El significado básico de los nanómetros
Una sola bacteria es invisible a simple vista, con un diámetro de unas cinco micras medida con un microscopio. Supongamos que el diámetro de un cabello es de 0,05 mm, que se corta en 50.000 cabellos en promedio a lo largo de la dirección axial y que el grosor de cada cabello es de aproximadamente 1 nm. En otras palabras, 1 nm es 0,000001 mm. La nanociencia y la tecnología, a veces llamada nanotecnología, es el estudio de las propiedades y aplicaciones de materiales con dimensiones estructurales entre 1 y 100 nanómetros. El desarrollo de la nanotecnología ha dado lugar a muchas disciplinas nuevas relacionadas con la nanotecnología. Hay nanomedicina, nanoquímica, nanoelectrónica, nanomateriales, nanobiología y más. Los científicos de todo el mundo conocen la importancia de la nanotecnología para el desarrollo de la ciencia y la tecnología, por lo que países de todo el mundo están gastando mucho dinero para desarrollar la nanotecnología en un intento de aprovechar un terreno estratégico en el campo de la nanotecnología. China celebró un seminario sobre estrategia de desarrollo de nanotecnología en 1991 y formuló una estrategia de desarrollo.
En la última década, China ha logrado logros notables en la investigación de nanomateriales y nanoestructuras. En la actualidad, los logros de China en el campo de la ciencia de los nanomateriales son mayores que los de cualquier otro país del mundo, lo que demuestra plenamente que China ocupa una posición fundamental en el campo de la nanotecnología. El nanoefecto se refiere a las propiedades físicas y químicas únicas o anormales de los nanomateriales que los materiales tradicionales no tienen. Por ejemplo, el cobre, que originalmente es conductor, solo conducirá electricidad en un cierto límite de nanoescala, mientras que el dióxido de silicio y los cristales, que originalmente son aislantes, solo comenzarán a conducir electricidad en un cierto límite de nanoescala. Esto se debe a que los nanomateriales tienen las características de tamaño de partícula pequeño, área de superficie específica grande, alta energía superficial, relación atómica de superficie grande y sus tres efectos únicos: efecto de superficie, efecto de tamaño pequeño y efecto de túnel cuántico macroscópico. En el caso de los polvos o fibras sólidos, cuando su tamaño unidimensional es inferior a 100 nm, se les puede denominar nanomateriales. Para partículas esféricas ideales, cuando el área de superficie específica es superior a 60㎡/g, su diámetro será inferior a 100 nm, alcanzando un tamaño nanométrico.
En la actualidad, la escala microscópica de muchos materiales es mayoritariamente de nanómetros. Por ejemplo, la mayoría de los estándares de procesos de semiconductores se expresan en nanómetros. Hasta febrero de 2017, el último proceso de unidad central de procesamiento (CPU) era de 14 nm.
Historia del desarrollo de la nano
La principal diferencia entre la nanotecnología y la microelectrónica es: la nanotecnología estudia la realización de funciones específicas mediante el control de átomos y moléculas individuales, y utiliza las fluctuaciones de los electrones para funcionar; y la tecnología microelectrónica realiza sus funciones principalmente controlando la población de electrones y utiliza la naturaleza partícula de los electrones para funcionar. El objetivo del desarrollo de la nanotecnología es lograr un control efectivo de todo el mundo microscópico.
La nanotecnología es un tema integral con fuertes características transversales, y su contenido de investigación cubre una amplia gama de ciencia y tecnología modernas. Desde 65438 hasta 0993, el Comité Directivo Internacional de Nanotecnología dividió la nanotecnología en seis subdisciplinas: nanoelectrónica, nanofísica, nanoquímica, nanobiología, nanofabricación y nanometrología. Entre ellos, la nanofísica y la nanoquímica son la base teórica de la nanotecnología, y la nanoelectrónica es el contenido más importante de la nanotecnología.
La nanotecnología es una nueva tecnología que se desarrolló rápidamente a principios de los años 90. Su objetivo final es que los humanos puedan manipular directamente átomos y moléculas individuales basándose en su propia conciencia para producir productos con funciones específicas. La nanotecnología revela el mundo visible de átomos y moléculas con una resolución sin precedentes. Esto muestra que la comprensión de la humanidad del mundo microscópico es cada vez más profunda, y el nivel de comprensión y transformación del mundo microscópico por parte de las personas ha aumentado a un nivel sin precedentes. Según los datos, en 2010 la nanotecnología se convertirá en la segunda industria más grande después de la fabricación de chips.
Nano
Nanotecnología
La llamada nanotecnología se refiere al estudio de los patrones de movimiento y características de electrones, átomos y moléculas dentro de la escala de 0,1. a 100 nanómetros Una tecnología completamente nueva. En el proceso de estudiar la composición de la materia, los científicos han descubierto que varios o docenas de átomos o moléculas contables aislados en la escala nanométrica presentan muchas propiedades nuevas. La tecnología que utiliza estas propiedades para crear dispositivos con funciones específicas se llama nanotecnología.
A juzgar por las investigaciones realizadas hasta el momento, existen tres conceptos sobre la nanotecnología.
La primera es la nanotecnología molecular propuesta por el científico estadounidense Dr. Drexler en su libro "La máquina de la creación" en 1986.
Según este concepto, se puede hacer práctica una máquina que combine moléculas, de modo que se puedan combinar varias moléculas a voluntad para crear cualquier tipo de estructura molecular. La nanotecnología no ha logrado avances significativos con este concepto.
El segundo concepto define la nanotecnología como el límite de la tecnología de micromecanizado. Se trata de una tecnología que forma artificialmente estructuras a nanoescala mediante un "procesamiento" de precisión nanométrica. Esta tecnología de procesamiento a nanoescala también lleva al límite la miniaturización de semiconductores. Incluso si la tecnología existente continúa desarrollándose, en teoría eventualmente llegará a su límite. Esto se debe a que si se reduce el ancho de línea del circuito, la película aislante que constituye el circuito se volverá extremadamente delgada, destruyendo el efecto de aislamiento. Además, existen problemas como fiebre y temblores. Para solucionar estos problemas, los investigadores están trabajando en nueva nanotecnología.
El tercer concepto se propone desde una perspectiva biológica. Resulta que los seres vivos tienen estructuras a nanoescala en células y biopelículas.
La nanotecnología ahora incluye la nanobiología, la nanoelectrónica, los nanomateriales, la nanomecánica, la nanoquímica y otras disciplinas. Desde las tecnologías microscópicas, incluida la microelectrónica, hasta la nanotecnología, la comprensión de la humanidad del mundo microscópico es cada vez más profunda, y el nivel de comprensión y transformación del mundo microscópico por parte de las personas ha aumentado a un nivel sin precedentes. Qian Xuesen, un famoso científico chino, también señaló que las estructuras alrededor y por debajo de los nanómetros son el foco de la próxima etapa del desarrollo científico y tecnológico. Esta será una revolución tecnológica, que provocará otra revolución industrial en el siglo XXI.
Aunque todavía queda un largo camino por recorrer antes de la etapa de aplicación, debido a que la nanotecnología tiene perspectivas de aplicación extremadamente amplias, los países desarrollados como Estados Unidos, Japón y el Reino Unido conceden gran importancia a la nanotecnología y han formularon planes de investigación, llevaron a cabo investigaciones relevantes.
El concepto de crecimiento nanoepitaxial - nanoescala
La nanoescala se refiere a partículas entre 1 nm y 100 nm.
Nanoaplicaciones
Dispositivos electrónicos
El rendimiento de los dispositivos electrónicos fabricados mediante nanotecnología es mucho mejor que el de los dispositivos electrónicos tradicionales, y el consumo de energía también puede ser considerablemente reducido. Hay una enorme cantidad de información almacenada. En un disco óptico de 5 pulgadas, que ocupa menos que la palma de la mano, se pueden almacenar al menos 30 de las colecciones completas de la Biblioteca de Beijing. De tamaño pequeño y peso liviano, puede reducir en gran medida el tamaño y el peso de varios productos electrónicos. Nanomateriales: Las partículas nanometálicas "irritables" son inflamables y explosivas. Varias partículas nanometálicas de cobre o partículas metálicas de aluminio provocarán una combustión violenta y una explosión cuando se expongan al aire. Por lo tanto, el polvo de partículas nanometálicas se puede utilizar para fabricar explosivos potentes y el combustible sólido de los cohetes puede producir un mayor empuje. El uso de polvo de partículas nanometálicas como catalizador puede acelerar la velocidad de las reacciones químicas y aumentar en gran medida el rendimiento de la síntesis química.
Bloque metálico
El nanobloque metálico es resistente a la compresión y a la tracción. Los materiales metálicos en bloque fabricados a partir de polvo de nanopartículas metálicas son diez veces más resistentes que los metales ordinarios y pueden estirarse decenas de veces. Utilizado para fabricar aviones, automóviles y barcos, el peso se puede reducir a una décima parte del peso original.
Cerámica y Porcelana
Las nanocerámicas son a la vez rígidas y flexibles. Las nanocerámicas son plásticos fabricados a partir de polvos de partículas cerámicas a nanoescala, que han supuesto una revolución en la industria cerámica. Cuando se apliquen nanocerámicas a los motores, los automóviles funcionarán más rápido y los aviones volarán más alto.
Óxido
Las partículas coloreadas de nanoóxido de los materiales de nanoóxido pueden cambiar rápidamente de color bajo la irradiación de la luz o la acción de un campo eléctrico. Es fantástico como par de gafas para que los soldados protejan sus pistolas láser. Las vallas publicitarias hechas de materiales de nanoóxido se volverán más coloridas bajo la influencia de la electricidad y la luz. Los materiales nanosemiconductores son asombrosos. Los materiales nanosemiconductores pueden emitir luz de varios colores, pueden convertirse en pequeñas fuentes de luz láser y también pueden convertir la energía luminosa de la luz solar absorbida en energía eléctrica. Los coches y casas solares fabricados con ellos tienen un gran valor medioambiental. Varios sensores fabricados con nanosemiconductores pueden detectar con sensibilidad cambios en la temperatura, la humedad y la composición atmosférica, y se utilizarán ampliamente en el control de los gases de escape de los automóviles y en la protección del medio ambiente atmosférico.
Medicina
Las nanomedicinas salvan vidas combinando fármacos con nanopartículas magnéticas. Después de la administración, estas nanopartículas pueden moverse libremente a través de los vasos sanguíneos y los tejidos corporales. Luego se aplica un campo magnético fuera del cuerpo humano como guía, de modo que el fármaco pueda concentrarse en el tejido enfermo y el efecto del tratamiento farmacológico mejorará enormemente. Las partículas de nanofármacos también se pueden utilizar para bloquear los capilares de forma específica y matar de hambre a las células cancerosas. Las nanopartículas también se pueden usar para separar células del cuerpo humano y también para transportar ADN para tratar defectos genéticos. En la actualidad, las nanopartículas magnéticas han logrado separar células cancerosas y células normales en animales, y han tenido éxito en ensayos clínicos para el tratamiento de enfermedades de la médula ósea humana, mostrando perspectivas prometedoras.
Satélite
Los nanosatélites volarán hacia el cielo, cortando y construyendo materiales libremente según los deseos de las personas en el mundo de tamaño nanométrico. Esta tecnología se llama tecnología de nanofabricación. La tecnología de nanofabricación puede integrar diferentes materiales. No solo tiene la función de un chip, sino que también puede detectar señales de ondas electromagnéticas (incluidas la luz visible, la luz infrarroja y la luz ultravioleta) y puede completar instrucciones de computadora al mismo tiempo. Este es un dispositivo nanointegrado. La aplicación de este dispositivo integrado a los satélites puede reducir en gran medida el peso y el volumen del satélite, facilitando su lanzamiento y reduciendo costes.
Robots
El desarrollo de "nanorobots" pertenece a la categoría de la biónica molecular. Se basa en principios biológicos a nivel molecular para diseñar y fabricar "dispositivos moleculares funcionales" que puedan operar en el nanoespacio. Las últimas ideas en nanobiología son aplicar principios biológicos a nanoescala para descubrir nuevos fenómenos y desarrollar robots moleculares programables, también conocidos como nanorobots. La biología sintética rediseña las redes de señalización celular y regulación genética para crear biocomputadoras o robots celulares "in vivo" o "húmedos", dando lugar a otro enfoque de la nanorobótica. El profesor Zhou Haizhong, un famoso erudito chino, predijo en un artículo de 1990 sobre robots que, a mediados del siglo XXI, los nanorobots cambiarán por completo el trabajo y el estilo de vida humanos.
Nanorobot