miniatura|Representació animada d'un nanotub de carboni La nanotecnologia és un camp de les ciències aplicades dedicat al control i manipulació de la matèria a una escala menor que un micròmetre, és a dir, a nivell d'àtoms i molècules. El més habitual és que tal manipulació es produeixi en un rang d'entre un i cent nanòmetres. Per fer-se una idea aproximada de la mida tan petita que pot tenir un nanobot (un robot de proporcions microscòpiques fet amb nanotecnologia), es pot dir que un de 50 nm té la mida de 5 capes de molècules o àtoms (depenent del material de què estigui fet el nanobot).
Nano- és un prefix grec que indica una mesura, no un objecte, de manera que la nanotecnologia es caracteritza per ser un camp essencialment multidisciplinari, i cohesionat exclusivament per l'escala de la matèria amb la qual treballa. La nanotecnologia promet solucions avantguardistes i més eficients per als problemes ambientals, així com per a molts altres que afronta la humanitat. Promet beneficis de tota classe, des d'aplicacions mèdiques noves o més eficients fins a solucions de problemes ambientals i molts altres, però el concepte de nanotecnologia encara no és gaire conegut a la societat.
Un nanòmetre és la mil milionèsima part d'un metre (10-9 metres).
Història Tot comença quan Richard Feynman (1918-1988), de la Universitat Tecnològica de Califòrnia, va guanyar el Premi Nobel de Física el 29 de desembre del 1959 i donà una conferència titulada En el fons hi ha espai de sobres (There's Plenty of Room at the Bottom), que va significar el principi de la nanociència. Hi afirmava:
Des de llavors, els científics interessats en el tema no han deixat d'investigar fins a obtenir uns resultats que han involucrat una gran varietat de ciències, com la química (molecular i computacional), la bioquímica, la biologia molecular, la física, l'electrònica, la informàtica, la medicina, la robòtica, etc.
El terme nanotecnologia va ser encunyat per Kim Eric Drexler, que el va utilitzar al seu llibre del 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Al capítol quart del llibre, Drexler introdueix el concepte d'autoreplicació:El concepte de màquina replicant ja apareix amb John von Neumann (1903-1857) de la mateixa manera que les cèl·lules construeixen còpies per reproduir-se, els robots moleculars dissenyats per l'ésser humà podrien autoreplicar-se. Com a conseqüència, només haurien de suportar el cost del disseny i construcció del primer robot molecular capaç d'autoreplicar-se. Aquest primer robot amb capacitat generadora (anomenat assemblador) podria fins i tot construir objectes molt més especialitzats, utilitzant com a matèria primera àtoms, energia, programari i el temps.
Altres noms d'aquesta àrea van ser Rosalind Franklin, James Dewey Watson i Francis Crick quan van proposar que l'ADN era la molècula principal que tenia un paper clau en la regulació de tots els processos de l'organisme i d'aquí es va prendre la importància de les molècules com a determinants en els processos de la vida, per solucionar molts dels problemes de la humanitat, però també podria generar armes poderosíssimes. Creador del Foresight Institute i autor de llibres com Màquines de la Creació (Engines of Creation), moltes de les seves prediccions inicials no es van complir, i les seves idees semblen exagerades a l'opinió pública.
Però aquests coneixements van anar més enllà, ja que, amb això, es va poder modificar l'estructura de les molècules, com és el cas dels polímers o plàstics que avui en dia trobem en totes les nostres llars i sense els quals no podríem viure.
Amb tots aquests avenços l'ésser humà va tenir una gran fascinació per seguir investigant més sobre aquestes molècules, ja no en l'àmbit de materials inerts, sinó en la recerca de molècules orgàniques que es trobaran en el nostre organisme.
Avui en dia en la medicina es dona més importància a la investigació en el món microscòpic, ja que es considera que és on es poden trobar les alteracions estructurals que provoquen la malaltia, i no cal dir de les branques de la medicina que n'han sortit més beneficiades, com ara la microbiologia, la immunologia, la fisiologia, i en fi, gairebé totes les branques de la medicina. Amb tots aquests avenços han sorgit també noves ciències, com és l'enginyeria genètica, de la qual tothom pot haver sentit a parlar referida al clonatge i a la millora d'espècies. Entre aquestes ciències també se'n troben d'altres no tan conegudes, com és la nanotecnologia, que es podria definir com aquella que es dedica a la fabricació de la tecnologia en miniatura.
La nanotecnologia, a diferència de l'enginyeria genètica, encara no està en procés de desenvolupament; Se la pot considerar com «una ciència teòrica»: encara no s'ha portat a la pràctica perquè encara no és viable, però les repercussions que pot comportar per al futur són immenses.
Conceptes fonamentals Un nanòmetre (nm) és una mil milionèsima part, o 10-9, d'un metre. En comparació, les distàncies dels enllaços carboni-carboni típiques, o els espais entre aquests àtoms en una molècula, són de l'ordre dels 0.12-0.15 nm, i una hèlix doble de DNA té un diàmetre al voltant de 2 nm. D'altra banda, les formes de vida cel·lulars més petites, els bacteris del genus micoplasma, tenen al voltant de 200 nm de llargada.
Per posar aquesta escala en un altre context, la proporció relativa d'un nanòmetre a un metre és la mateixa que la d'una boleta de jugar a bales a la mida de la Terra. O una altra manera de veure-ho: un nanòmetre és la longitud que creix la barba d'un home en el temps que tarda a alçar la navalla a la cara.
En la nanotecnologia s'apliquen dos enfocaments principals. En l'enfocament "de baix a dalt", els components i mecanismes es construeixen a partir de components moleculars que es munten sols químicament per principis de reconeixement molecular. En l'enfocament "de dalt a baix", els nano objectes es construeixen a partir d'entitats més grans sense control a nivell atòmic.
Àrees de la física com la nanoelectrònica, la nanomecànica i la nanofotònica han evolucionat durant les darreres dècades per proporcionar una fonamentació científica bàsica a la nanotecnologia.
De simple a complex: una perspectiva molecular La química sintètica moderna ha arribat al punt que és possible preparar petites molècules amb gairebé qualsevol estructura. Aquests mètodes es fan servir avui per fabricar una varietat àmplia de productes químics útils, com fàrmacs o polímers comercials. Aquesta habilitat planteja la qüestió d'estendre aquesta classe de control al nivell immediatament més gran, cercant mètodes per unir aquestes molècules úniques en muntatges supramoleculars que constin de moltes molècules arranjades de manera ben definida.
Aquests enfocaments fan servir els conceptes d'automuntatge molecular i/o química supramolecular per arranjar-les automàticament cap a una conformació útil a través d'una aproximació de baix a dalt. El concepte de reconeixement molecular és especialment important: les molècules es poden dissenyar de manera que una configuració o arranjament específic sigui afavorit a causa de les forces intermoleculars no covalents. Les regles d'aparellament de bases de Watson i Crick són un resultat directe d'això, com ho és l'especificitat d'un enzim adreçat a un substrat únic, o el mateix plegament específic de les proteïnes. Així, dos o més components es poden dissenyar perquè siguin complementaris i mútuament atractius de manera que facin un conjunt més complex i útil.
Aquestes aproximacions de baix a dalt haurien de ser capaces de produir dispositius en paral·lel i ser molt més barates que els mètodes de dalt a baix, però potencialment podrien quedar desbordades a mesura que la mida i la complexitat desitjada dels muntatges augmentés. La majoria de les estructures útils exigeixen arranjaments complexos –i termodinàmicament improbables– d'àtoms. No obstant això, hi ha molts exemples d'automuntatge basats en reconeixement molecular en biologia; els més notables, l'aparellament de bases de Watson-Crick i les interaccions entre substrat i enzims. El desafiament per a la nanotecnologia és si aquests principis es poden fer servir per idear estructures noves a més a més de les naturals.
Nanotecnologia molecular: una visió a llarg termini La nanotecnologia molecular, a vegades anomenada fabricació molecular, descriu el concepte de nanosistemes construïts (màquines a nanoescala) que operen a escala molecular. Està associat especialment amb el concepte de muntador molecular, una màquina que pot produir una estructura desitjada o mecanisme àtom a àtom fent servir els principis de mecanosíntesi. El mot «fabricació» en el context de nanosistemes productius no es refereix a les tecnologies convencionals utilitzades per fabricar nanomaterials com nanotubs de carboni i nanopartícules. Se'n hauria de distingir clarament.
Quan es va encunyar el terme nanotecnologia de forma independent per Eric Drexler (que a l'època no era conscient d'un ús anterior per Norio Taniguchi) es referia a una tecnologia de fabricació futura basada en sistemes de màquines moleculars. La base era que les analogies biològiques a escala molecular de components de màquines tradicionals demostraven que les màquines moleculars eren possibles: pels incomptables exemples que es troben en biologia, se sap que es poden produir, màquines biològiques sofisticades optimitzades de manera estocàstica.
S'espera que els desenvolupaments de la nanotecnologia faran possible construir-ne per alguns altres mitjans, potser utilitzant principis biomimètics. Tanmateix, Drexler i altres investigadors han proposat que la nanotecnologia avançada, tot i que potser al començament implementada per mitjans biomimètics, en el fons podria estar basada sobre principis d'enginyeria mecànica, és a dir, una tecnologia de fabricació basada en la funcionalitat mecànica dels components (com engranatges, coixinets, motors, i components estructurals) que permetrien el muntatge posicional programable, amb especificacions atòmiques. L'actuació física i l'enginyeria de dissenys exemplars s'analitzen en el llibre de Drexler Nanosistemes.
En general és molt difícil muntar mecanismes a escala atòmica, donat que tot el que hi ha per col·locar àtoms són uns altres àtoms de mida i enganxositat comparables. Una altra punt de vista, posada plantejat per Carlo Montemagno, és que els nanosistemes futurs seran híbrids de tecnologia de silici i màquines moleculars biològiques. Hi ha encara un altre punt de vista, avançat per Richard Smalley, és que la mecanosíntesi és impossible a causa de les dificultats de manipular mecànicament molècules individuals.
Això va portar a un intercanvi de cartes a la publicació Chemical & Engineering News de la ACS el 2003.C&En: Cover Story - Nanotechnology Encara que la biologia demostra clarament que els sistemes de màquines moleculars són possibles, les màquines moleculars no biològiques avui són només en la seva infantesa. Els líders en la recerca en màquines moleculars no biològiques són Alex Zettl i els seus col·legues als laboratoris Lawrence Berkeley i a la Universitat de California Berkeley. Han construït com a mínim tres mecanismes moleculars el moviment dels quals es controla des de la taula de treball amb un canvi de voltatge: un nanomotor nanotub, un actuador molecular, i un oscil·lador de relaxació nanoelectromecanic.
Un experiment que indica que el muntatge molecular posicional és possible va ser realitzat per Ho i Lee a la Universitat Cornell el 1999. Van fer servir un microscopi d'efecte túnel per moure una molècula individual de monòxid de carboni (CO) cap a un àtom individual de ferro (Fe) que estava en un cristall pla d'argent, i van lligar químicament el CO al Fe aplicant un voltatge.
Recerca actual miniatura|Representació gràfica d'un rotaxà, útil com a interruptor molecular. miniatura|Imatge sarfus d'un bioxip de DNA elaborat amb l'enfocmant de baix a dalt.