Explorando el Nano-mundo y sus Maravillas

Salvador Cruz Jiménez

Departamento de Física

Universidad Autónoma Metropolitana

Unidad Iztapalapa

De lo Macro a lo Nano

100,000 años luz

1019 m

109 m

m106 m

10-1m

10-2 m 10-3 m 10-6 m

10-9 m = 1 nanometro (nm)

10-10 m = 0.1 nm = 1 Angstrom

Virus SIDA

100 nm

El nanomundoEl nanomundo

ADN2 nm

Adenina

N

H

C

0,1 nm

Glóbulos rojos

5 m

50 mCabello humano

25 mm

Cortesía de Pedro Echenique

Mili y micromundo

Los patrones en la superficiedel CD difractan la luz visible

Reducción del tamaño de patrones de grabado y sus consecuencias

Cabello sobre CD

Procesadores Intel

Plantilla de circuitosCreación de cada transistor(Fotolitografía) Oblea de silicio con impresión

De muchos chips idénticos

El proceso de miniaturización en la industria electrónica

PELICULAS

El límite de la miniaturización a escala atómica

Ejemplo: Un CD como memoria de almacenamiento

Atomos de silicio

Si atoms on self-assembled 5 atom wide tracks consisting of 0.4 monolayer Au on a stepped Si (111) substrate store information at 250 Terabits per square inch (Franz Himpsel, http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/memory.html )

¡Entramos al nanomundo !

“There’s Plenty of Room at the Bottom...” Richard P. Feynman, 1959

Nanotecnología: El límite atómico

“No hay ninguna ley física que impida

manipular átomos y moléculas

individualmente, o fabricar estructuras a partir de los mismos.En principio se puede

hacer; en la práctica no se ha hecho porque somos demasiado

grandes”.

¿Por qué el tamaño sí importa?Las propiedades físicas y químicas de un material cambian fuertemente

respecto al material macroscópico cuando sus dimensiones son nanométricas.

Se trata del comportamiento de unos pocos átomos

(moléculas) en comparación con el sólido macroscópico

o bien

del comportamiento de electrones,

átomos o moléculas

Atrapados en cavidades

nanométricas.

holeelectron

Wannier exciton in nano-crystalite

7 A

100 A

Nano-confinamiento y propiedades ópticas de materiales

+

+

+

+

_

_

_ _e-

Centros-F en halogenuros

alcalinos

5 A

Se bombardea con electrones un cristalDe NaCl El cristal se colorea

Los electrones atrapados en vacancias absorben y emiten luzcomo los átomos, debido al confinamiento espacial

PELICULAS

holeelectron

Wannier exciton in nano-crystalite

Absorción y emisión de luz de Nano-partículas de CdSe

Absorción

Emisión

Absorción/Emisión

Quantum dots

100 A

PELICULA

Qdot 525, 565, 605 and 655 Streptavidin Conjugates used to label the breast cancer marker Her2 on the surface of different SK-BR-3 cells.

Kenneth Chang, "Tiny Is Beautiful: Translating 'Nano' Into Practical", The New York Times, February 22, 2005.Images courtesy of the Stained Glass Museum, Britain.

¿Es posible manipular átomos?

•La ciencia actual ha llegado al punto de la manipulación de átomos individuales, lo cual hace factible la construcción futura de arreglos más complejos con funciones específicas.

Microscopia de Fuerza Atómica

AFM UAM-Iztapalapa

Principio del Microscopio de Fuerza Atómica

Cortesía: Pedro Echenique

1nm

Cortesía: Pedro Echenique

La manipulación de átomos permite ahora construir oredenamientosatómicos específicos sobre superficies.

PELICULA

Corrales Cuánticos diseñados sobre pedido.

átomos de fierro sobre superficie de cobre

5 nm

¿Estamos usando ahora la nanotecnología?

16Gb flash memory Samsung (2009)

“…it has become the first to begin mass producing 16 gigabit (Gb) NAND flash, the highest capacity memory chip now available.

The company said it will fabricate the devices in 51 nanometers (nm),the finest process technology to be used in memory mass production to date.”

“It combines pure nano silver ion with fiber by high tech to create a new product which has functions of anti-bacteria, disinfection and deodorization. It can also release an anion and the healthy energy.”

The Agility dress is sporty and fun all in on. The hem length is above the knee with functional invisible side seam pockets, tee holder pocket on the chest, and a built-in support sport top. This design is constructed with revolutionized fabrics that repel liquids, resist wrinkles, dry fast, breathe easy, enhance circulation and is antimicrobial.

www.nanotechproject.org

PELICULA

Contains natural oils and Vitamin F, encapsulated into powerful nanoparticles

Nanospheres: Infused with free radical fighting antioxidant vitamins, penetrate deep into the skin to protect, condition and adjust to skin’s specific needs. Arbonne Intl.

“With the additive of Silver Nanoparticles, our product has been clinically proven to fight against harmful bacteria, molds and mites.”

www.nanotechproject.org

“GM introduced the first commercial automotive exterior application of nanocomposite material on the step assist of the 2002 GMC Safari and Chevrolet Astro vans.

Fullerene C60 is a naturally occurring microscopic form of carbon, of the same purity as a diamond, which was found to to have remarkable anti-oxidant properties.

“The Nanofine Zinc Oxide for Cosmetic Clarity and Broad Spectrum UV Protection.

ZinClear™ is an exceptionally transparent form of zinc oxide.

www.nanotechproject.org

Nano-materiales y

primeras nano-máquinas

Fullerenos y Nanotubos

1 nmHoja de grafito

nanotubo

Control de crecimiento Nano manipulador Nano-alambres

A.N. Fennimore et al. NATURE, 424 (2003) 408.

300 nmmodeloreal

Nanomotor basado enUn nanotubo (eje) , una placa metalica y un chip de silicio

Película STMQuicktime+fast_osc

Oscilador nano-electromecánico asistido por tensión superficial

nanotubo

Nanogotas de mercurio

Transporte atómico inducidoPor corriente en nanotubo

Regan_relaxPELICULA

Visión hacia el futuro…..lo que la Ciencia depara…..

Y el principio de los nano robots…!

El motor de una nanomáquina

PELICULA Regan_CG_movie

¿Qué nos enseña la naturaleza?

Virus SIDA

100 nm

N

H

C

Patrones de auto-organización molecular

ADN

¿Máquinas moleculares naturales?

Virus inyectando ADN en una célula ¿cómo conoce su función?

100 nm

¿Es posible manipular átomos individuales y construir máquinas molecularescon funciones específicas?

Y la visión hacia las nano máquinas…

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y A. P

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Nano máquinas y robots híbridos del futuro…..

Acoustic relayattached to an onboard computersends and receivesultrasound tocommunicatewith medical team

Sensors and manipulators detect illnesses and perform cell by cell surgery

Pumps remove toxins from the body and disperse drugs

Outer shell made of strong, chemically inert diamond

Up to 10 trillion nanorobots,each as small as 1/200th thewidth of a human hair might beinjected at once

Typical probe sizes

Width of a human hair

Cell

Cortesía: Pedro Echenique

Cortesía: Pedro Echenique

?

Un nuevo mundo

Nace la ingeniería molecular o nano-ingeniería como actividad interdisciplinaria entre Biología, Física , Química y Computación.

Las máquinas y robots moleculares pueden ser desarrollados, sólo es cuestión de tiempo.

“La cultura del siglo XXI va a ser una cultura científico-técnica: los países que no desarrollen esta cultura están condenados al subdesarrollo.”

Ginés Morata (Premio México, 2004)

Cortesía: Pedro Echenique