La conquista de la naturaleza por el hombre aún no ha terminado. En cualquier caso, hasta que hayamos capturado el nanomundo y establecido nuestras propias reglas en él. Veamos qué es y qué oportunidades nos brinda el mundo de los objetos medidos en nanómetros.
¿Qué es "nano"?
Érase una vez los logros de la microelectrónica. Ahora hemos entrado en una nueva era de nanotecnología. Entonces, ¿qué es este "nano", que aquí y allá comenzó a agregarse a las palabras habituales, dándoles un nuevo sonido moderno: nanorobots, nanomáquinas, nanoradio y así sucesivamente? El prefijo "nano" se utiliza en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Se utiliza para formar la notación de unidades decimales. Esta es una mil millonésima parte de la unidad original. En este caso, estamos hablando de objetos cuyas dimensiones están determinadas en nanómetros. Esto significa que un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. A modo de comparación, un micrón (también conocido como el micrómetro que dio el nombre a la microelectrónica y, además, a la microbiología, la microcirugía, etc.) es una millonésima parte de un metro.
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Si tomamos los milímetros como ejemplo (el prefijo "mili" es una milésima), entonces en un milímetro hay 1.000.000 nanómetros (nm) y, en consecuencia, 1.000 micrómetros (μm). El cabello humano tiene un grosor medio de 0,05 a 0,07 mm, es decir, 50 000 a 70 000 nm. Aunque el diámetro del cabello se puede escribir en nanómetros, está lejos del nanomundo. Profundicemos y veamos qué hay ahora.
El tamaño medio de las bacterias es de 0,5 a 5 µm (500 a 5000 nm). Los virus, uno de los principales enemigos de las bacterias, son aún más pequeños. El diámetro medio de la mayoría de los virus estudiados es de 20 a 300 nm (0,02 a 0,3 μm). Pero la hélice de ADN tiene un diámetro de 1.8-2.3 nm. Se cree que el átomo más pequeño es un átomo de helio, su radio es de 32 pm (0.032 nm) y el más grande es de cesio 225 pm (0.255 nm). En general, se considera que un nanoobjeto es un objeto cuyo tamaño en al menos una dimensión está en la nanoescala (1–100 nm).
¿Puedes ver el nanomundo?
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Por supuesto, quiero ver todo lo que se dice con mis propios ojos. Bueno, al menos en el ocular de un microscopio óptico. ¿Es posible mirar hacia el nanomundo? La forma habitual, como observamos, por ejemplo, los microbios, es imposible. ¿Por qué? Porque la luz, con cierto grado de convención, puede denominarse nanoondas. La longitud de onda del color violeta, a partir de la cual comienza el rango visible, es de 380 a 440 nm. La longitud de onda del color rojo es 620-740 nm. La radiación visible tiene longitudes de onda de cientos de nanómetros. En este caso, la resolución de los microscopios ópticos convencionales está limitada por el límite de difracción de Abbe a aproximadamente la mitad de la longitud de onda. La mayoría de los objetos que nos interesan son incluso más pequeños.
Por tanto, el primer paso hacia la penetración en el nano-mundo fue la invención del microscopio electrónico de transmisión. Además, el primer microscopio de este tipo fue creado por Max Knoll y Ernst Ruska en 1931. En 1986, se le otorgó el Premio Nobel de Física por su invento. El principio de funcionamiento es el mismo que el de un microscopio óptico convencional. Solo en lugar de luz, se dirige una corriente de electrones al objeto de interés, que se enfoca mediante lentes magnéticos. Si un microscopio óptico dio un aumento de aproximadamente mil veces, entonces un microscopio electrónico ya lo fue millones de veces. Pero también tiene sus inconvenientes. Primero, es necesario obtener muestras de materiales suficientemente delgadas para el trabajo. Deben ser transparentes en un haz de electrones, por lo que su espesor varía en el rango de 20 a 200 nm. En segundo lugar, esque la muestra bajo la influencia de haces de electrones puede descomponerse y volverse inutilizable.
Otra variante del microscopio de haz de electrones es el microscopio electrónico de barrido. No brilla a través de la muestra, como la anterior, sino que la escanea con un haz de electrones. Esto permite examinar muestras más gruesas. El procesamiento de la muestra analizada con un haz de electrones genera electrones secundarios y retrorreflejados, visibles (catodoluminiscencia) y rayos X, que son capturados por detectores especiales. A partir de los datos recibidos, se forma una idea del objeto. Los primeros microscopios electrónicos de barrido aparecieron a principios de la década de 1960.
Los microscopios de sonda de barrido son una clase relativamente nueva de microscopios que apareció ya en los años 80. El ya mencionado Premio Nobel de Física de 1986 se dividió entre el inventor del microscopio electrónico de transmisión Ernst Ruska y los creadores del microscopio de túnel de barrido Gerd Binnig y Heinrich Rohrer. Los microscopios de barrido permiten no examinar, sino "sentir" el relieve de la superficie de la muestra. Los datos resultantes luego se convierten en una imagen. A diferencia del microscopio electrónico de barrido, la sonda utiliza una aguja de barrido afilada para su funcionamiento. La aguja, cuya punta tiene solo unos pocos átomos de grosor, actúa como una sonda, que se lleva a la distancia mínima a la muestra: 0,1 nm. Durante el escaneo, la aguja se mueve sobre la superficie de la muestra. Surge una corriente de túnel entre la punta y la superficie de la muestra,y su valor depende de la distancia entre ellos. Los cambios se registran, lo que permite construir un mapa de altura sobre su base, una representación gráfica de la superficie del objeto.
Otro microscopio de la clase de microscopios de sonda de barrido utiliza un principio de funcionamiento similar: la fuerza atómica. También hay una punta de sonda y un resultado similar: una representación gráfica del relieve de la superficie. Pero no es la magnitud de la corriente lo que se mide, sino la interacción de la fuerza entre la superficie y la sonda. En primer lugar, se entienden las fuerzas de van der Waals, pero también las fuerzas elásticas, las fuerzas capilares, las fuerzas de adherencia y otras. A diferencia del microscopio de túnel de barrido, que solo se puede utilizar para estudiar metales y semiconductores, el microscopio de fuerza atómica también permite el estudio de dieléctricos. Pero esta no es su única ventaja. Permite no solo mirar el nanomundo, sino también manipular átomos.
Molécula de pentaceno. A es un modelo de molécula. B - imagen obtenida por un microscopio de efecto túnel. C - imagen obtenida por un microscopio de fuerza atómica. D - varias moléculas (AFM). A, B y C en la misma escala
Foto: Ciencia
Nanomáquinas
En la naturaleza, a nanoescala, es decir, a nivel de átomos y moléculas, tienen lugar muchos procesos. Por supuesto, todavía podemos influir en cómo proceden. Pero lo hacemos casi a ciegas. Las nanomáquinas son un instrumento específico para trabajar en el nanomundo; son dispositivos que permiten manipular átomos y moléculas individuales. Hasta hace poco, solo la naturaleza podía crearlos y controlarlos. Estamos a un paso del día en que podamos hacer esto también.
Nanomáquinas
Foto: warosu.org
¿Qué pueden hacer las nanomáquinas? Tomemos la química, por ejemplo. La síntesis de compuestos químicos se basa en el hecho de que creamos las condiciones necesarias para que se produzca una reacción química. Como resultado, tenemos una cierta sustancia en la salida. En el futuro, los compuestos químicos se pueden crear, relativamente hablando, mecánicamente. Las nanomáquinas podrán conectar y separar átomos y moléculas individuales. Como resultado, se formarán enlaces químicos o, a la inversa, se romperán los enlaces existentes. La construcción de nanomáquinas permitirá crear las estructuras moleculares que necesitamos a partir de los átomos. Nanorobots químicos: sintetizan compuestos químicos. Este es un gran avance en la creación de materiales con las propiedades deseadas. Al mismo tiempo, es un gran avance en la protección del medio ambiente. Es fácil asumir que las nanomáquinas son una excelente herramienta para reciclar residuos,que en condiciones normales son difíciles de eliminar. Sobre todo si hablamos de nanomateriales. Después de todo, cuanto más avanza el progreso técnico, más difícil es para el medio ambiente hacer frente a sus resultados. Durante demasiado tiempo, la descomposición de nuevos materiales inventados por el hombre tiene lugar en el medio natural. Todo el mundo sabe cuánto tiempo se tarda en descomponer las bolsas de plástico desechadas, producto de la revolución científica y tecnológica anterior. ¿Qué pasará con los nanomateriales, que tarde o temprano se convertirán en basura? Las mismas nanomáquinas deberán realizar su procesamiento.cuánto tardan las bolsas de plástico desechadas en descomponerse, producto de una revolución científica y tecnológica anterior. ¿Qué pasará con los nanomateriales, que tarde o temprano se convertirán en basura? Las mismas nanomáquinas deberán realizar su procesamiento.cuánto tardan las bolsas de plástico desechadas en descomponerse, producto de una revolución científica y tecnológica anterior. ¿Qué pasará con los nanomateriales, que tarde o temprano se convertirán en basura? Las mismas nanomáquinas deberán realizar su procesamiento.
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Nanomáquina de rueda de fullereno
Foto: warosu.org
Los científicos llevan mucho tiempo hablando de la mecanosíntesis. Es una síntesis química que se realiza mediante sistemas mecánicos. Su ventaja se ve en el hecho de que permitirá el posicionamiento de reactivos con un alto grado de precisión. Pero hasta el momento no existe ninguna herramienta que permita implementarlo de manera efectiva. Por supuesto, los microscopios de fuerza atómica que existen en la actualidad pueden actuar como tales instrumentos. Sí, permiten no solo mirar el nanomundo, sino también operar con átomos. Pero como objetos del macrocosmos, no son los más adecuados para la aplicación masiva de tecnología, lo que no se puede decir de las nanomáquinas. En el futuro, se utilizarán para crear nanofábricas y transportadores moleculares completos.
Pero ya existen nanofábricas biológicas completas. Existen en nosotros y en todos los organismos vivos. Es por eso que se esperan avances en la medicina, la biotecnología y la genética de la nanotecnología. Al crear nanomáquinas artificiales e introducirlas en células vivas, podemos lograr resultados impresionantes. Primero, las nanomáquinas pueden usarse para el transporte dirigido de medicamentos al órgano deseado. No tenemos que tomar medicamentos, ya que nos damos cuenta de que solo una parte llegará al órgano enfermo. En segundo lugar, las nanomáquinas ya están asumiendo las funciones de edición del genoma. La tecnología CRISPR / Cas9, extraída de la naturaleza, le permite realizar cambios en el genoma de organismos unicelulares y superiores, incluidos los humanos. Además, estamos hablando no solo de editar el genoma de los embriones, sino también del genoma de organismos adultos vivos. Y las nanomáquinas harán todo esto.
Nanoradio
Si las nanomáquinas son nuestro instrumento en el nanomundo, de alguna manera deben ser controladas. Sin embargo, aquí tampoco es necesario inventar algo fundamentalmente nuevo. Uno de los métodos de control más probables es la radio. Ya se han dado los primeros pasos en esta dirección. Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, dirigido por Alex Zettle, han creado un receptor de radio a partir de un solo nanotubo de unos 10 nm de diámetro. Además, el nanotubo actúa simultáneamente como antena, selector, amplificador y demodulador. El receptor de nanoradio puede recibir ondas FM y AM con una frecuencia de 40 a 400 MHz. Según los desarrolladores, el dispositivo puede usarse no solo para recibir una señal de radio, sino también para transmitirla.
Las ondas de radio recibidas hacen vibrar la antena de nanoradio
nsf.gov
La música de Eric Clapton y los Beach Boys sirvió como señal de prueba. Los científicos transmitieron una señal de una parte de la habitación a otra, donde estaba ubicada la radio que crearon. Al final resultó que, la calidad de la señal era bastante buena. Pero, naturalmente, el propósito de tal radio no es escuchar música. El receptor de radio se puede aplicar en una variedad de nanodispositivos. Por ejemplo, en los mismos nanorobots se administran medicamentos que llegarán al órgano deseado a través del torrente sanguíneo.
Nanomateriales
La creación de materiales con propiedades antes inimaginables es otra oportunidad que nos ofrece la nanotecnología. Para ser considerado "nano", un material debe tener una o más dimensiones en la nanoescala. Puede crearse mediante nanopartículas o mediante nanotecnología. La clasificación más conveniente de los nanomateriales en la actualidad es según la dimensión de los elementos estructurales que los componen.
Cero-dimensional (0D): nanoclusters, nanocristales, nanodispersiones, puntos cuánticos. Ninguno de los lados del nanomaterial 0D va más allá de la nanoescala. Estos son materiales en los que las nanopartículas están aisladas entre sí. Las primeras estructuras complejas de dimensión cero obtenidas y aplicadas en la práctica son los fullerenos. Los fullerenos son los antioxidantes más fuertes que se conocen en la actualidad. En farmacología, las esperanzas de la creación de nuevos medicamentos están puestas en ellos. Los derivados del fullereno se muestran bien en el tratamiento del VIH. Y al crear nanomáquinas, los fullerenos se pueden utilizar como piezas. La nanomáquina con ruedas de fullereno se muestra arriba.
Fullereno
Foto: wikipedia.org
Unidimensional (1D): nanotubos, fibras y varillas. Su longitud varía de 100 nm a decenas de micrómetros, pero su diámetro cae dentro de la nanoescala. Los materiales unidimensionales más famosos en la actualidad son los nanotubos. Tienen propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y magnéticas únicas. En un futuro cercano, los nanotubos deberían encontrar aplicación en electrónica molecular, biomedicina y en la creación de nuevos materiales compuestos súper fuertes y ultraligeros. Los nanotubos ya se utilizan como agujas en microscopios de exploración de túneles y de fuerza atómica. Arriba, hablamos sobre la creación de nanoradio basadas en nanotubos. Y, por supuesto, la esperanza está puesta en los nanotubos de carbono como material para el cable del ascensor espacial.
Nanotubo de carbono
Foto: wikipedia.org
Dos dimensiones (2D): películas (recubrimientos) de espesor nanométrico. Este es el conocido grafeno, una modificación alotrópica bidimensional del carbono (el grafeno recibió el Premio Nobel de Física en 2010). Menos conocido por el público es el silicene - una modificación bidimensional de silicio, fósforo - fósforo, germanene - germanio. El año pasado, los científicos crearon borofeno, que, a diferencia de otros materiales bidimensionales, resultó no ser plano, sino ondulado. La disposición de los átomos de boro en forma de estructura ondulada proporciona las propiedades únicas del nanomaterial obtenido. Borofen afirma ser el líder en resistencia a la tracción entre los materiales bidimensionales.
Estructura de borofeno
Foto: MIPT
Los materiales bidimensionales deberían encontrar aplicación en electrónica, en el diseño de filtros para la desalación de agua de mar (membranas de grafeno) y la creación de células solares. En un futuro cercano, el grafeno puede reemplazar al óxido de indio, un metal raro y caro, en la producción de pantallas táctiles.
Los nanomateriales tridimensionales (3D) son polvos, materiales fibrosos, multicapa y policristalinos, en los que los nanomateriales de dimensión cero, unidimensionales y bidimensionales anteriores son elementos estructurales. Al adherirse estrechamente entre sí, forman interfaces entre sí: interfaces.
Tipos de nanomateriales
Foto: thesaurus.rusnano.com
Pasará un poco más de tiempo y la nanotecnología: las tecnologías para manipular objetos a nanoescala se convertirán en algo común. Así como las tecnologías microelectrónicas se han vuelto familiares, dándonos computadoras, teléfonos móviles, satélites y muchos otros atributos de la era de la información moderna. Pero el impacto de la nanotecnología en la vida será mucho más amplio. Los cambios nos esperan en casi todas las esferas de la actividad humana.
Sergey Sobol
