Nanotecnología aplicada en la electrónica, Apuntes de Electrónica Analógica

¡Descarga Nanotecnología aplicada en la electrónica y más Apuntes en PDF de Electrónica Analógica solo en Docsity! 1 INSTITUTO SUPERIOR TECNÓLOGICO SIMÓN BOLÍVAR Tema: Nanotecnología en Defensa: narices electrónicas para detección de explosivos. Asignatura: Informática Docente: Ing. Salvatierra Zambrano Henry Marck Carrera: Tecnología Superior en Electrónica Curso: 1C Autor Méndez Reyes Jordy José Fecha de entrega Martes, 24 de enero del 2023 Ciclo 2S2022 2 Resumen La nanotecnología está en clara expansión, una revolución industrial y económica que ya aporta un valor añadido y nuevas posibilidades para el beneficio de la población. En la actualidad, existen multitud de ejemplos donde se hace patente la aplicación de la nanociencia. 5 ¿Qué es la nanociencia y la nanotecnología? Diferenciar entre nanociencia y nanotecnología, o lo que es lo mismo, diferenciar entre ciencia y tecnología a escala nanométrica, es sencillo. La “ciencia” se define como el conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales; y, la “tecnología” es el conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico de este conocimiento científico. Ambas, la ciencia y la tecnología están íntimamente ligadas e interrelacionadas. Los conocimientos de la ciencia se aplican en desarrollos tecnológicos y determinados aspectos tecnológicos son imprescindibles para avanzar en el trabajo científico. Un claro ejemplo de esto último se encuentra en la escala “nano”, el desarrollo de instrumentos o tecnologías capaces de manipular, ver, caracterizar a esta escala, ha hecho posible que la nanociencia avance más de lo que estaba previsto. Ambas disciplinas se ocupan de la escala nanométrica, pero, ¿qué es lo nanómetro? Escala nanométrica Un nanómetro es igual a 10-9 m, es decir, mil millones más pequeño que un metro. La fi gura 2 puede ayudar a comprender la escala en la que se trabaja cuando se habla de dispositivos nanométricos. Por ejemplo, un pelo humano es cien mil veces más grande. ¿Por qué es tan interesante la escala nanométrica? De forma muy general podríamos citar tres razones: (i) a escala nanométrica las propiedades físicas y químicas cambian, los materiales no responden igual que en la escala macro y esto aumenta el número de aplicaciones potenciales; estamos en la escala de los procesos biológicos, células, cadenas de ADN, etc.; y las relaciones superficie/volumen son elevadísimas, algo que aumenta la reactividad de los materiales. Un ejemplo sencillo donde se puede ver cómo afecta la nanoescala a las propiedades físicas y químicas podría ser el color de los metales. Podríamos afirmar que el color del hierro o del oro es “gris o dorado con reflejos metálicos”, pero, ¿qué ocurriría si redujéramos el tamaño de estos metales a dimensiones micro o nanométricas? A esta escala, los electrones que conforman la densidad electrónica de la red metálica interaccionan fácilmente con la luz. Existen casos particulares donde estas interacciones hacen que los electrones se muevan de manera ordenada, y no de forma libre como lo hacen habitualmente. Ello da como resultado un movimiento colectivo de electrones denominado plasmón superficial. La forma o tamaño de la partícula va a controlar este tipo de plasmones, y, en consecuencia, la interacción de la luz con la superficie, es decir, el color. En la fi gura 3 se muestran nanopartículas de forma y tamaño diferentes de oro y plata. El lector puede apreciar como el plasmón superficial responsable del color es diferente dentro de un mismo metal (nanoprismas de plata son de color rojo y las esferas de 40 nm son de color azul oscuro). 6 La Nanotecnología en la actualidad A finales del siglo XX, quizás promovido por desarrollos como los llevados a cabo por IBM Zúrich y otros, la nanociencia y nanotecnología empezaron a reclamar algo más de atención por parte de gobiernos y población. Países, como Estados Unidos, comenzaron a interesarse. El país norteamericano fundó un programa, con una inversión inicial de 464 M$, porque creyó que esta ciencia sería uno de los pilares de nuestra sociedad futura. El nombre del programa fue NNI (National Nanotechnology Inniciative) y fue anunciado en el año 2000. Actualmente, este programa mantiene una inversión anual de 1.700 M$ 1 . Otros países, como Alemania, China, Japón y Corea, también se unieron a esta iniciativa y fundaron sus propios programas para invertir en esta disciplina. La Unión Europea, a través de sus Programas Marco (FP), también inició su andadura en este tema, de forma algo más tímida en el FP6, pero de forma más activa en el FP7. Hoy en día, 60 países disponen de programas nacionales de financiación centrados principalmente en la nanotecnología. Nanotecnología en defensa, Pero, ¿cómo podría ayudar la nanotecnología en la Defensa? Para poder dar respuesta a esta pregunta, debemos plantear otra: ¿Qué necesidades se nos plantean en la Defensa que la ciencia y la tecnología podrían resolver? En la fi gura 5 se muestran unas antiguas fotografías de principios del siglo XX. Ya entonces existían problemas o necesidades que la técnica trataba de dar solución. Hoy en día, algunos de estos problemas todavía intentamos solventarlos. Existen ejemplos de la nanociencia con aplicaciones para la Defensa que, aunque parezcan de ciencia ficción, ya se están comercializando. En Estados Unidos, se encuentra el ISN (Institute for Soldier Nanotechnologies), financiado por el departamento de investigación del Ejército de EEUU, en colaboración con el MIT 7 (Massachusetts Technology Institute). Su investigación aborda cinco áreas, centradas únicamente en el soldado. Un ejemplo es la búsqueda de un traje de asalto ultraligero, antibalas, que monitorice constantes y que reaccione automáticamente con el ambiente, frente a agentes químicos o biológicos. Este instituto también investiga en: quantum dots para comunicaciones; grafeno para gafas de visión nocturna; nuevos materiales híbridos, más resistentes, ligeros e hidrófobos basados en nanofibras y polímeros; o, en la liberación automática de fármacos. Otros grupos están investigando metamateriales con índices de refracción negativos (NIM). Éstos permitirán mejorar los camuflajes, tejer trajes que disipen la energía de un atacante, fabricar vehículos voladores no tripulados de escala micrométrica, u obtener fibras textiles inteligentes que ayuden en la cicatrización de heridas, entre otros. Aunque parezca ciencia-ficción: no lo es. Muchos de estos ejemplos son reales y pueden encontrarse rápidamente en Internet. El Ministerio de Defensa español ha trazado las directrices que deberán guiar a la I+D durante los próximos años, a través de la denominada ETID 2010 (Estrategia de Tecnología e Innovación para la Defensa). Dentro de estas directrices, no existe una específica sobre nanotecnología o nanomateriales; pero, de forma explícita, la podemos ver reflejada en todas las distintas Áreas y Líneas de Actuación Funcional propuestas en la ETID. Quizás, de forma más clara, se puedan encontrar aplicaciones más directas dentro de Áreas como la mejora del Combatiente o de las Plataformas. Por ejemplo, la incorporación de nanotubos de carbono o grafeno para mejorar las placas antibalas de los chalecos o la mejora en el blindaje de algunos carros. Aunque, como se ha mencionado, en todas las áreas la nanotecnología podría jugar un papel decisivo. Un ejemplo concreto: narices electrónicas para la detección de explosivos Antes de continuar, conviene aclarar algunos conceptos que nos ayudarán a una mejor comprensión de lo que se va a tratar en los siguientes párrafos. Hay que conocer las partes de las que está formado un sensor. Éstas son principalmente tres: el material sensible, responsable de detectar la especie objetivo; el transductor, que traduce el cambio producido en el material sensible por la especie objetivo en una señal cuantificable; y, el procesado de señal. Las características que definen a un sensor vendrán dadas por su selectividad, ligada al material sensible, capaz de discriminar entre los explosivos y la gran variedad de sustancias volátiles presentes en el aire. También por su sensibilidad, ligada al transductor, definida como la cantidad mínima que es capaz de detectar el sensor. Asimismo, es necesario señalar que cada uno de estos sensores se puede preparar con distintos materiales sensibles y que pueden analizarse de forma conjunta, en lo que se denominaría plataforma sensora. Por otro lado, y con relación a la detección en fase gaseosa, debe recordarse que todo líquido y sólido dispone de una presión de vapor, que denota la facilidad de un material a pasar a fase gas. Como la detección de estos sensores es fase gas, cuanto más alta sea esta presión, más “olerá” el sólido, y más fácil será su detección. 10 informático que procesa la señal distinguiendo un posible explosivo o agente de guerra química del resto de sustancias presentes en la atmósfera. El objeto de este breve articulo ha sido explicar de forma sencilla lo que la nanociencia y nanotecnología suponen y las oportunidades que nos puede brindar en los distintos ámbitos que conforman nuestra sociedad. La nariz electrónica, que está desarrollando este grupo de investigación, es fruto del esfuerzo de todos, de los investigadores implicados directa e indirectamente y de la sociedad en conjunto. Es justo que el resultado final, ya sea en forma de equipo comercial o en forma de transferencia de conocimiento a través de artículos como éste, revierta de vuelta al conjunto de la ciudadanía. 11 Bibliografía Urbiztondo Castro Miguel, P. I. (2016). Nanotecnología en defensa. Obtenido de Dialnet: https://publicaciones.defensa.gob.es/media/downloadable/files/links/r/e/ revista_armas_y_cuerpos_131_completa.pdf