Nanofabricación

La nanofabricación comprende tanto la producción de materiales a nanoescala, que pueden ser polvos o fluidos, como la fabricación de piezas mediante un proceso ascendente (de abajo hacia arriba) a partir de materiales a nanoescala o descendente (de arriba hacia abajo) en pasos mínimos para lograr alta precisión. Se utiliza en diversas tecnologías, como la ablación láser , el grabado y otras. La nanofabricación se diferencia de la fabricación molecular , que consiste en la fabricación de estructuras complejas a nanoescala mediante mecanosíntesis no biológica (y posterior ensamblaje). ^{[ 1 ]}

El término «nanomanufactura» se utiliza ampliamente, por ejemplo, por la Plataforma Tecnológica Europea MINAM ^{[ 2 ]} y la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de EE. UU . (NNI) ^{[ 3 ].} La NNI se refiere al subdominio de la nanotecnología como una de sus cinco «áreas prioritarias» ^{[ 4 ]} . También existe un programa de nanomanufactura en la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. , a través del cual se ha establecido la Red Nacional de Nanomanufactura (NNN) . La NNN es una organización que trabaja para acelerar la transición de las nanotecnologías de la investigación de laboratorio a la producción manufacturera y lo hace a través del intercambio de información ^{[ 5 ]} , talleres estratégicos y el desarrollo de hojas de ruta.

El NNI ha definido la nanotecnología de forma muy amplia, ^{[ 6 ]} para incluir una amplia gama de estructuras diminutas, incluidas las creadas con herramientas grandes e imprecisas. Sin embargo, la nanofabricación no está definida en el informe reciente del NNI, Instrumentación y Metrología para la Nanotecnología . En contraste, otra "área prioritaria", la nanofabricación , se define como "la capacidad de fabricar, mediante métodos dirigidos o de autoensamblaje, estructuras o dispositivos funcionales a nivel atómico o molecular" (p.  67). La nanofabricación parece ser la fabricación a corto plazo, a escala industrial, de objetos basados ​​en nanotecnología, con énfasis en el bajo costo y la confiabilidad. Muchas sociedades profesionales han formado grupos técnicos de nanotecnología. La Sociedad de Ingenieros de Fabricación , por ejemplo, ha formado un Grupo Técnico de Nanofabricación para informar a sus miembros sobre las tecnologías en desarrollo y abordar los problemas legales organizativos y de propiedad intelectual que deben resolverse para una comercialización más amplia.

En 2014, la Oficina de Responsabilidad Gubernamental señaló que el liderazgo de Estados Unidos en nanotecnología se vio comprometido por la falta de inversión del gobierno en la preparación de la investigación básica para su aplicación comercial. ^{[ 7 ]}

La constatación de las numerosas aplicaciones y beneficios de los sistemas a nanoescala en materiales cotidianos, electrónica, medicina, ahorro energético, sostenibilidad y transporte ha impulsado la investigación para desarrollar técnicas que permitan producir estos nanosistemas a mayor escala y a ritmos más elevados. ^{[ 8 ]} Programas y organizaciones como el NNI y el NNN financian actualmente investigaciones para el diseño de técnicas de nanofabricación a escala industrial que sean económicas, sostenibles y fiables. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Un ejemplo de esta tecnología es el Sistema de Impresión Offset a Nanoescala (NanoOps), desarrollado por investigadores del Centro de Nanofabricación de Alta Velocidad (CHN) de la Universidad Northeastern. ^{[ 11 ]} El NanoOps es una forma de ensamblaje dirigido más rápida y económica que la impresión 3D tradicional de nanosistemas. Ahmed Busnaina, líder del proyecto y protagonista del documental « Del laboratorio a la fábrica: Pioneros en la nanofabricación», describe el sistema como una imprenta. Una plantilla grabada con nanocables se sumerge en una solución con nanopartículas que actúa como tinta para la prensa. ^{[ 12 ]} Las nanopartículas se adhieren a la plantilla al aplicar electricidad a la solución. ^{[ 11 ]} La plantilla con las nanopartículas adheridas se puede extraer de la solución y presionar sobre cualquier material. Según Busnaina, todo el proceso cuesta solo el 1 % de la fabricación convencional y puede reducir el tiempo de fabricación de días a minutos. ^{[ 11 ]}

Otro ejemplo ilustrativo es la técnica de fabricación por infiltración con plantilla blanda desarrollada por Nazanin Bassiri-Gharb en el Instituto Tecnológico de Georgia . Se trata de una técnica de nanofabricación ascendente para la fabricación de nanotubos ferroeléctricos piezoeléctricos. El método utiliza litografía por haz de electrones para crear un vacío en la solución precursora sol-gel, generando así una plantilla polimérica. Mediante este proceso de fabricación altamente escalable y práctico, el usuario puede producir patrones y formas personalizadas para numerosas aplicaciones. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

La nanofabricación se refiere a los procesos de fabricación de objetos o materiales con dimensiones comprendidas entre uno y cien nanómetros . ^{[ 15 ]} Estos procesos dan lugar a la nanotecnología , dispositivos, estructuras, características y sistemas extremadamente pequeños que tienen aplicaciones en química orgánica, biología molecular , ingeniería aeroespacial , física y más allá. ^{[ 16 ]} La nanofabricación permite la creación de nuevos materiales y productos con aplicaciones como procesos de remoción de material, ensamblaje de dispositivos, dispositivos médicos , recubrimientos y fibras electrostáticas y litografía . ^{[ 16 ]} La nanofabricación es una rama relativamente reciente de la fabricación que representa tanto un nuevo campo de la ciencia como un nuevo mercado. La investigación en nanofabricación, a diferencia de la fabricación tradicional, requiere un esfuerzo colectivo que trascienda las divisiones típicas de la ingeniería, como la colaboración entre ingenieros mecánicos , físicos, biólogos , químicos y científicos de materiales . ^{[ 16 ]}

La nanofabricación se puede dividir generalmente en dos categorías: enfoques de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.

En 2009, los productos estadounidenses que incorporan componentes a nanoescala alcanzaron un valor de 91 mil millones de dólares. ^{[ 17 ]} Más de 60 países establecieron programas relacionados con la industria de la nanofabricación a nivel nacional entre 2001 y 2004. ^{[ 17 ]} La financiación acumulada desde el año 2000 para la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI) supera los 12 mil millones de dólares. ^{[ 17 ]}

Desde el punto de vista de la sostenibilidad, la Deposición de Capas Atómicas (ALD) es una tecnología de fabricación a nanoescala que utiliza el método de fabricación de abajo hacia arriba y la deposición química de vapor (CVD). ^{[ 19 ]} ALD reemplaza la película dieléctrica de SiO ₂ con una película dieléctrica de Al ₂ O _3. ^{[ 19 ]} La industria ALD ya se utiliza en la industria de semiconductores y es prometedora en células solares, pilas de combustible, dispositivos médicos, sensores e industrias de polímeros. ^{[ 19 ]} La tecnología de nanofabricación permite mejoras en el envasado de alimentos. ^{[ 18 ]} Por ejemplo, la mejora en la barrera del material plástico permite a los clientes identificar información relevante. ^{[ 18 ]} Se busca una vida útil más larga y alimentos más seguros con funciones de autorreparación también. ^{[ 18 ]} El rendimiento de los materiales de construcción tradicionales; acero y hormigón mejora con la nanotecnología. El refuerzo del hormigón con nanopartículas de óxido metálico reduce la permeabilidad y aumenta la resistencia. ^{[ 20 ]} La propiedad de alta resistencia a la tracción y módulo de Young de las adiciones de nanocarbono, como los nanotubos de carbono (CNT) y las nanofibras de carbono (CNF), crea un material más denso y menos poroso. ^{[ 20 ]}

La transición de la nanotecnología desde las demostraciones de laboratorio a la fabricación a escala industrial presenta una serie de desafíos, algunos de los cuales incluyen:

• Desarrollar técnicas de producción que sean económicas y produzcan un rendimiento viable ^{[ 9 ]}
• Controlar la precisión del ensamblaje de nanoestructuras ^{[ 9 ] [ 21 ]}
• Pruebas de fiabilidad y establecimiento de métodos para el control de defectos. Actualmente, el control de defectos en la industria de semiconductores no es selectivo y consume entre el 20 % y el 25 % del tiempo total de fabricación. Se prevé que la eliminación de defectos en sistemas a nanoescala requiera mucho más tiempo, ya que exige una eliminación selectiva y minuciosa de impurezas. ^{[ 21 ]}
• Mantener las propiedades a nanoescala y la calidad del nanosistema durante la producción a alta velocidad y en gran volumen, así como durante la vida útil del producto después de la producción ^{[ 9 ] [ 21 ]}
• Evaluación de los impactos ambientales, éticos y sociales ^{[ 22 ]}