Nanotecnología , la manipulación y fabricación de materiales y dispositivos a escala de átomos o pequeños grupos de átomos. La “nanoescala” generalmente se mide en nanómetros, o billonésimas de metro ( nanos , la palabra griega que significa “enano”, que es la fuente del prefijo), y los materiales construidos a esta escala a menudo exhiben propiedades físicas y químicas distintivas debido a la cuántica. efectos mecánicos Aunque los dispositivos utilizables de este tamaño pueden estar a décadas de distancia ( ver sistema microelectromecánico), las técnicas para trabajar a nanoescala se han vuelto esenciales para la ingeniería electrónica, y los materiales de nanoingeniería han comenzado a aparecer en los productos de consumo. Por ejemplo, miles de millones de microscópicos ”
nanowhiskers ”, cada uno de aproximadamente 10 nanómetros de longitud, se han enganchado molecularmente a fibras naturales y sintéticas para impartir resistencia a las manchas a la ropa y otras telas; los nanocristales de óxido de zinc se han utilizado para crear filtros solares invisibles que bloquean la luz ultravioleta; y nanocristales de plata se han incrustado en vendajes para matar bacterias y prevenir infecciones.
Ejemplos de reinos biológicos y mecánicos ilustran varios “órdenes de magnitud” (potencias de 10), desde 10−2 metros hasta 10−7 metros. Ilustración: Encyclopædia Britannica, Inc .; fotografías: (dispositivos microelectromecánicos) Cortesía de Sandia National Laboratories, SUMMiT ™ Technologies; (corral cuántico) cortesía de IBM Research Center, uso no autorizado no permitido; (glóbulos rojos) Susumu Nishinaga / Science Source; (cabello humano) Manfred Kage / Peter Arnold, Inc .; (ácaro del polvo) Andrew Syred / Science Source
nanotecnología: procesamiento de alimentos Conozca el uso de la nanotecnología en el procesamiento de alimentos, incluidos los posibles problemas de salud.
Las posibilidades para el futuro son numerosas. La nanotecnología puede permitir la fabricación de materiales más livianos, más fuertes y programables que requieren menos energía para producir que los materiales convencionales, que producen menos desechos que con la fabricación convencional, y que prometen una mayor eficiencia de combustible en el transporte terrestre, barcos, aviones y vehículos espaciales. . Los nanorecubrimientos para superficies opacas y translúcidas pueden hacerlos resistentes a la corrosión, arañazos y radiación. Se pueden fabricar dispositivos y sistemas electrónicos, magnéticos y mecánicos a nanoescala con niveles sin precedentes de procesamiento de información, al igual que sensores químicos, fotoquímicos y biológicos para protección, cuidado de la salud, fabricación y el medio ambiente; nuevos materiales fotoeléctricos que permitirán la fabricación de paneles de energía solar rentables; y dispositivos híbridos de semiconductores moleculares que pueden convertirse en motores para la próxima revolución en la era de la información. Las posibilidades de mejorar la salud, la seguridad, la calidad de vida y la conservación del medio ambiente son enormes.
Al mismo tiempo, deben superarse desafíos importantes para que se realicen los beneficios de la nanotecnología. Los científicos deben aprender a manipular y caracterizar átomos individuales y pequeños grupos de átomos de manera confiable. Se necesitan herramientas nuevas y mejoradas para controlar las propiedades y la estructura de los materiales a nanoescala; Las mejoras significativas en las simulaciones por computadora de las estructuras atómicas y moleculares son esenciales para la comprensión de este ámbito. A continuación, se necesitan nuevas herramientas y enfoques para ensamblar átomos y moléculas en sistemas a nanoescala y para el ensamblaje posterior de sistemas pequeños en objetos más complejos. Además, los productos de nanotecnología deben proporcionar no solo un mejor rendimiento, sino también un menor costo. Finalmente, sin la integración de objetos a nanoescala con sistemas a escala micro y macro (es decir, desde millonésimas de metro hasta la escala milimétrica), será muy difícil explotar muchas de las propiedades únicas que se encuentran en la nanoescala.
Descripción general de la nanotecnología
La nanotecnología es altamente interdisciplinaria e involucra física, química, biología, ciencia de los materiales y toda la gama de disciplinas de ingeniería. La palabra nanotecnología se usa ampliamente como abreviatura para referirse tanto a la ciencia como a la tecnología de este campo emergente. Definida estrechamente, la nanociencia se refiere a una comprensión básica de las propiedades físicas, químicas y biológicas a escalas atómicas y casi atómicas. La nanotecnología, estrictamente definida, emplea la manipulación controlada de estas propiedades para crear materiales y sistemas funcionales con capacidades únicas.
nanotecnología; farmacología Examinando cómo los avances en nanotecnología están permitiendo a los científicos comprender y aplicar mejor los conceptos de ingeniería de partículas, específicamente en el campo de la farmacología.
En contraste con los recientes esfuerzos de ingeniería, la naturaleza desarrolló “nanotecnologías” durante miles de millones de años, empleando enzimas y catalizadores para organizar con exquisita precisión diferentes tipos de átomos y moléculas en complejas estructuras microscópicas que hacen posible la vida. Estos productos naturales están construidos con gran eficiencia y tienen capacidades impresionantes, como el poder de recolectar energía solar, convertir minerales y agua en células vivas, almacenar y procesar cantidades masivas de datos utilizando grandes conjuntos de células nerviosas y replicar perfectamente miles de millones de bits de información almacenados en moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN).
Hay dos razones principales para las diferencias cualitativas en el comportamiento del material a nanoescala (tradicionalmente definido como menos de 100 nanómetros). Primero, los efectos de la mecánica cuántica entran en juego en dimensiones muy pequeñas y conducen a una nueva física y química. En segundo lugar, una característica definitoria a nanoescala es la gran relación superficie-volumen de estas estructuras. Esto significa que ningún átomo está muy lejos de una superficie o interfaz, y el comportamiento de los átomos en estos sitios de mayor energía tiene una influencia significativa en las propiedades del material. Por ejemplo, la reactividad de una partícula de catalizador metálico generalmente aumenta apreciablemente a medida que se reduce su tamaño: el oro macroscópico es químicamente inerte, mientras que a nanoescalas el oro se vuelve extremadamente reactivo y catalítico e incluso se funde a una temperatura más baja. Por lo tanto, a dimensiones nanométricas, las propiedades del material dependen y cambian con el tamaño, así como con la composición y la estructura.
Usando los procesos de nanotecnología, la producción industrial básica puede desviarse dramáticamente del curso seguido por las plantas siderúrgicas y las fábricas químicas del pasado. Las materias primas provendrán de los átomos de elementos abundantes —carbono, hidrógeno y silicio— y estos serán manipulados en configuraciones precisas para crear materiales nanoestructurados que exhiban exactamente las propiedades correctas para cada aplicación en particular. Por ejemplo, los átomos de carbono se pueden unir en una variedad de geometrías diferentes para crear una fibra, un tubo, un recubrimiento molecular o un alambre, todo con la relación resistencia / peso superior de otro material de carbono: el diamante. Además, dicho procesamiento de materiales no necesita chimeneas, maquinaria industrial que necesita mucha energía o trabajo humano intensivo. En cambio, puede lograrse ya sea “haciendo crecer” nuevas estructuras a través de alguna combinación de catalizadores químicos y enzimas sintéticas o construyéndolas a través de nuevas técnicas basadas en patrones y autoensamblaje de materiales a nanoescala en diseños predeterminados útiles. En última instancia, la nanotecnología puede permitir a las personas fabricar casi cualquier tipo de material o producto permitido según las leyes de la física y la química. Si bien estas posibilidades parecen remotas, incluso acercarse al virtuosismo de la naturaleza en la fabricación con eficiencia energética sería revolucionario.
Aún más revolucionario sería la fabricación de máquinas y dispositivos a nanoescala para su incorporación a sistemas de micro y macroescala. Una vez más, la naturaleza ha liderado el camino con la fabricación de motores moleculares lineales y rotativos. Estas máquinas biológicas llevan a cabo tareas tales como la contracción muscular (en organismos que van desde las almejas hasta los humanos) y transportan pequeños paquetes de material dentro de las células mientras son alimentados por el trifosfato de adenosina de combustible reciclable y energéticamente eficiente. Los científicos apenas están comenzando a desarrollar las herramientas para fabricar sistemas funcionales a escalas tan pequeñas, con la mayoría de los avances basados en sistemas electrónicos o magnéticos de procesamiento y almacenamiento de información. Los aspectos energéticamente eficientes, reconfigurables y de reparación automática de los sistemas biológicos se están entendiendo.
Se espera que el impacto potencial de los procesos, máquinas y productos de nanotecnología sea de gran alcance y afecte a casi todas las tecnologías de información, fuentes de energía, productos agrícolas, dispositivos médicos, productos farmacéuticos y materiales utilizados en la fabricación. Mientras tanto, las dimensiones de los circuitos electrónicos en los semiconductores continúan reduciéndose, con tamaños mínimos de características que ahora alcanzan el nanorreal, por debajo de 100 nanómetros. Del mismo modo, los materiales de memoria magnética, que forman la base de las unidades de disco duro, han logrado una densidad de memoria dramáticamente mayor como resultado de la estructuración a nanoescala para explotar nuevos efectos magnéticos en las nanodimensiones. Estas dos últimas áreas representan otra tendencia importante, la evolución de elementos críticos de la microtecnología en el ámbito de la nanotecnología para mejorar el rendimiento. Son inmensos mercados impulsados por el rápido avance de la tecnología de la información.
Hitos en el desarrollo de la nanotecnología
Visionarios
En una conferencia en 1959 a la American Physical Society, “Hay mucho espacio en la parte inferior”, Nobel estadounidense
Richard P. Feynman presentó a su audiencia una visión de lo que podría hacerse con una miniaturización extrema. Comenzó su conferencia señalando que la Oración del Señor había sido escrita en la cabeza de un alfiler y preguntó:
Feynman, Richard P .; electrodinámica cuántica; nanotecnología Usando QED , una obra sobre el físico Richard Feynman, para enseñar ciencia e ingeniería.
¿Por qué no podemos escribir los 24 volúmenes completos de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler? Veamos qué implicaría. La cabeza de un alfiler mide dieciseisavos de pulgada de ancho. Si lo magnifica en 25,000 diámetros, el área de la cabeza del alfiler es igual al área de todas las páginas de la Enciclopedia Británica . Por lo tanto, todo lo que hay que hacer es reducir en tamaño toda la escritura en la Enciclopedia en 25,000 veces. ¿Es eso posible? El poder de resolución del ojo es de aproximadamente 1/120 de pulgada, es decir, aproximadamente el diámetro de uno de los pequeños puntos en las finas reproducciones de medio tono en la Enciclopedia . Esto, cuando lo demagnifica 25,000 veces, todavía tiene 80 angstroms de diámetro, 32 átomos de ancho, en un metal ordinario. En otras palabras, uno de esos puntos todavía contendría en su área 1,000 átomos. Por lo tanto, cada punto se puede ajustar fácilmente en tamaño según lo requiera el fotograbado, y no hay duda de que hay suficiente espacio en la cabeza de un alfiler para colocar toda la Enciclopedia Británica .
Feynman estaba intrigado por la biología y señaló que
las células son muy pequeñas, pero son muy activas; fabrican diversas sustancias; ellos caminan alrededor; ellos se menean; y hacen todo tipo de cosas maravillosas, todo a muy pequeña escala. Además, almacenan información. Considere la posibilidad de que nosotros también podamos hacer algo muy pequeño que haga lo que queramos, ¡que podamos fabricar un objeto que maniobre a ese nivel!
También consideró usar herramientas grandes para hacer herramientas más pequeñas que podrían hacer herramientas aún más pequeñas, y finalmente obtener herramientas a nanoescala para manipular directamente átomos y moléculas. Al considerar lo que todo esto podría significar, Feynman declaró:
Apenas puedo dudar de que cuando tengamos un cierto control de la disposición de las cosas a pequeña escala, obtendremos una gama enormemente mayor de posibles propiedades que las sustancias pueden tener y de diferentes cosas que podemos hacer.
Quizás la mayor barrera para seguir estos pensamientos proféticos fue simplemente la falta inmediata de herramientas para manipular y visualizar la materia a una escala tan pequeña. La disponibilidad de herramientas siempre ha sido un aspecto habilitante del avance de toda la ciencia y la tecnología, y algunas de las herramientas clave para la nanotecnología se analizan en la siguiente sección, Pioneros.
Comenzando con un artículo de 1981 en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias y siguiendo con dos libros populares, Engines of Creation (1986) y Nanosystems (1992), científico estadounidense
K. Eric Drexler se convirtió en uno de los principales defensores de la nanotecnología. De hecho, Drexler fue la primera persona en recibir un Ph.D. en nanotecnología molecular (del Instituto de Tecnología de Massachusetts). En sus trabajos escritos, toma una visión molecular del mundo e imagina que las máquinas moleculares harán gran parte del trabajo del futuro. Por ejemplo, se refiere a “ensambladores”, que manipularán átomos individuales para fabricar estructuras, y “replicadores”, que podrán hacer múltiples copias de sí mismos para ahorrar tiempo al tratar con los miles de millones de átomos necesarios para fabricar objetos de tamaño útil En un artículo para el Anuario de Ciencia y el Futuro de la Enciclopedia Británica de 1990 , Drexler escribió:
Las células y los tejidos del cuerpo humano son construidos y mantenidos por maquinaria molecular, pero a veces esa maquinaria resulta inadecuada: los virus se multiplican, las células cancerosas se propagan o los sistemas envejecen y se deterioran. Como era de esperar, las nuevas máquinas moleculares y computadoras de tamaño subcelular podrían soportar los mecanismos del cuerpo. Los dispositivos que contienen nanocomputadoras interconectados con sensores moleculares y efectores podrían servir como un sistema inmune aumentado, buscando y destruyendo virus y células cancerosas. Dispositivos similares programados como máquinas de reparación podrían ingresar a las células vivas para editar secuencias de ADN virales y reparar el daño molecular. Dichas máquinas llevarían el control quirúrgico al nivel molecular, abriendo nuevos horizontes en la medicina.
Las visiones futuristas de Drexler han estimulado mucho pensamiento, pero el enfoque de ensamblador no ha tenido en cuenta la fuerte influencia de las fuerzas atómicas y moleculares (es decir, la química) en tales dimensiones. La controversia en torno a estas popularizaciones y los peligros potenciales de entidades como los replicadores inteligentes (aunque remotos) han estimulado el debate sobre las implicaciones éticas y sociales de la nanotecnología.
Pioneros
Algunos pioneros tecnológicos han logrado varios hitos tecnológicos clave.
La epitaxia del haz molecular, inventada por Alfred Cho y John Arthur en Bell Labs en 1968 y desarrollada en la década de 1970, permitió la deposición controlada de capas atómicas individuales. Esta herramienta proporcionó la nanoestructuración en una dimensión a medida que las capas atómicas se hicieron crecer una tras otra. Posteriormente se volvió importante en el área de fabricación de dispositivos semiconductores compuestos. Por ejemplo, el emparejamiento de capas de un nanómetro de espesor de materiales de sensores no magnéticos entre capas magnéticas en unidades de disco de computadora resultó en grandes aumentos en la capacidad de almacenamiento, y un uso similar de nanoestructuración resultó en láseres de semiconductores más eficientes energéticamente para su uso en reproductores de discos compactos.
En 1981, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer desarrollaron el microscopio de túnel de exploración en los laboratorios de IBM en Suiza. Esta herramienta proporcionó un avance revolucionario al permitir a los científicos obtener imágenes de la posición de los átomos individuales en las superficies. Le valió a Binnig y Rohrer un Premio Nobel en 1986 y generó una amplia variedad de herramientas de exploración para observaciones a nanoescala.
La observación de nuevas estructuras de carbono marcó otro hito importante en el avance de la nanotecnología, con premios Nobel para los descubridores. En 1985
Robert F. Curl, Jr., Harold W. Kroto y
Richard E. Smalley descubrió el primer fullereno, la tercera forma conocida de carbono puro (después del diamante y el grafito). Llamaron a su descubrimiento buckminsterfullerene (“buckyball”) por su parecido con las cúpulas geodésicas promovidas por el arquitecto estadounidense R. Buckminster Fuller. Técnicamente llamados C60 por los 60 átomos de carbono que forman su estructura esférica hueca, las buckyballs se asemejan a un balón de fútbol de un nanómetro de diámetro ( ver figura). En 1991
Sumio Iijima de NEC Corporation en Japón descubierto
nanotubos de carbono, en los que las estructuras en forma de anillo de carbono se extienden desde las esferas a tubos largos de diámetro variable. En conjunto, estas nuevas estructuras sorprendieron y entusiasmaron la imaginación de los científicos sobre las posibilidades de formar nanoestructuras bien definidas con nuevas propiedades inesperadas.
La estructura de buckminsterfullereno (C60).
El microscopio de túnel de escaneo no solo permitió obtener imágenes de átomos al escanear una punta de sonda afilada sobre una superficie, sino que también permitió que los átomos fueran “empujados” alrededor de la superficie. Con un ligero voltaje de polarización aplicado a la punta de la sonda, se podría hacer que ciertos átomos se adhieran a la punta utilizada para obtener imágenes y luego se liberen de ella. Así, en 1990, Donald Eigler deletreó las letras del logotipo de su compañía,
IBM, moviendo 35 átomos de xenón en su lugar sobre una superficie de níquel. Esta demostración llamó la atención del público porque mostró la precisión de las herramientas emergentes a nanoescala.
Propiedades en la nanoescala
En las dimensiones a nanoescala, las propiedades de los materiales ya no dependen únicamente de la composición y la estructura en el sentido habitual. Los nanomateriales muestran nuevos fenómenos asociados con efectos cuantificados y con la preponderancia de superficies e interfaces.
Los efectos cuantificados surgen en el régimen de nanómetros porque las dimensiones generales de los objetos son comparables a la longitud de onda característica de las excitaciones fundamentales en los materiales. Por ejemplo, las funciones de onda de electrones ( ver también onda de Broglie) en semiconductores son típicamente del orden de 10 a 100 nanómetros. Tales excitaciones incluyen la longitud de onda de electrones, fotones, fonones y magnones, por nombrar algunos. Estas excitaciones transportan los cuantos de energía a través de los materiales y, por lo tanto, determinan la dinámica de su propagación y transformación de una forma a otra. Cuando el tamaño de las estructuras es comparable a los cuantos mismos, influye en cómo estas excitaciones se mueven e interactúan en el material. Las estructuras pequeñas pueden limitar el flujo, crear efectos de interferencia de onda y, de lo contrario, poner en juego reglas de selección mecánica cuántica que no son aparentes en dimensiones más grandes.
Comportamiento electrónico y fotónico.
Las propiedades mecánicas cuánticas para el confinamiento de electrones en una dimensión han sido explotadas durante mucho tiempo en la electrónica de estado sólido. Los dispositivos semiconductores se cultivan con capas delgadas de diferente composición para que los electrones (u “agujeros” en el caso de la falta de cargas de electrones) se puedan confinar en regiones específicas de la estructura (conocidas como pozos cuánticos). Las capas delgadas con espacios de banda de energía más grandes pueden servir como barreras que restringen el flujo de cargas a ciertas condiciones bajo las cuales pueden “hacer túneles” a través de estas barreras, la base de los diodos de túnel resonantes.
Las superredes son estructuras periódicas de pozos repetidos que establecen un nuevo conjunto de reglas de selección que afectan las condiciones para que las cargas fluyan a través de la estructura. Las superredes han sido explotadas en láser en cascada para lograr longitudes de onda infrarrojas lejanas. Las telecomunicaciones modernas se basan en láseres de semiconductores que explotan las propiedades únicas de los pozos cuánticos para lograr longitudes de onda específicas y alta eficiencia.
La propagación de fotones se altera dramáticamente cuando el tamaño y la periodicidad de la estructura transitoria se acercan a la longitud de onda de la luz visible (400 a 800 nanómetros). Cuando los fotones se propagan a través de una constante dieléctrica que varía periódicamente (por ejemplo, postes semiconductores rodeados de aire), las reglas de la mecánica cuántica definen y limitan la propagación de los fotones dependiendo de su energía (longitud de onda). Este nuevo comportamiento es análogo a las reglas de la mecánica cuántica que definen el movimiento de los electrones a través de los cristales, lo que proporciona espacios para los semiconductores. En una dimensión, las superredes compuestas de semiconductores pueden crecer epitaxialmente con las capas alternas que tienen diferentes constantes dieléctricas, proporcionando así espejos altamente reflectantes para longitudes de onda específicas según lo determinado por la distancia de repetición de las capas en la superredes. Estas estructuras se utilizan para proporcionar espejos “incorporados” para láseres emisores de superficie de cavidad vertical, que se utilizan en aplicaciones de comunicaciones. En dos y tres dimensiones, las estructuras periódicas conocidas como cristales fotónicos ofrecen un control adicional sobre la propagación de fotones.
Los cristales fotónicos se están explorando en una variedad de materiales y periodicidades, como conjuntos hexagonales bidimensionales de postes fabricados en semiconductores compuestos o conjuntos apilados de barras de silicio en tres dimensiones. Las dimensiones de estas estructuras dependen de la longitud de onda de la luz que se propaga y están típicamente en el rango de unos pocos cientos de nanómetros para longitudes de onda en el infrarrojo visible y cercano. Las propiedades de los cristales fotónicos basados en materiales nanoestructurados ofrecen la posibilidad de confinar, dirigir y separar la luz mediante longitudes de onda en escalas pequeñas sin precedentes y de crear nuevos dispositivos como láseres que requieren corrientes muy bajas para iniciar el láser (llamados láseres casi sin umbral). Estas estructuras se están investigando ampliamente a medida que las herramientas para los materiales de nanoestructuración avanzan constantemente. Los investigadores están particularmente interesados en las longitudes de onda infrarrojas, donde el control dimensional no es tan estricto como en las longitudes de onda visibles más cortas y donde las comunicaciones ópticas y la detección química proporcionan motivación para posibles nuevas aplicaciones.
Comportamiento magnético, mecánico y químico.
Los materiales a nanoescala también tienen un comportamiento magnético dependiente del tamaño, propiedades mecánicas y reactividad química. En tamaños muy pequeños (unos pocos nanómetros), los nanoclusters magnéticos tienen un solo dominio magnético, y los espines magnéticos fuertemente acoplados en cada átomo se combinan para producir una partícula con un solo espín “gigante”. Por ejemplo, el giro gigante de una partícula de hierro ferromagnético gira libremente a temperatura ambiente para diámetros inferiores a unos 16 nanómetros, un efecto denominado
superparamagnetismo. Las propiedades mecánicas de los materiales nanoestructurados pueden alcanzar resistencias excepcionales. Como ejemplo específico, la introducción de precipitados de óxido de aluminio de dos nanómetros en películas delgadas de níquel puro da como resultado un límite elástico que aumenta de 0.15 a 5 gigapascales, que es más del doble que para un acero de soporte duro. Otro ejemplo de propiedades mecánicas excepcionales a nanoescala es el nanotubo de carbono, que exhibe una gran resistencia y rigidez a lo largo de su eje longitudinal.
La preponderancia de las superficies es una razón importante para el cambio en el comportamiento de los materiales a nanoescala. Dado que hasta la mitad de todos los átomos en las nanopartículas son átomos de superficie, las propiedades como el transporte eléctrico ya no están determinadas por fenómenos a granel en estado sólido. Del mismo modo, los átomos en las nanoestructuras tienen una energía promedio más alta que los átomos en las estructuras más grandes, debido a la gran proporción de átomos en la superficie. Por ejemplo, los materiales catalíticos tienen una mayor actividad química por átomo de superficie expuesta ya que el catalizador se reduce de tamaño a nanoescala. Los defectos e impurezas pueden verse atraídos por las superficies y las interfaces, y las interacciones entre las partículas en estas pequeñas dimensiones pueden depender de la estructura y la naturaleza del enlace químico en la superficie. Las monocapas moleculares pueden usarse para cambiar o controlar las propiedades de la superficie y para mediar la interacción entre las nanopartículas.
Las superficies y sus interacciones con las estructuras moleculares son básicas para toda biología. La intersección de la nanotecnología y la biotecnología ofrece la posibilidad de lograr nuevas funciones y propiedades con superficies nanoestructuradas. En este régimen dominado por la superficie y la interfaz, la biología hace un trabajo exquisito al controlar selectivamente las funciones a través de una combinación de estructura y fuerzas químicas. La transcripción de la información almacenada en los genes y la selectividad de las reacciones bioquímicas basadas en el reconocimiento químico de moléculas complejas son ejemplos en los que las interfaces desempeñan un papel clave en el establecimiento del comportamiento a nanoescala. Las fuerzas atómicas y los enlaces químicos dominan en estas dimensiones, mientras que los efectos macroscópicos, como la convección, la turbulencia y el impulso (fuerzas de inercia), tienen poca consecuencia.
Investigación en nanotecnología
Nanomateriales
Como se discutió en la sección Propiedades a nanoescala, las propiedades del material (eléctrico, óptico, magnético, mecánico y químico) dependen de sus dimensiones exactas. Esto abre el camino para el desarrollo de materiales nuevos y mejorados mediante la manipulación de su nanoestructura. Los conjuntos jerárquicos de materiales diseñados a nanoescala en estructuras más grandes, o su incorporación en dispositivos, proporcionan la base para adaptar materiales y máquinas radicalmente nuevos.
Las asambleas de la naturaleza señalan el camino para mejorar los materiales estructurales. La cáscara de abulón a menudo citada proporciona un hermoso ejemplo de cómo la combinación de un material inorgánico duro y quebradizo con estructura nanoescala y un material orgánico blando y “resistente” puede producir un nanocompuesto fuerte y duradero, básicamente, estos nanocompuestos están hechos de carbonato de calcio ” ladrillos “unidos por un” pegamento “de glicoproteína. Están surgiendo nuevos materiales de ingeniería, como los nanocompuestos de arcilla polimérica, que no solo son fuertes y resistentes, sino también livianos y más fáciles de reciclar que los plásticos reforzados convencionales. Tales mejoras en los materiales estructurales son particularmente importantes para la industria del transporte, donde el peso reducido se traduce directamente en una economía de combustible mejorada. Otras mejoras pueden aumentar la seguridad o disminuir el impacto en el entorno de fabricación y reciclaje. Es posible que se realicen más avances, como materiales verdaderamente inteligentes que indiquen su falla inminente o incluso que puedan reparar defectos por sí mismos, con compuestos del futuro.
Los sensores son fundamentales para casi todos los sistemas de control modernos. Por ejemplo, se utilizan múltiples sensores en automóviles para tareas tan diversas como la gestión del motor, el control de emisiones, la seguridad, la seguridad, la comodidad, la supervisión del vehículo y el diagnóstico. Si bien estas aplicaciones tradicionales para la detección física generalmente se basan en dispositivos de detección a microescala, la llegada de materiales y estructuras a nanoescala ha dado lugar a nuevos nanosensores electrónicos, fotónicos y magnéticos, a veces conocidos como “polvo inteligente”. Debido a su pequeño tamaño, los nanosensores exhiben un sin precedentes velocidad y sensibilidad, extendiéndose en algunos casos hasta la detección de moléculas individuales. Por ejemplo, los nanocables hechos de nanotubos de carbono, silicio u otros materiales semiconductores exhiben una sensibilidad excepcional a las especies químicas o agentes biológicos. La corriente eléctrica a través de nanocables puede alterarse al tener moléculas unidas a su superficie que perturban localmente su estructura de banda electrónica. Por medio de superficies de nanocables recubiertas con moléculas sensoras que unen selectivamente especies particulares, se pueden usar cambios inducidos por la carga en la corriente para detectar la presencia de esas especies. Esta misma estrategia se adopta para muchas clases de sistemas de detección. Los nuevos tipos de sensores con sensibilidad y especificidad ultraaltas tendrán muchas aplicaciones; Por ejemplo, los sensores que pueden detectar tumores cancerosos cuando consisten en unas pocas células serían un avance muy significativo.
Los nanomateriales también son excelentes filtros para atrapar metales pesados y otros contaminantes de las aguas residuales industriales. Uno de los mayores impactos potenciales de la nanotecnología en la vida de la mayoría de las personas en la Tierra será en el área de la desalinización y purificación económica del agua. Es muy probable que los nanomateriales encuentren un uso importante en las celdas de combustible, la bioconversión para obtener energía, el bioprocesamiento de productos alimenticios, la eliminación de desechos y los sistemas de control de la contaminación.
Una preocupación reciente con respecto a las nanopartículas es si sus tamaños pequeños y sus propiedades novedosas pueden presentar riesgos significativos para la salud o el medio ambiente. En general, las partículas ultrafinas, como el carbón en los toners de las fotocopiadoras o en el hollín producido por los motores de combustión y las fábricas, tienen efectos adversos respiratorios y cardiovasculares en las personas y los animales. Se están realizando estudios para determinar si las partículas específicas a nanoescala presentan riesgos más altos que pueden requerir restricciones regulatorias especiales. De particular preocupación son los posibles riesgos carcinogénicos de las partículas inhaladas y la posibilidad de que nanopartículas muy pequeñas crucen la barrera hematoencefálica con un efecto desconocido. Los nanomateriales que actualmente reciben atención de los funcionarios de salud incluyen nanotubos de carbono, buckyballs y puntos cuánticos de seleniuro de cadmio. También se planean estudios de la absorción a través de la piel de nanopartículas de óxido de titanio (utilizadas en protectores solares). Aún no se han llevado a cabo más estudios de gran alcance sobre la toxicidad, el transporte y el destino general de las nanopartículas en los ecosistemas y el medio ambiente. Algunos de los primeros estudios en animales, que implican la introducción de niveles muy altos de nanopartículas que resultaron en la muerte rápida de muchos de los sujetos, son bastante controvertidos.
Biomedicina y cuidado de la salud.
Entrega de drogas
La nanotecnología promete impactar el tratamiento médico de múltiples maneras. Primero, los avances en el diseño y fabricación de partículas a nanoescala brindan nuevas opciones para la administración de medicamentos y terapias con medicamentos. Más de la mitad de los nuevos medicamentos desarrollados cada año no son solubles en agua, lo que dificulta su administración. Sin embargo, en forma de partículas de tamaño nanométrico, estos medicamentos se transportan más fácilmente a su destino y se pueden administrar en forma de píldoras convencionales.
Más importante aún, la nanotecnología puede permitir que los medicamentos se entreguen exactamente a la ubicación correcta en el cuerpo y liberar dosis de medicamentos en un horario predeterminado para un tratamiento óptimo. El enfoque general es unir el medicamento a un portador de tamaño nanométrico que liberará el medicamento en el cuerpo durante un período prolongado de tiempo o cuando se active específicamente para hacerlo. Además, las superficies de estos portadores a nanoescala pueden tratarse para buscar y localizarse en un sitio de la enfermedad, por ejemplo, uniéndose a tumores cancerosos. Un tipo de molécula de especial interés para estas aplicaciones es un dendrímero orgánico. Un dendrímero es una clase especial de molécula polimérica que entra y sale de una región central hueca. Estas “pelotas esféricas” esféricas son aproximadamente del tamaño de una proteína típica, pero no pueden desplegarse como proteínas. El interés en los dendrímeros deriva de la capacidad de adaptar el tamaño de sus cavidades y las propiedades químicas para contener diferentes agentes terapéuticos. Los investigadores esperan diseñar diferentes dendrímeros que puedan hincharse y liberar su fármaco al exponerse a moléculas específicamente reconocidas que indican un objetivo de enfermedad. Este mismo enfoque general para la administración de fármacos dirigidos a nanopartículas también se está explorando para otros tipos de nanopartículas.
Otro enfoque involucra nanocapas recubiertas de oro cuyo tamaño se puede ajustar para absorber la energía de la luz en diferentes longitudes de onda. En particular, la luz infrarroja pasará a través de varios centímetros de tejido corporal, permitiendo un calentamiento delicado y preciso de tales cápsulas para liberar la sustancia terapéutica dentro. Además, los anticuerpos pueden estar unidos a la superficie externa de oro de las conchas para hacer que se unan específicamente a ciertas células tumorales, reduciendo así el daño a las células sanas circundantes.
Bioensayos
Una segunda área de estudio intenso en nanomedicina es el desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico. La motivación para este trabajo abarca desde la investigación biomédica fundamental a nivel de genes o células individuales hasta aplicaciones de punto de atención para servicios de prestación de servicios de salud. Con los avances en biología molecular, gran parte del trabajo de diagnóstico ahora se centra en la detección de “firmas” biológicas específicas. Estos análisis se denominan bioensayos. Los ejemplos incluyen estudios para determinar qué genes son activos en respuesta a una enfermedad particular o terapia farmacológica. Un enfoque general implica unir moléculas de tinte fluorescente a las biomoléculas diana para revelar su concentración.
fluorescencia; nanomedicina Explorando la química de la fluorescencia y su uso como herramienta de diagnóstico nanomédico.
Otro enfoque para los bioensayos utiliza nanopartículas de semiconductores, como el seleniuro de cadmio, que emite luz de una longitud de onda específica dependiendo de su tamaño. Las partículas de diferentes tamaños se pueden etiquetar en diferentes receptores para que haya disponible una variedad más amplia de etiquetas de color distintas de las que se pueden distinguir para las moléculas de colorante. Se evita la degradación en fluorescencia con excitación repetida para tintes. Además, las partículas de varios tamaños pueden encapsularse en perlas de látex y sus longitudes de onda resultantes se leen como un código de barras. Este enfoque, aunque todavía está en la etapa exploratoria, permitiría una enorme cantidad de etiquetas distintas para bioensayos.
Otra variación de la nanotecnología en los bioensayos es unir la mitad del segmento de ADN complementario monocatenario para que la secuencia genética se detecte en un conjunto de partículas de oro y la otra mitad en un segundo conjunto de partículas de oro. Cuando el material de interés está presente en una solución, los dos archivos adjuntos hacen que las bolas de oro se aglomeren, proporcionando un gran cambio en las propiedades ópticas que se pueden ver en el color de la solución. Si las dos mitades de la secuencia no coinciden, no se producirá aglomeración y no se observará ningún cambio.
Los enfoques que no involucran técnicas de detección óptica también se están explorando con nanopartículas. Por ejemplo, las nanopartículas magnéticas se pueden unir a anticuerpos que a su vez reconocen y se unen a biomoléculas específicas. Las partículas magnéticas actúan como etiquetas y “manillares” a través de los cuales se pueden usar campos magnéticos para mezclar, extraer o identificar las biomoléculas unidas dentro de muestras de tamaño de microlitro o nanolitro. Por ejemplo, las nanopartículas magnéticas permanecen magnetizadas como un solo dominio durante un período significativo, lo que les permite alinearse y detectarse en un campo magnético. En particular, las combinaciones de anticuerpo-nanopartículas magnéticas unidas giran lentamente y dan una señal magnética distintiva. Por el contrario, los anticuerpos marcados magnéticamente que no están unidos al material biológico que se detecta giran más rápidamente y, por lo tanto, no dan la misma señal distintiva.
Se han desarrollado sistemas de microfluidos, o “laboratorios en chips”, para ensayos bioquímicos de muestras minúsculas. Por lo general, al agrupar numerosos componentes electrónicos y mecánicos en una unidad portátil no más grande que una tarjeta de crédito, son especialmente útiles para realizar análisis rápidos en el campo. Si bien estos sistemas microfluídicos operan principalmente a microescala (es decir, millonésimas de metro), la nanotecnología ha aportado nuevos conceptos y probablemente desempeñará un papel cada vez más importante en el futuro. Por ejemplo, separación de
El ADN es sensible a los efectos entrópicos, como la entropía requerida para desplegar el ADN de una longitud determinada. Un nuevo enfoque para separar el ADN podría aprovechar su paso a través de una serie de postes o canales a nanoescala de modo que las moléculas de ADN de diferentes longitudes se desenrollarían a diferentes velocidades.
ciencia de los Materiales; formación de arrugas Creación de superficies arrugadas con tamaños y patrones controlados con precisión para su uso en diversas estructuras.
Otros investigadores se han centrado en detectar cambios de señal a medida que las hebras de ADN de ancho nanométrico se enhebran a través de un poro a nanoescala. Los primeros estudios utilizaron poros perforados en membranas por virus; Los nanoporos fabricados artificialmente también se están probando. Al aplicar un potencial eléctrico a través de la membrana en una célula líquida para atravesar el ADN, los cambios en la corriente de iones se pueden medir a medida que diferentes unidades de base repetitivas de la molécula pasan a través de los poros. Los avances habilitados por la nanotecnología en toda el área de los bioensayos afectarán claramente la atención médica de muchas maneras, desde la detección temprana, el análisis clínico rápido y el monitoreo en el hogar hasta una nueva comprensión de la biología molecular y los tratamientos basados en la genética para combatir las enfermedades.
Dispositivos de asistencia e ingeniería de tejidos.
Otra aplicación biomédica de la nanotecnología involucra dispositivos de asistencia para personas que han perdido o carecen de ciertas capacidades naturales. Por ejemplo, los investigadores esperan diseñar implantes de retina para personas con discapacidad visual. El concepto es implantar chips con matrices de fotodetectores para transmitir señales desde la retina al cerebro a través del nervio óptico. La información espacial significativa, aunque solo sea a un nivel rudimentario, sería de gran ayuda para los ciegos. Dicha investigación ilustra el tremendo desafío de diseñar sistemas híbridos que funcionen en la interfaz entre dispositivos inorgánicos y sistemas biológicos.
La investigación estrechamente relacionada implica la implantación de sondas neurales a nanoescala en el tejido cerebral para activar y controlar las funciones motoras. Esto requiere un “cableado” efectivo y estable de muchos electrodos a las neuronas. Es emocionante debido a la posibilidad de recuperación del control para personas con discapacidad motriz. Los estudios que emplean la estimulación neural de las médulas espinales dañadas por señales eléctricas han demostrado el retorno de cierta locomoción. Los investigadores también están buscando formas de ayudar en la regeneración y la curación de huesos, piel y cartílago, por ejemplo, desarrollando estructuras sintéticas biocompatibles o biodegradables con huecos nanosized que sirvan como plantillas para regenerar tejido específico mientras entregan productos químicos para ayudar en el proceso de reparación. . A un nivel más sofisticado, los investigadores esperan algún día construir máquinas a nanoescala o microescala que puedan reparar, ayudar o reemplazar órganos más complejos.
Tecnologías de la información
Los expertos en semiconductores coinciden en que la reducción continua en los dispositivos electrónicos “convencionales” inevitablemente alcanzará límites fundamentales debido a los efectos cuánticos como el “túnel”, en el que los electrones saltan de su ruta de circuito prescrita y crean interferencia a escala atómica entre dispositivos. En ese punto, se requerirán nuevos enfoques radicales para el almacenamiento de datos y el procesamiento de la información para futuros avances. Por ejemplo, se han imaginado sistemas radicalmente nuevos que se basan en la computación cuántica o la computación biomolecular.
Electrónica molecular
Mark Ratner, de la Universidad Northwestern, y Avi Aviram, de IBM, sugirieron el uso de moléculas para dispositivos electrónicos, ya en la década de 1970, pero las herramientas de nanotecnología adecuadas no estuvieron disponibles hasta principios del siglo XXI. El cableado de moléculas de medio nanómetro de ancho y unos pocos nanómetros de largo sigue siendo un desafío importante, y la comprensión del transporte eléctrico a través de moléculas individuales apenas está comenzando a surgir. Varios grupos han podido demostrar interruptores moleculares, por ejemplo, que podrían utilizarse en la memoria de la computadora o en los arreglos lógicos. Las áreas actuales de investigación incluyen mecanismos para guiar la selección de moléculas, arquitecturas para ensamblar moléculas en puertas a nanoescala y moléculas de tres terminales para un comportamiento similar a un transistor. Los enfoques más radicales incluyen la computación de ADN, donde el ADN de cadena sencilla en un chip de silicio codificaría todos los valores variables posibles y las interacciones de cadena complementarias se utilizarían para un enfoque de procesamiento paralelo para encontrar soluciones. Un área relacionada con la electrónica molecular es la de los transistores orgánicos de película delgada y los emisores de luz, que prometen nuevas aplicaciones como pantallas de video que se pueden desplegar como papel tapiz y periódicos electrónicos flexibles.
Nanotubos y
nanocables
Los nanotubos de carbono tienen notables propiedades electrónicas, mecánicas y químicas. Dependiendo de su diámetro específico y la disposición de enlace de sus átomos de carbono, los nanotubos exhiben un comportamiento metálico o semiconductor. La conducción eléctrica dentro de un nanotubo perfecto es balística (dispersión insignificante), con baja disipación térmica. Como resultado, un cable hecho de un nanotubo, o un nanocable, puede transportar mucha más corriente que un cable de metal común de tamaño comparable. Con 1,4 nanómetros de diámetro, los nanotubos son aproximadamente cien veces más pequeños que el ancho de la puerta de los dispositivos semiconductores de silicio. Además de los nanocables para conducción, se han demostrado transistores, diodos y circuitos lógicos simples combinando nanotubos de carbono metálicos y semiconductores. Del mismo modo, los nanocables de silicio se han utilizado para construir dispositivos experimentales, como transistores de efecto de campo, transistores bipolares, inversores, diodos emisores de luz, sensores e incluso memoria simple. Un desafío importante para los circuitos de nanocables, como para la electrónica molecular, es conectar e integrar estos dispositivos en una arquitectura de alta densidad viable. Idealmente, la estructura debería crecer y ensamblarse en su lugar. Las arquitecturas de barra transversal que combinan la función de cables y dispositivos son de particular interés.
Transistores de un solo electrón
A dimensiones de nanoescala, la energía requerida para agregar un electrón adicional a una “isla pequeña” (región física aislada), por ejemplo, a través de una barrera de túnel, se vuelve significativa. Este cambio en la energía proporciona la base para diseñar transistores de un solo electrón. A bajas temperaturas, donde las fluctuaciones térmicas son pequeñas, se pueden lograr fácilmente varias nanoestructuras de dispositivos de un solo electrón, y se ha llevado a cabo una investigación exhaustiva para estructuras con flujo de electrones confinado. Sin embargo, las aplicaciones a temperatura ambiente requerirán que los tamaños se reduzcan significativamente, al rango de un nanómetro, para lograr una operación estable. Para la aplicación a gran escala con millones de dispositivos, como se encuentra en los circuitos integrados actuales, la necesidad de estructuras con un tamaño muy uniforme para mantener las características uniformes del dispositivo presenta un desafío importante. Además, en este y en muchos nuevos dispositivos que se están explorando, la falta de ganancia es un serio inconveniente que limita la implementación en circuitos electrónicos a gran escala.
Espintrónica
Spintronics se refiere a dispositivos electrónicos que realizan operaciones lógicas basadas no solo en la carga eléctrica de los transportistas sino también en su giro. Por ejemplo, la información podría transportarse o almacenarse a través de los estados de rotación de los electrones. Esta es una nueva área de investigación, y los problemas incluyen la inyección de portadores polarizados por rotación, su transporte y su detección. El papel de la estructura a nanoescala y las propiedades electrónicas de la interfaz ferromagnética-semiconductora en el proceso de inyección de espín, el crecimiento de nuevos semiconductores ferromagnéticos con control a nanoescala y el posible uso de características nanoestructuradas para manipular el espín son de interés.
Almacenamiento de informacion
Los enfoques actuales para el almacenamiento y la recuperación de información incluyen memorias electrónicas de estado sólido de alta densidad y alta velocidad, así como discos magnéticos y ópticos más lentos (pero generalmente más espaciosos) ( consulte la memoria de la computadora). A medida que el tamaño mínimo de la característica para el procesamiento electrónico se aproxima a los 100 nanómetros, la nanotecnología proporciona formas de disminuir aún más el tamaño de bits de la información almacenada, aumentando así la densidad y reduciendo las distancias de interconexión para obtener velocidades aún más altas. Por ejemplo, la base de la generación actual de discos magnéticos es el efecto de magnetorresistencia gigante. Un cabezal de lectura / escritura magnético almacena bits de información al establecer la dirección del campo magnético en capas metálicas de espesor nanométrico que alternan entre ferromagnético y no ferromagnético. Las diferencias en la dispersión de electrones dependiente del espín en las capas de interfaz conducen a diferencias de resistencia que puede leer el cabezal magnético. Las propiedades mecánicas, particularmente la tribología (fricción y desgaste de las superficies móviles), también juegan un papel importante en las unidades de disco duro magnético, ya que las cabezas magnéticas flotan solo unos 10 nanómetros por encima de los discos magnéticos giratorios.
Otro enfoque para el almacenamiento de información que depende del diseño de capas magnéticas de espesor nanométrico está en desarrollo comercial. Conocida como memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM), una línea de material magnético conmutable eléctricamente está separada de una capa permanentemente magnetizada por una capa intermedia no magnética a nanoescala. Un cambio de resistencia que depende de la alineación relativa de los campos se lee eléctricamente desde una gran variedad de cables a través de líneas cruzadas. MRAM requerirá una evolución relativamente pequeña de la fabricación de semiconductores convencionales, y tiene el beneficio adicional de producir memoria no volátil (no se necesitan energía ni baterías para mantener los estados de memoria almacenados).
Aún en una etapa exploratoria, los estudios de conducción eléctrica a través de moléculas han generado interés en su posible uso como memoria. Aunque todavía son muy especulativos, los enfoques moleculares y de nanocables para la memoria son intrigantes debido al pequeño volumen en el que se almacenan los bits de memoria y la efectividad con la que los sistemas biológicos almacenan grandes cantidades de información.
Comunicaciones
Estructuración a nanoescala de dispositivos ópticos, como
Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), los láseres de punto cuántico y los materiales de cristal fotónico están dando lugar a avances adicionales en la tecnología de las comunicaciones.
Los VCSEL tienen capas a nanoescala de semiconductores compuestos que crecen epitaxialmente en su estructura, alternando capas dieléctricas como espejos y pozos cuánticos. Los pozos cuánticos permiten que los portadores de carga se confinen en regiones bien definidas y proporcionan la conversión de energía en luz a las longitudes de onda deseadas. Se colocan en la cavidad del láser para confinar los portadores en los nodos de una onda estacionaria y adaptar la estructura de la banda para una recombinación radiativa más eficiente. Las técnicas de nanotecnología unidimensionales que implican el crecimiento preciso de capas semiconductoras epitaxiales muy delgadas se desarrollaron durante la década de 1990. Dicha nanoestructuración ha mejorado la eficiencia de los VCSEL y ha reducido la corriente requerida para iniciar el láser (llamada corriente umbral). Debido a la mejora del rendimiento y su compatibilidad con la tecnología de fabricación plana, los VCSEL se están convirtiendo rápidamente en una fuente láser preferida en una variedad de aplicaciones de comunicaciones.
Más recientemente, se ha investigado la introducción de puntos cuánticos (regiones tan pequeñas que se les puede dar una sola carga eléctrica) en los láseres de semiconductores y se ha encontrado que brindan beneficios adicionales, tanto reducciones adicionales en la corriente umbral como anchos de línea más estrechos. Los puntos cuánticos limitan aún más los modos de emisión óptica dentro de un espectro muy estrecho y dan las densidades de corriente de umbral más bajas para la duración obtenida hasta la fecha en VCSEL. Los puntos cuánticos se introducen en el láser durante el crecimiento de capas tensas, mediante un proceso llamado
Crecimiento de Stransky-Krastanov. Surgen debido a la tensión de desajuste de la red y la tensión superficial de la película en crecimiento. Todavía se buscan mejoras en las formas de controlar con precisión los puntos cuánticos resultantes a un tamaño único más uniforme.
Los cristales fotónicos proporcionan un nuevo medio para controlar la dirección y la manipulación de los fotones basados en redes dieléctricas periódicas con dimensiones repetidas en el orden de la longitud de onda de la luz. Estos materiales pueden tener propiedades muy exóticas, como no permitir que la luz dentro de ciertas longitudes de onda se propague en un material basado en la estructura periódica particular. Las redes fotónicas pueden actuar como espejos perfectos selectivos de longitud de onda para reflejar la luz incidente desde todas las orientaciones. Proporcionan la base para la conmutación óptica, la dirección y la separación de longitud de onda en escalas pequeñas sin precedentes. Las estructuras periódicas requeridas para estos cristales artificiales se pueden configurar como redes de dos y tres dimensiones. Se están considerando fuentes ópticas, conmutadores y enrutadores, y las geometrías planas bidimensionales reciben la mayor atención, debido a su mayor facilidad de fabricación.
Otra aplicación de comunicaciones potencialmente importante para la nanotecnología son los sistemas microelectromecánicos (MEMS), dispositivos dimensionados a nivel de micrómetro (millonésimas de metro). Los MEMS están actualmente preparados para tener un gran impacto en las comunicaciones a través de la conmutación óptica. En el futuro, los dispositivos electromecánicos pueden reducirse a nanodimensiones para aprovechar las frecuencias más altas de vibración mecánica en masas más pequeñas. La frecuencia natural (resonante) de vibración para haces mecánicos pequeños aumenta a medida que disminuye su tamaño, por lo que se necesita poca potencia para conducirlos como osciladores. Su eficiencia está clasificada por un factor de calidad, conocido como Q , que es una relación entre la energía almacenada por ciclo y la energía disipada por ciclo. Cuanto mayor sea Q , más precisa será la frecuencia absoluta de un oscilador. La Q es muy alta para los osciladores mecánicos a micro y nanoescala, y estos dispositivos pueden alcanzar frecuencias muy altas (hasta frecuencias de microondas), lo que los convierte en posibles reemplazos de baja potencia para osciladores y filtros basados en electrónica.
Los osciladores mecánicos se han hecho de silicio en dimensiones de 10 × 100 nanómetros, donde más del 10 por ciento de los átomos están a menos de una distancia atómica de la superficie. Si bien se pueden fabricar materiales altamente homogéneos en estas dimensiones, por ejemplo, barras de silicio de cristal único, las superficies juegan un papel cada vez mayor en las nanoescalas, y las pérdidas de energía aumentan, presumiblemente debido a defectos superficiales y especies moleculares absorbidas en las superficies.
Es posible imaginar frecuencias aún más altas, en lo que podría considerarse como lo último en sistemas nanomecánicos, al pasar de estructuras nanomáscaras a sistemas moleculares. Como ejemplo, los nanotubos de carbono de paredes múltiples están siendo explorados por sus propiedades mecánicas. Cuando se retiran los extremos del nanotubo externo, el tubo interno puede extraerse parcialmente del tubo externo, donde las fuerzas de van der Waals entre los dos tubos proporcionarán una fuerza de restauración. El tubo interno puede oscilar, deslizándose hacia adelante y hacia atrás dentro del tubo externo. Se predice que la frecuencia de oscilación resonante para tales estructuras será superior a un gigahercio (mil millones de ciclos por segundo). Se desconoce si alguna vez será práctico conectar dichos sistemas al mundo macro y protegerlos de los efectos de la superficie.
