Entender la nanotecnología
22 Febrero, 2008, por Pilar Barrado GraciaLa nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.
Los orígenes de este campo se descubrieron a través del experimento de Young o doble rendija, este proceso puede realizarse con átomos, neutrones y en el caso de nuestro interés, con electrones.
La nanotecnología es la próxima revolución tecnológica, promete beneficios de todo tipo; el mayor problema resultó ser el estudio de estos nano materiales; se logró controlar el mundo microscópico a partir de 1981 con el descubrimiento del microscopio de barrido de efecto túnel, este sistema basa su funcionamiento en un efecto cuántico basado en distancias menores a la millonésima parte de un metro (10-9m = 1 nm):
El efecto túnel, desde el punto de vista de la mecánica clásica, trata en que un electrón no puede superar una barrera de potencial superior a su energía, sin embargo, según la mecánica cuántica, los electrones no están definidos por una posición precisa, sino por una nube de probabilidad, dicha nube se puede extender hasta el otro lado de la barrera de potencial, de esta forma genera una intensidad eléctrica, llamada intensidad de túnel y es el parámetro de control que nos permite realizar la topografía de superficie. En el caso de tomar medidas a escala atómica, el elemento que se usa como sonda de medida es aquel que tenga una resolución de esa misma escala; en el caso del microscopio de efecto túnel la sonda es una punta conductora, por ejemplo, de wolframio, antes del proceso es tratada para eliminar óxidos y para que esté lo más afilada posible, en condiciones ideales hay un solo átomo en el extremo de la sonda. La instalación consiste en un circuito eléctrico en el que están incluidos la muestra y la punta de medida; la intensidad apenas alcanza los nano amperios y es muy sensible tanto a la distancia, como a la diferencia de tensión entre la punta y la muestra. La toma de medidas y los movimientos de la punta se observan con un dispositivo piezoeléctrico. Se basa en la capacidad de atrapar a los electrones que escapan en ese efecto túnel, para lograr una imagen de la estructura atómica de la materia con una alta resolución, en la que cada átomo se puede distinguir de otro.
El efecto túnel es un fenómeno que no presenta analogía fuera de la mecánica cuántica, la única manera de explicar este efecto es apoyándose en la naturaleza dual que parece presentar la materia a este tamaño. Las partículas parecen comportarse, indistintamente, como ondas o como partículas, conocido como dualidad onda-corpúsculo, frente a determinadas condiciones de contorno. Esta teoría impide establecer con exactitud la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo, esto se explica con el principio de incertidumbre de Heisenberg: al preparar varias copias idénticas de un sistema en un estado determinado las medidas de la posición y de la cantidad de movimiento variarán de acuerdo con una cierta distribución de probabilidad característica del estado cuántico del sistema; las medidas del objeto observable sufrirá desviación estándar Δx de la posición y el momento Δp verifican el principio de incertidumbre:
En sistemas clásicos, esta incertidumbre es de posición-momento; en el caso de estados cuánticos h es demasiado pequeño, una de las formas alternativas del principio de incertidumbre es de tiempo-energía que se expresa como:
De esta forma se estudian las partículas virtuales, utilizadas para estudiar los estados intermedios de una interacción.
Para entender mejor este principio, pensamos en lo que sería la medida de la posición y velocidad de un electrón; para realizar la medida es necesario que un fotón de luz choque con el electrón, con lo cual se modifica su posición y velocidad; es decir, por el hecho de realizar la medida se modifican los datos de algún modo, introduciendo un error que es imposible reducir a cero.
Con todas estas teorías, se explica el funcionamiento del microscopio de efecto túnel de barrido y el microscopio de fuerza atómica que logran la determinación de las posiciones atómicas en una superficie, el primero, y el segundo, el desplazamiento de átomos individuales sobre superficies homogéneas.
Como dato de interés, podemos afirmar que conforme aumenta el potencial del mercado nanotecnológico también se incrementa el rango de oportunidades laborales para científicos, un estudio confirma que entre 2003 y el 2006 se crearon unos 10000 nuevos puestos relacionados con la nanotecnología y todo indica que se mantendrá esta tendencia. La revolución de lo pequeño está en marcha; tratar a dichas moléculas puede abrir puertas insospechadas en medicina, electrónica, industria… Muchos han anunciado este cambio como revolucionario en muchísimos ámbitos, la nanociencia promete chips tan pequeños que se podrán llevar en la ropa, embebidos en el tejido, promete nuevos materiales y técnicas en construcción, en realidad, los máximos promotores de la nanociencia dicen que se podrá hacer casi de todo.
APLICACIONES RECIENTES: un equipo de científicos del MIT y de las universidades de Nueva York y Tokio ha demostrado cómo se podría entrar en el cráneo y llegar al cerebro a través de la conexión de una red de nanocables de polímero a vasos sanguíneos en el cuello:
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