ciència que estudia les dispersions ha portat al desenvolupament de molts materials que poden ser útils en nanotecnologia, com nanotubs de carboni i altres ful·lerens, i diverses

nanopartícules.

Nanotub de carboni

- Els materials a nanoescala també es poden utilitzar per a aplicacions a l'engròs; moltes aplicacions comercials presents de nanotecnologia són d'aquest tipus.

- S'han fet progressos utilitzant aquests materials per aplicacions mèdiques; vegeu Nanomedecina.

- Els materials a nanoescala es fan servir a vegades en cèl·lules solars que redueixen el cost de les cèl·lules solars de silici tradicionals.

- Desenvolupament d'aplicacions que incorporen nanopartícules semiconductores per que siguin utilitzades en la pròxima generació de productes, com la tecnologia de pantalles,

il·luminació, cèl·lules solars i imatges biològiques.

Enfocaments de baix a dalt

Aquests enfocaments procuren arranjar components més petits en muntatges més complexes.

-La nanotecnologia del ADN fa servir l'especificitat de l'aparellament de bases de Watson-Crick per construir estructures ben definides a partir del ADN i altres àcids nuclèics.

Imatge sarfus d'un bioxip de DNA elaborat amb l'enfocmant de baix a dalt.

- Els enfocaments que sorgeixen des del camp de síntesi química "clàssica" també apunten a dissenyar molècules amb forma ben definida ( per exemple els bis-pèptids).

- De forma més general, l'autoenssamblatge molecular procura utilitzar conceptes de química supramolecular, i en particular de reconeixement molecular, per fer que els component d'una única molècula s'arrangin automàticament ells mateixos en una conformació útil.

Enfocaments de dalt a baix

Aquests enfocaments procuren crear mecanismes més petits utilitzant-ne de més grans per dirigir el seu muntatge.

- Moltes tecnologies que són descendents del mètodes convencionals de fabricació de semiconductors de silici d'estat sòlid per fabricar microprocessadors ara són capaços de crear

característiques més petites que 100 nm, i per tant cauen en la definició de nanotecnologia. Els discs durs basats en magnetoresistència gegant ja en el mercat encaixen amb aquesta

descripció, com també les tècniques de deposició de capes atòmica (ALD).

- Les puntes dels microscopis de força atòmica es poden fer servir com una punta de bolígraf anomenat dip pen nanolithography. Aquest camp és anomenat nanolitografia.

- Els raigs d'ions focalitzars poden eliminar material o dipositar

material quan s'apliquen alhora gasos precursors adequat. Per exemple, aquesta tècnica es fa servir rutinàriament per crear seccions per sota dels 100 nm de material per a que es

puguin analitzar en el microscopi electrònic de transmissió (MET).

Enfocaments funcionals

Aquests enfocaments procuren desenvolupar components d'una funcionalitat desitjada sense considerar com es podrien muntar.

- L'electrònica molecular procura desenvolupar molècules amb propietats electròniques útils. Llavors es podrien fer servir com components de molècula única en un dispositiu

nanoelectrònic.

- Els mètodes químics sintètics també es poden fer servir per crear el que s'anomena motors moleculars sintètics, com el nanocotxe.

El futur de la nanotecnologia

Tots aquests subcamps procuren preveure quines invencions podria produir la nanotecnologia, o intenten preveure en quina investigació pot avançar:

- La nanotecnologia molecular és una de les investigacions proposades que implica manipular molècules singulars i controlar-les amb precisió. Això és més teòric que els altres

subcamps i està més enllà de les capacitats actuals.

- La nanorobòtica se centra en màquines autosuficients amb alguna funcionalitat que operen a nanoescala. Hi ha esperances per aplicar nanorobots en medicina, però pot no ser fàcil

fer-ho a causa d'uns quants desavantatges d'aquests dispositius. No obstant això, el progrés en materials innovadors i metodologies s'ha demostrat amb algunes patents concedides

sobre mecanismes de nanofabricació nous per a aplicacions comercials futures, els quals també contribueixen progressivament en el camí cap al desenvolupament de nanorobots amb

l'ús de conceptes de nanobioelectrònica.

- La matèria programable basada en àtoms artificials cerca dissenyar materials les propietats dels quals es puguin controlar fàcilment, de manera reversible i externa.