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Introducción a la

Nanotecnología

Prof. MSc.(e) Dipl.- Ing. Nelson Lucio Carranza Medina

Docente Ingenieria de Sistemas y Automatica

ncarranzam@upao.edu.pe

Universidad Privada Antenor Orrego

Física Aplicada a la Computación

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Indice

• Antecedentes. La visiones de R. Feynmann y E. Drexler

• Fundamentos físicos y químicos Efectos de la reducción de tamaño. Fabricación de nanoestructuras.Puntos cuánticos. Propiedades de nanotubos. Partículas magnéticas.

• Aplicaciones. Materiales avanzados. Liberación de fármacos. Monocapas autoensambladas. Diagnóstico médico. Control ambiental. Efectos bactericidas

• Perspectivas Implicancias en la economía y el desarrollo social. Influencia en la enseñanza de las ciencias.

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Richard Feynman (1918-1988)

• Premio Nobel de Física, 1965

• Personalidad no convencional– “Surely You’re Joking, Mr. Feynman”

– “What Do You Care What Other

People Think?”

• Combinación unica

– Fisico teórico

– Pensamiento práctico

– Iconoclasta

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Desastre del Challenger (1985)

• Parte del panel investigador

• “Para una tecnología exitosa, la

realidad debe estar por encima

de las relaciones públicas, a la

naturaleza no se le puede engañar”.

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El primer visionario

• “There’s Plenty of Room at the Bottom: Una invitacion para ingresar a un nuevo campo de

la fisica”

• Presentado en el congreso anual de la

American Physical Society, 1959

• Publicado in Caltech’s Engineering and

Science, 1960

• http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

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Reduccion fotográfica

• Que tendriamos que hacer para escribir

la Enciclopedia Británica en la cabeza

de un alfiler?

– Reducir el tamaño en 25,000.

¿?

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1 pag: 20x25cm2=500cm2=0,05m2

Enciclopedia Británica:

24 t x 800 p/t x 0,05 m2/p = 960 m2

1 alfiler: 1 mm2 = 10-6m2

Razón de areas: 960/10-6 ~109 = 10 x

108

Razón de longitudes: ~ 3 x 104 = 30 000

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……..continua Feynman

– Cada punto sería del tamaño de 1,000

atomos…

¿?

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En 1959 se sabía como leer algo tan pequeño.

Feynman sabia que pronto se podria escribir

algo de ese tamaño.

• 1 pto: 0,2 mm (diámetro)

• 1pto/25 000 = 0,8 x 10-5 mm

• d(2 atomos) = 2,5 Å = 2,5 x 10-7 mm

• #atomos/pto = 32

32 ~ 1 000

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SOBRA ESPACIO!!!

• Representar cada carácter (letra, numero, etc) como secuencia de puntos y rayas.

• Los puntos se harian con un metal (125 atomos) y las rayas con otro metal.

• Se almacenan en 3 dimensiones.

• Todo el conocimiento humano podria ser almacenado en una partícula de polvo de aprox. 0,1 mm..!!

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Vision: año 2000

“El año 2000…se preguntarán porque

recien en 1960 alguien pensó

seriamente que se podia ir en esta

dirección.”

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Predicciones

“No tengo duda que en el futuro

seremos capaces de ordenar los

atomos mismos a nuestra voluntad”–

Feynman, 1959

D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a

scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).

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Predicción: microcomputadoras

” No hay ninguna ley física que nos diga que

los elementos de una computadora no

pueden hacerse muchísimo mas pequeños

de lo que son ahora.

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Historia de los circuitos

integrados (CIs)

• 1958-1959: Se inventan los CIs

– Jack Kilby (Texas Instruments)

– Robert Noyce (Fairchild Semiconductor)

• 1965: Gordon Moore (Intel)

– Observó que la densidad de transistores se

duplica cada 2 años.

– Predice que continuará o se icrementará.

– Predice 65,000 transistores por chip en 1975

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K. Eric Drexler (1955-)

• PhD, Molecular Nanotechnology, 1991

• Books

+ Engines of Creation, 1986

+ Unbounding the Future, 1991

+ Nanosystems,1992

• “Padre” de la nanotecnología

• Fundador del “Foresight Institute”

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• Chairman: Eric Drexler

• President: Christine Peterson

• Board of advisors (8)

– Doug Englebart, inventor of

mouse, hypermedia, etc.

– Ray Kurzweil

– Marvin Minsky

• Senior associates (~500)

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El termino “Nanotecnologia”

• Usado en 1974 por Nori Taniguchi para

referirse a la precisión mecánica con

tolerancias de micrómetros o menor

• Popularizado por Drexler in 1986

• Por analogia con microtecnología

– micro = un millonesimo (10-6)

– nano = un mil millonesimo (10-9)

• Actualmente, 10-100 nm

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mm 1010 5

mm 10010 4

mmm 110 3 cmm 110 2

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nmm 1010 8 nmm 110 9

nmm 10010 7 mm 110 6

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nmm 1,010 10

El reino de la mecanica cuántica…..

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Máquinas de construcción

• Todo esta hecho de atomos.

• Desde hace un milenio manipulamos

billones de billones de atomos a la vez

• A lo largo de la historia hemos

mejorado nuestro dominio de la

materia.

• En el futuro seremos capaces de

manipular atomos individuales.

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El termino ensamblador, en el sentido de Drexler fue

usado por primera vez en su libro Engines of Creation

(1986). En el Cap. 4, Engines Of Abundance, Drexler

explora un escenario de exponential growth de estos

ensambladores:

– El primer ensamblador (replicador) hace una copia en mil segundos, estos dos copian otros dos cada uno; cada uno de los cuatro….Despues de 10 h habran 68 mil millones. En menos de un dia, pesarían una tonelada; en menos de dos días pesarían mas que la tierra; en otras cuatro horas, excederían la masa del sol y los planetas ….!

¿?

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Crecimiento exponencial

• Tiempo (s) # replicadores

• 0 1

• 1 000 2

• 2 000 4

• 3 000 8

• …

• n 000 2n

• 36 000 (10h) 236 = 68,719’476,736

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Crecimiento exponencial

• Supongamos que cada replicador tiene dimensiones 10x10x10 nm3=10-24m3

• Que tienen la densidad del agua:103kg/m3

• Masa de un replicador: 10-21kg

• En un dia el # replicadores creados: 286,4 ~1027 repl.

• El peso de todos ellos:

~1027x 10-21kg= 1 000 T

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Crecimiento exponencial

• En dos dias el numero de replicadores

sería:

• 2172,8 ~ 1052 repl

• Con una masa total de:

• 1052 x 10-21 = 1032 kg

• La masa de la Tierra es de 1024kg.

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Plaga gris

• Drexler describe la plaga gris (grey goo) en el Capitulo 11, Engines Of Destruction:– “..los primeros ensambladores podrían competir

con los organismos mas avanzados. “Plantas con celdas solares como hojas podrían competir con plantas reales, cubriendo la biósfera con un extenso follaje. “bacterias omnivoras competirian con bacterias reales, se replicarian como el pólen, y reducirian la biósfera a polvo en unos pocos dias. Peligrosos replicadores podrian reproducirse tan rapido que no podrían controlarse, al menos si no se han previsto las formas anticipademente…

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Ensambladores universales

• Nanomaquinas capaces de construir cualquier configuración de atomos

• Una vez que el primer ensamblador universal se construya comenzara la “revolución de dos semanas”.

• También se haran des-ensambladores universales

– Limpieza

– Replicas

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Operaciones de mecanosintesis pueden transferir

atomos individuales

DFT

ab initio

semi empirico

QC

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Ensamblador con faja transportadora

Faja a 1m/s

Espaciado: 10 nm

108 oper/s.

Un mecanismo de 104 atomos

que transfiere un atomo por

operacion, tarda 10-4s en

duplicarse.

Si transfiere 1 atomo por cada 10

operaciones, se duplica en 10-3 s.

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Maquinas de curación (Cap. 7)

• “Usaremos tecnología molecular para

dar salud porque el cuerpo humano

esta hecho de moléculas”.

• Una supercomputadora en cada celula

• Se curará esa enfermedad llamada

vejez.

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Ensambladores universales?

• Mayoría de científicos (al menos los encuestados en Scientific American, September 2001) no creen que sea posible.

– Problema del “dedo muy grande”

– Problema del “dedo pegajoso”

• Foresight Institute ofrece $250,000 Gran Premio Feynman

http://www.zyvex.com/nanotech/nano4/merklePaper.html

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Artificial and natural motors

http://www.sciam.com/2001/0901issue/0901whitesides.html

Scientific American, September 2001

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Beneficios previstos

• Eliminacion del envejecimiento, enfermedad y muerte

• Cirugias asistidas por máquinas

• Super -productos farmaceuticos

• Limpieza de tóxicos

• Reciclaje

• Fin de la hambruna

• Reintroducción de muchas especies de

• animales y plantas extintos

• Creación de recursos no renovables (gas, petróleo)

• Reducción en el consumo de materias primas

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Riesgos

• Consecuencias imprevistas, hara

lo que se espera que haga?

• Mutación de los replicadores

durante el proceso de copia.

• Replicación incontrolada

• Mejora de la salud llevaria a

superpoblación o una disminución

de la población.

• Reintroducción de plantas o

animales extintos alteraría el

ecosistema.

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Nanotubos de carbón

• 50,000 veces mas delgado que un cabello humano

• Tan fuerte como el diamante

• Soporta 100 veces mas corriente

que un cable conductor

• Puede usarse para fabricar

transistores (puertas lógicas)

• Pronto se usarán en: – Corto plazo: TV displays

– Mediano plazo: computadoras

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