1. LA FASCINACIÓN Y UTILIDAD DE LO PEQUEÑO:
LA NANOTECNOLOGÍA QUE CAMBIARÁ
NUESTRAS VIDAS
Pedro A. Serena
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Consejo Superior de Investigaciones Científicas
Campus de Cantoblanco, 28049-Madrid
Colegio La Inmaculada, Cartagena (Murcia)
(12/02/2015)
17. 4.5 cm
1 nanosiglo =
10-9
siglos =
10-9
x 100 x 365 x 24 x 60 x 60 =
10-9
x 3153600000 s =
3,15 s
¡¡¡1 nanosiglo = 3,15 s!!!
“NANO”: ALGO MUY, MUY PEQUEÑO
20. La naturaleza es un LEGO donde las piezas a
ensamblar son átomos. Las reglas que permiten
enlazarse unos a otros, no son sencillas, pero
son conocidas…se trata de la Mecánica
Cuántica. Si conocemos los tipos de piezas y las
reglas de este “juego”…¿Por qué no construir
cosas por nosotros mismos?
23. Efectos de tamaño debidos al cambio superficie/volumen:
A medida que un material se presenta en forma de grano,
polvo, nanopolvo, etc se modifican ciertas propiedades por el
hecho de aumentar su ratio superficie/volumen.
+ PEQUEÑO = + REACTIVO
25. 2009:
Xeon Nehalem W5580
751.000.000 transistores
en 263 mm² (4 cores)
3.2 GHz, 130 W
50 GigaFLOPS
1948: Brattain,
Bardeen, Schockley
descubren el efecto
transistor (PN 1956)
1959: Se desarrolla el
circuito integrado en
Texas Instruments (J.S.
Kilby, PN 2000).
1968: Invención de la
técnica MBE (Molecular
Beam Epitaxy) (A.Y. Cho y
J. Arthur).
Años 1960:
aparecen los
transistores
individuales.
LEY DE MOORE: CADA 18 MESES DOBLAMOS LA CAPACIDAD DE INTEGRACIÓN
+ PEQUEÑO = + RÁPIDO
26. La ley de Moore (1965): aproximadamente cada
18 meses se dobla la capacidad de integración.
•1997: Pentium II (7.5 millones de
transistores)
•1997: 250 nm de ancho de línea
•2000: Se usan líneas de 180 nm
•2002: Se usan elementos de 130 nm de
tamaño
•2004: Intel Prescott con tecnología de
90nm (55 millones de transistores en el
chip).
•2005: IBM, Sony y Toshiba presentan
el procesador Cell 65nm (234 millones
de transistores en 221 milímetros
cuadrados, multinúcleo, y 256 Gflops).
•2006: Litografía EUV (Extreme
Ultraviolet Lithography). INFINEON
(Alemania) anuncia la fabricación de
chips de telefonía móvil de 65 nm.
•2006: SAMSUNG anuncia la
fabricación de memoria Flash NAND de
32 Gbytes de 40 nm (36000 fotos o 40
películas).
• 2006: Intel anuncia memorias Flash de
tecnología de 50 nm.
•2007: Intel lanza al mercado Itanium
2 que contiene 410 millones de
transistores con un tamaño
promedio de 45 nm, en un chip de 3
cm2.
31. Nanotubo (4,4): metálico
Nanotubo (7,0): aislante
Fullereno C60
(Smalley, Curl y Kroto)
( 1989)
Nanotubos
(Ijima @NEC)
( 1991)
Página WEB del Prof.
Smalley
http://cnst.rice.edu/
LO “NANO” ES DIFERENTE: FULLERENO,
GRAFENO, NANOTUBOS DE CARBONO,
"intrinsic rippling of monolayer
graphene"
Mr. Torge Mashoff. RWTH
Aachen University (Germany)
.
Grafeno
(Geim, Novoselov)
( 2004)
32. ¿CUÁL ES EL ORIGEN DE LA
TENACIDAD Y RESISTENCIA DE
LAS ESPADAS DE DAMASCO?
Materials: Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre
M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D.
C. Meyer, Nature 444, 286(16 November 2006)
LO NANO ES DIFERENTE:
NUEVOS MATERIALES
33. LO NANO ES DIFERENTE: LUZ Y TAMAÑO
LA ANALOGÍA CON SONIDO Y TAMAÑO
35. El salto hacia la Nanotecnología:
Una posibilidad fascinante.
Richard P. Feynman (Premio Nobel en 1965)
There's Plenty of Room at the Bottom
29 de diciembre de 1959
(Publicada en 1960, Caltech Science and Technology)
“The principles of Physics, as far as I can see, do not
speak against the possibility of maneuvering things
atom by atom. It is not an attempt to violate any laws;
it is something, in principle, that can be done; but in
practice, it has not been done because we are too
big”.
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
36. El salto hacia la Nanotecnología:
Una posibilidad fascinante.
Norio Taniguchi,
profesor de la Universidad de Ciencias de Tokio
•On the Basic Concept of 'Nano-Technology'," Proc.
Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of
Precision Engineering, 1974.
•Nanotechnology: Integrated Processing Systems for
Ultra-precision and Ultra-fine products, Edited by
Norio Taniguchi. Associate Editors: Tsuguo Kohno,
Kazuo Maruyama, Kiyoshi Iizuka, Iwao Miyamoto and
Toshio Dohi.
37. VALE, DE ACUERDO, LOS ÁTOMOS
PODRÍAN MOVERSE DE FORMA
CONTROLADA…PERO ANTES DE
MOVERLOS TENEMOS QUE SER
CAPACES DE VERLOS…
PERO…
¿CÓMO?
39. H. Rohrer y G. Binnig desarrollan a principios de los años 80
una herramienta que cambia la ‘metodología’ y la forma de
abordar el estudio de los sistemas nanométricos: el
Microscopio de Barrido Túnel (STM). Ambos recibieron el
Premio Nobel de Física en 1986.
Del ‘nanocontrol’ han surgido poderosas herramientas como el
Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM) (1985, Binnig, Quate,
Gerber).
MICROSCOPIO DE EFECTO TÚNEL (STM)
41. INGREDIENTES: (i) Fenómeno cuántico (efecto túnel), (ii)
disponer de puntas razonablemente afiladas, (iii) tener control
(piezoeléctrico) de los movimientos, (iv) sistema razonable de
adquisición de datos, y (v) buena electrónica y software de
control.
MICROSCOPIO DE EFECTO TÚNEL
58. La montaña tiene 20 nm de diámetro
PERO..¡VER NO ES TOCAR NI MANIPULAR!
Formación de 2 marcas sobre un substrato de oro.
Obsérvese que las marcas creadas evolucionan con el tiempo.
63. Logotipo de IBM con 35 átomos de Xe sobre superficie de Ni.
D. Eigler y K. Schweizer
Almaden IBM Research Lab.
(1990)
64. Un “atomoticono”
(IMDEA-NANO,
Madrid)
Cada punto negro se
corresponde con una
molécula de CO
Dos horas para ensamblar 9 moléculas...
¿Cuánto tardaríamos en ensamblar 1000 ó 1.000.000? ¿Es
este el camino hacia la nanofabricación?
ALGÚN INCONVENIENTE…
65. ¿CUÁNTO TARDARÍAMOS EN ENSAMBLAR UN
CUERPO DE UNOS 60 kg SI DISPONEMOS DE
UNA MÁQUINA CAPAZ DE COLOCAR
2.500.000.000 DE ÁTOMOS POR SEGUNDO?
En un cuerpo humano de 60 kg podemos estimar
la cantidad de átomos de unos 5 x 1027 (
recordar
el número de Avogrado es NA=6,02 x 1023
):
¡¡5.000.000.000.000.000.000.000.000.000 átomos!!
Una sencilla división permite obtener el tiempo
que tiene que trabajas esta máquina:
¡2 x 1018
s = 6.300.000.000 años!
66. ¿QUÉ SABEMOS
HACER YA?
¿CÓMO VAMOS
A APLICAR LO
QUE SABEMOS
HACER?
¿CUÁNTO
QUEDA PARA
QUE ESTAS
APLICACIONES
SEAN
REALIDAD?
71. LITOGRAFÍA ELECTRÓNICA
Electron Beam Induced Deposition Logo of University Alberta consisting of
20nm lines exposed in HSQ resist
6nm lines exposed in HSQ resist at
10 keV only
Magnetic resonance sensor
74. 500 - 100 nm
Hydrolysis
γ-Fe2O3 / Fe3O4
la más pequeña.. 1 nm
SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS
75. Detalle (imagen SEM) en alta magnificación de una cara (100) de un
ópalo sintético formado por esferas de sílice de 415 nm de diámetro
(ICMM-CSIC). Las esferas (30-400 nm) son sintetizadas mediante
diversas técnicas químicas y son agrupadas mediante métodos físicos
(decantación, etc).
ENSAMBLADO DE NANOPARTÍCULAS
76. C. Mirkin (NU, EE.UU.)
http://www.chem.northwestern.edu/~mkngrp/pictmenu.htm
SISTEMAS PARA ENCAPSULACIÓN
77. “ Acero transparente“ (N. Kotov et al., Universidad de Michigan)
Plástico fino y liviano como una hoja de papel, pero tan resistente como
el acero. Se forman capas de nanoláminas de arcilla y un polímero que
actúa como pegamento. El material imita la estructura molecular de las
conchas marinas. El material resultante es biodegradable y ecológico.
Se fabrica usando un brazo robotizado que dispone las capas de forma
alterna.
MATERIALES HÍBRIDOS
79. Zeolitas: claves para los catalizadores. Sustancias con muchísima superficie efectiva. El
tamaño de los poros permite controlar el tipo de productos de la reacción .
ZEOLITAS Y MATERIALES MESOPOROSOS.
Esta zeolita (ITQ-21) está formada por un entramado
tridimensional de poros que contiene cavidades de
1,18 nm de ancho accessibles a través de seis
ventanas circulares de 0,74 nm de diámetro.
Zeolita usada para la síntesis de gasolina.
Mobil.
85. Carbon nanotube computer, Nature 501, 526–530 (26 September 2013)
The nanotube processor is made up of 178 transistors, each of which
contains carbon nanotubes that are about 10 to 200 nanometer long. The
carbon nanotube processor is comparable in capabilities to the Intel 4004,
that company’s first microprocessor, which was released in 1971.
PROCESADOR DE NANOTUBOS DE CARBONO
86. Graphene nanomesh, Jingwei Bai, X. Duan, et al. Nature Nanotechnology 5, 190 - 194 (2010)
High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate, Lei Liao,Xiangfeng Duan et
al.,Nature 467, 305–308 (2010)
Very large magnetoresistance in graphene nanoribbons, Jingwei Bai, Xiangfeng Duan, Nature
Nanotechnology 5, 655–659 (2010)
100-300 GHz
Movilidad (20.000
cm2/Vs) 2 veces
superiores a
transistores de Si
GRAFENO: FUTUROS TRANSISTORES
NANOTECNOLOGÍA Y TIC
87. Cortex neuronal cells were cultured for 96 hours onCortex neuronal cells were cultured for 96 hours on
CNT islandsCNT islands
Inverted
microscope
images of self-
organized
neuronal networks
with pre-designed
geometry on CNT
islands.
After 1 h of culture After 96 h of culture
CNTs COMO BASE PARA REGENERACIÓN
NEURONAL
88. “Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns”
PWK Rothemund, Nature, 440:297-302 (2006).
ADN COMO ELEMENTO CONSTRUCTIVO
89. “A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular
Payloads”, Shawn M. Douglas, et al., Science 335, 831 (2012)
http://metamodern.com/2009/05/10/a-dna-origami-box/
ADN COMO ELEMENTO CONSTRUCTIVO
94. Apple: iPOD-Nano
La primera aplicación obvia con la que ya convivimos es la de la
informática y las comunicaciones. Los procesadores y memorias
se fabrican utilizando tecnologías de 65 y 45 nm. La capacidad de
almacenamiento se ha disparado y los pendrive, los reproductores
MP3, MP4, etc, han pasado de albergar 32 MB, a 64 MB, a 128 MB,
…a 1GB…a 4GB, 80 GB…Existen discos duros de 1 TB.
DEL LABORATORIO A LOS ESCAPARATES
101. Pinturas y recubrimientos fotocatalíticos y autolimpiables:
Arctic Snow Professional Interior Paint (Arctic paint LTD (TiO2)
Cloucryl de Alfred Clouth Lack fabrik GmbH&Co KG (ZnO)‐
Amphisilan de Caparol
Recubrimientos bactericidas con n-Ag:
Bioni Hygienic by Bioni CS GmbH
Repelentes de agua y grasas:
Fluowet ETC100 (based on CF polymers) de Clariant.‐
NANOTECNOLOGÍA Y CONSTRUCCIÓN
102. Nanoparticulas en cementos
SiO2 nanoparticulas en:
ChronoliaTM, AgiliaTM y DuctalTM de
Lafarge
EMACO®Nanocrete by BASF.
Cementos fotocatalíticos:
TioCem TX Active (Heidelberg Cement),
NanoGuardStone Protect de Nanogate AG‐
TX Arca and TX Aria (ItalCementi)
NANOTECNOLOGÍA Y CONSTRUCCIÓN
Iglesia del Jubileo (Roma)
103. High-tech fabric lines by swimwear
manufacturer
Speedo - Aquablade, Fastskin, Fastskin
2, Fastskin PRO and LZR Racer, Nike –
LiftSuit, Diana – Submarine, Arena -
Powerskin ST, Powerskin XP and
Powerskin R-EVO, Arena X-Glide,
Adidas - JetConcept, Hydrofoil, Tyr -
Fusion, Aquapel, Aquashift and Tracer,
Jaked – 01
For example, Speedo claims their lineup
will increase one's swimming velocity by
3–7%. Their most popular suit, the
Fastskin, is worn by most Olympic
swimmers and increases speed by
reducing drag by up to 4%. It is meant to
resemble shark's skin; therefore, it has
tiny triangular projections that point
backward so that the water spirals off the
athlete's body.
NANOTECNOLOGÍA EN PRODUCTOS TEXTILES
104. 2009. El Numancia, primer club de España en portar camisetas ERREA
elaboradas con nanotecnología (nanopartículas de titanio y plata) . El
tejido de las camisetas, llamado 'Ti-energy', es oleófugo e hidrófugo,
antimanchas, antiestático, antimicrobiano. Se usa en camisetas del
Atalanta B.C, Parma F.C., Middlesbrough, Numancia C.D. y Rugby
Viadana
NANOTECNOLOGÍA Y DEPORTES
108. NANOTECNOLOGÍA Y MODA
NYT 2011: “New Japanese Fashion: LED Lights for Your Teeth”
http://bits.blogs.nytimes.com/2011/01/21/new-japanese-fashion-l-e-d-lights-for-your-teeth/
115. IMPACTO EN CINE – TELEVISIÓN – JUEGOS - LITERATURA
Películas:
“The Hulk”, “Spiderman”, “Parque Jurásico”, “Inteligencia
artificial”, “Yo robot”, “Minority report”, “Spy kids”, “Prey”, “Super
agente Cody Banks”, “Terminator 3” , “The tuxedo”, “Batman”,
“Transformers”, “G.I. JOE”, “Trascendence”
Series de televisión:
“Jake 2.0”, “Ben 10”
Juegos on-line:
“OGAME”
Libros:
“PREY” (M. Crichton, 2002)
“Nano” (J.R. Marlow, 2004) “
The Diamond Age”
(N. Stephenson, 1995)
116. NANOTECNOLOGÍANANOTECNOLOGÍA BIOTECNOLOGÍABIOTECNOLOGÍA
TECNOLOGÍAS DE LA
INFORMACIÓN Y DE LAS
COMUNICACIONES
TECNOLOGÍAS DE LA
INFORMACIÓN Y DE LAS
COMUNICACIONES
CIENCIAS COGNITIVAS Y
NEUROCIENCIAS
CIENCIAS COGNITIVAS Y
NEUROCIENCIAS
NANONANO BIOBIO
INFOINFO COGNOCOGNO
ÁtomosÁtomos GenesGenes
BitsBits
NeuronasNeuronas
NBICNBIC
COVERGENCIA NBIC
122. ¿CÓMO SEGUIMOS?
(3) NORMATIVA, REGULACIÓN
ISO Technical Committee (TC) 229
www.oecd.org/sti/nano
OECD Working Party on Nanotechnology
OECD WP on Safety of Manufactured
Nanomaterials
ASTM E2456 - 06 Standard Terminology
Relating to Nanotechnology
American Society for Testing and Materials (ASTM)
http://www.insht.es/portal/site/Insht/
125. ¿Qué sabemos de la
nanotecnología?
P.A. Serena
La Catarata-CSIC
(http://www.catarata.org)
Aplicaciones Industriales de la
Nanotecnología en España en el
Horizonte 2020
VV.AA (http://www.opti.es)
Una revolución en miniatura
A. Menéndez
Servicio de Publicaciones de la
Universidad de Valencia
La era del camaleón
María Teresa de los Arcos
Editorial Síntesis (Madrid), 2008
Claves para el
Nanomundo
André-Yves Portnoff
COTEC, 2011
http://www.cotec.es/
El nanimundo en tus manos
J.A. Marín Gago
Ed. Crítica (2014)
126. Unidad Didáctica “NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGIA
Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro”.
http://www.fecyt.es
http://www.cienciasmc.es/web/u0/index_u0.html
Asesoría de Ciencias de la
Naturaleza
Luis Zaballos Ruíz
Jon Benito
Berritzegune Nagusia (Bilbao)
Propuesta de trabajo Julio 2010
Contactos:
zaballosruiz@irakasle.net
zientziahezkuntza@gmail.com
gllperal@gmail.com
132. MADRID
IMDEA-Nanociencia
CAM+MICINN
http://www.nanociencia.imdea.org/
MADRID
IMDEA-Nanociencia
CAM+MICINN
http://www.nanociencia.imdea.org/
CATALUÑA
Plataforma de Nanotecnología del Parque Científico de
Barcelona (UB)
http://www.pcb.ub.es/plataforma/nanotecnologia
Institut Catalá de Nanotecnologia (Gob. Catalán)
http://www.nanocat.org/
Centre d'Investigacions en Nanociència i Nanotecnologia
(CIN2) (ICN+CSIC)
http://www.cin2.es/
Instittuo de Ciencias Fotónicas (ICFO)
Gob. Catalán
http://www.icfo.es
CATALUÑA
Plataforma de Nanotecnología del Parque Científico de
Barcelona (UB)
http://www.pcb.ub.es/plataforma/nanotecnologia
Institut Catalá de Nanotecnologia (Gob. Catalán)
http://www.nanocat.org/
Centre d'Investigacions en Nanociència i Nanotecnologia
(CIN2) (ICN+CSIC)
http://www.cin2.es/
Instittuo de Ciencias Fotónicas (ICFO)
Gob. Catalán
http://www.icfo.es
ARAGÓN
Instituto Universitario de Nanociencias de
Aragón (INA)
Universidad de Zaragoza + Gob. Aragón
http://www.unizar.es/ina/ina.htm
ARAGÓN
Instituto Universitario de Nanociencias de
Aragón (INA)
Universidad de Zaragoza + Gob. Aragón
http://www.unizar.es/ina/ina.htm
ASTURIAS
Centro de Investigación de Nanomateriales y
Nanotecnología (CINN)
Univ. Oviedo + CSIC + P. Asturias
ASTURIAS
Centro de Investigación de Nanomateriales y
Nanotecnología (CINN)
Univ. Oviedo + CSIC + P. Asturias
ANDALUCIA
Centro Andaluz de Nanomedicina y
Nanotecnología (BIONAND) de Málaga
Junta de Andalucia
ANDALUCIA
Centro Andaluz de Nanomedicina y
Nanotecnología (BIONAND) de Málaga
Junta de Andalucia
VALENCIA
Centro de Tecnología Nanofotónica de
Valencia (NTC)
Universidad Politécnica de Valencia
http://www.ntc.upv.es/index.html
Instituto de Ciencia Molecular
Universidad de Valencia
http://www.icmol.es
VALENCIA
Centro de Tecnología Nanofotónica de
Valencia (NTC)
Universidad Politécnica de Valencia
http://www.ntc.upv.es/index.html
Instituto de Ciencia Molecular
Universidad de Valencia
http://www.icmol.es
PORTUGAL-ESPAÑA
Laboratorio Ibérico Internacional de
Nanotecnología
Braga (Portugal)
MICINN (E) + MCTES (P)
http://www.iinl.org/
PORTUGAL-ESPAÑA
Laboratorio Ibérico Internacional de
Nanotecnología
Braga (Portugal)
MICINN (E) + MCTES (P)
http://www.iinl.org/
PAIS VASCO
CIC Nanogune
Gob. Vasco + Univ. País Vasco + MICINN
http://www.nanogune.eu
PAIS VASCO
CIC Nanogune
Gob. Vasco + Univ. País Vasco + MICINN
http://www.nanogune.eu
CASTILLA-LA MANCHA
Instituto de Nanotencología, Nanociencia y
Materiales Moleculares (INAMOL)
Universidad de Castilla-La Mancha
CASTILLA-LA MANCHA
Instituto de Nanotencología, Nanociencia y
Materiales Moleculares (INAMOL)
Universidad de Castilla-La Mancha
CENTROS DE
INVESTIGACIÓN EN
NANOTECNOLOGÍA
Notas del editor
first transistor developed at AT&T Bell Laboratories and unvieled in 1948.
nanopartículas introducidas en las cremas solares son las responsables de absorber la radiación UVA. Dependiendo de la cantidad de tales nanopartículas, una crema solar atrapa una mayor o menor cantidad de radiación, dando como resultado la clasificación en factores de protección, óxido de zinc
Aprovechar que sabemos mover y actuar con los atomos
Whirlwind computer, the large-scale supercomputer of the 1950s and 1960s developed for automated strategic air defense applications. It could display real time video.
el uso de MWCNT´s purificados mejora la transferencia de la señal eléctrica de estas redes, uno de los experimetos realizados consistio en cultivar células neuronales del cortex sobre islas de CNT, Tras 24 horas de cultivo se observó como las células neuronales se agregaban preferentemente a las islas de CNT, tras 96 horas de cultivo, se comprueba como se conectan las neuronas de las islas vecinas, que sobre los CNT las neuronas forman una red organizada.
ASTM E-56 Technical Committee:
Three subcommittees: E56-01:Terminology and Nomenclature (issued ASTM E2456, on-going work)
E56-02: Characterization
E56-03: Environment, Health and Safety
ISO TC 229:WG1: Nomenclature group led by Canada
WG2: Measurement and Characterization led by Japan
WG3: Health, Environment and Safety led by USA
Top 3 Standards Identified by ISO respondents:
Standard for Toxicological Screening of Nanomaterials
Standard for Determining Relative Toxicity/Hazard Potential of Nanomaterials (2 items under development)
Standard for Controlling Occupational Exposures to Nanomaterials
(1 work item under development)
ISO/TC-229-OECD WPMN Coordination Papers:
EH&S monitoring techniques
Engineering controls, PPE, etc.
Epidemiological and environmental surveillance protocols
ICON has established a virtual journal on their web site at: http://icon.rice.edu/virtualjournal.cfm
NCL serves as a national resource and knowledge base for all cancer researchers to facilitate the regulatory review of nanotechnologies intended for cancer therapies and diagnostics. As part of its assay cascade, the NCL will characterize nanoparticles' physical attributes, their in vitro biological properties, and their in vivo compatibility using animal models. The time required to characterize nanomaterials from receipt through the in vivo phase is anticipated to be one year.
NIOSH conducts workplace evaluations of nanomanufacturing facilities in an effort to addressing knowledge gaps, developing strategies, and providing recommendations. These evaluations are voluntary and requested by the facility.