Los NEMS (Sistemas Nano-Electromecánicos) son dispositivos que combinan elementos mecánicos, como engranajes y palancas, con dispositivos electrónicos en un tamaño similar a un chip. Los NEMS se fabrican con tecnología de microsistemas electromecánicos (MEMS), lo que implica la fabricación de componentes mecánicos con dimensiones del orden de micrómetros (milésimas de metro). La pequeña escala de los NEMS los hace útiles en una amplia variedad de aplicaciones, como sensores, actuadores y resonadores, y tienen el potencial de ser utilizados en campos como la medicina, las telecomunicaciones y la robótica.
Historia
El primer dispositivo NEMS (Nano-Electromechanical Systems) conocido fue desarrollado en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Stanford en el año 1986. Este dispositivo consistía en una varilla de silicio de unos 100 nanómetros de diámetro y unos 1 micrómetro de longitud, que se podía mover mediante la aplicación de un voltaje eléctrico.
Este primer dispositivo NEMS fue un hito importante en el campo de la nanotecnología y sentó las bases para el desarrollo de una amplia variedad de dispositivos NEMS con aplicaciones en campos como la medición, la detección y la manipulación de partículas a nivel nanométrico. Desde entonces, se han desarrollado muchos otros dispositivos NEMS con aplicaciones en una amplia variedad de ind
ustrias.
A continuación, se presenta un resumen de la historia de los NEMS:
1986: se desarrolla el primer dispositivo NEMS conocido, una varilla de silicio de unos 100 nanómetros de diámetro y unos 1 micrómetro de longitud, que se podía mover mediante la aplicación de un voltaje eléctrico.
1990: se realizan importantes avances en la fabricación de dispositivos NEMS utilizando técnicas de microfabricación.
1995: se desarrolla el primer sensor NEMS, que utiliza una membrana de silicio para medir la presión.
2000: se desarrollan los primeros dispositivos NEMS que utilizan principios mecanocuánticos para almacenar y procesar información.
2010: se comienzan a utilizar los dispositivos NEMS en aplicaciones comerciales, como sensores de presión y temperatura y dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad.
2020: se desarrollan nuevos tipos de dispositivos NEMS y se amplía su uso en una amplia variedad de aplicaciones, como la medición de la presión sanguínea, la detección de gases tóxicos y la manipulación de partículas a nivel nanométrico.
Principios de funcionamiento
Un NEMS (Sistema nanoeléctromecánico) es un dispositivo que combina elementos mecánicos y eléctricos a nivel nanométrico. Funciona mediante el uso de la interacción entre la carga eléctrica y los movimientos mecánicos a nivel nanométrico.
Un NEMS típico consta de varios componentes, incluyendo un sistema mecánico compuesto por una estructura o resonador, un sistema eléctrico compuesto por uno o varios electrodos, y un sistema de control que permite la interacción entre los componentes mecánicos y eléctricos.
El funcionamiento de un NEMS se basa en la interacción entre los electrodos y el resonador mecánico. Cuando se aplica una carga eléctrica a los electrodos, esto provoca un cambio en la posición del resonador mecánico, y esto a su vez provoca un cambio en la carga eléctrica en los electrodos.
Ejemplos de NEMS
Hay varios NEMS (Sistemas nanoeléctromecánicos) muy sofisticados que han sido desarrollados en los últimos años, y es difícil seleccionar uno en particular como el más sofisticado jamás creado. Sin embargo, algunos ejemplos de NEMS muy avanzados incluyen:
Resonadores de cantiléver de silicio: estos dispositivos son capaces de medir fuerzas extremadamente pequeñas, lo que los ha convertido en una herramienta valiosa para la detección de moléculas y la medición de la actividad cerebral.
Transistores de efecto túnel: estos dispositivos utilizan la técnica de efecto túnel para controlar el flujo de electrones, lo que los hace muy sensibles a pequeñas cargas eléctricas.
Sensores de desplazamiento: estos dispositivos son capaces de medir desplazamientos extremadamente pequeños, lo que los ha convertido en una herramienta valiosa para la medición de la posición y el control de motores.
Generadores de energía de efecto piezoeléctrico: estos dispositivos utilizan el efecto piezoeléctrico para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, lo que los ha convertido en una herramienta valiosa para la generación de energía.
En próximas entradas hablare sobre esta tecnología.
Materiales y Tecnología empleados en la producción de NEMS
Los dispositivos NEMS (Nano-Electromechanical Systems) se fabrican utilizando una amplia variedad de materiales, dependiendo del tipo de dispositivo y de su aplicación. Algunos de los materiales más comunes utilizados en la fabricación de dispositivos NEMS son:
Metales: los metales, como el oro, la plata y el cobre, se utilizan a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS debido a sus excelentes propiedades conductoras y su resistencia a la deformación.
Aleaciones: las aleaciones, como el acero inoxidable, se utilizan a me
nudo en la fabricación de dispositivos NEMS debido a su resistencia a la corrosión y su resistencia mecánica.
Polímeros: los polímeros, como el policarbonato y el polietileno, se utilizan a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS debido a su bajo costo y su facilidad de procesamiento.
Compuestos orgánicos: los compuestos orgánicos, como el fósforo y el carbono, se utilizan a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS debido a sus excelentes propiedades conductoras y su resistencia a la deformación.
Compuestos inorgánicos: los compuestos inorgánicos, como el silicio y el nitruro de silicio, se utilizan a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS debido a sus excelentes propiedades conductoras y su alta resistencia mecánica.
La fabricación de dispositivos NEMS (Nano-Electromechanical Systems) requiere una amplia variedad de tecnologías debido a las pequeñas dimensiones y alta precisión de estos dispositivos. Algunas de las tecnologías más importantes utilizadas en la fabricación de dispositivos NEMS son:
Fabricación por láser: la fabricación por láser se utiliza para cortar y grabar patrones en materiales de forma precisa a escala nanométrica. Esta tecnología se utiliza a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS que utilizan metales o aleaciones.
Microfabricación: la microfabricación se utiliza para fabricar componentes y estructuras a escala nanométrica. Esta tecnología se utiliza a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS que utilizan polímeros o compuestos orgánicos.
Fabricación por inyección: la fabricación por inyección se utiliza para moldear componentes a escala nanométrica. Esta tecnología se utiliza a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS que utilizan polímeros o compuestos orgánicos.
Fabricación por deposición: la fabricación por deposición se utiliza para depositar capas de materiales a escala nanométrica. Esta tecnología se utiliza a menudo en la fabricación de dispositivos NEMS que utilizan metales o compuestos inorgánicos.
Fabricación por litografía: la fabricación por litografía se utiliza para grabar patrones a escala nanométrica en materiales.
Uso comercial
Los dispositivos NEMS (Nano-Electromechanical Systems) tienen un amplio rango de aplicaciones comerciales debido a sus pequeñas dimensiones y alta precisión. Algunos ejemplos de su uso comercial son:
Sensores: los dispositivos NEMS se utilizan como sensores en una amplia variedad de aplicaciones, como la medición de la presión sanguínea, la detección de gases tóxicos y la medición de la temperatura y la humedad.
Actuadores: los dispositivos NEMS se utilizan como actuadores en aplicaciones como la manipulación de partículas a nivel nanométrico y el movimiento preciso de piezas mecánicas a escala muy pequeña.
Máquinas de estado cuántico: los dispositivos NEMS se utilizan para construir máquinas de estado cuántico, que son dispositivos que utilizan principios mecanocuánticos para procesar y almacenar información de manera cuántica.
Dispositivos de almacenamiento: los dispositivos NEMS se utilizan en la fabricación de discos duros y otros dispositivos de almacenamiento de datos de alta densidad.
En general, los dispositivos NEMS tienen un amplio rango de aplicaciones comerciales debido a su alta precision
Existen varias empresas que fabrican dispositivos NEMS, Algunas de ellas son:
Intel: esta empresa es uno de los principales fabricantes de dispositivos NEMS y utiliza esta tecnología en la fabricación de microprocesadores y otros componentes de ordenador.
IBM: esta empresa también es un fabricante líder de dispositivos NEMS y utiliza esta tecnología en la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías, como máquinas de estado cuántico y dispositivos de almacenamiento de datos.
Honeywell: esta empresa fabrica una amplia variedad de dispositivos NEMS para aplicaciones comerciales, como sensores de presión y temperatura.
Freescale: esta empresa es un fabricante líder de dispositivos NEMS para la industria de la automoción y utiliza esta tecnología en la fabricación de componentes para sistemas de control de motores y vehículos.
STMicroelectronics: esta empresa es un fabricante importante de dispositivos NEMS y utiliza esta tecnología en la fabricación de componentes para aplicaciones como la comunicación inalámbrica y la automatización del hogar.
El mercado de dispositivos NEMS (Nano-Electromechanical Systems) ha experimentado un crecimiento sostenido en los últimos años debido a su amplia gama de aplicaciones y su alta precisión. Se espera que este mercado continúe creciendo en el futuro debido a la demanda de dispositivos más pequeños y más precisos en una amplia variedad de industrias.
Según un informe de mercado, el tamaño del mercado de dispositivos NEMS se estimó en alrededor de 8.300 millones de dólares en 2019 y se espera que alcance los 12.600 millones de dólares en 2024, lo que representa una tasa de crecimiento compuesta anual del 8,4 %. Esto se debe a la demanda de dispositivos NEMS en aplicaciones como la medición de la presión sanguínea, la detección de gases tóxicos y la manipulación de partículas a nivel nanométrico.
El mercado de dispositivos NEMS se divide en varios segmentos, (sensores, actuadores...) Cada uno de estos segmentos tiene su propio conjunto de fabricantes y aplicaciones, y se espera que cada uno experimente un crecimiento en el futuro.
Dificultades en la produccion
La fabricación de dispositivos NEMS (Nano-Electromechanical Systems) puede ser un desafío debido a las pequeñas dimensiones y la alta precisión de estos dispositivos. Algunas de las dificultades más comunes en la producción de dispositivos NEMS son:
Fabricación a escala nanométrica: la fabricación de componentes y estructuras a escala nanométrica puede ser difícil debido a la necesidad de controlar con precisión la geometría y el tamaño de los dispositivos. Esto puede requerir el uso de técnicas de fabricación avanzadas, como la fabricación por láser y la microfabricación.
Propiedades mecánicas y eléctricas: los dispositivos NEMS tienen propiedades mecánicas y eléctricas que pueden ser difíciles de controlar y optimizar debido a su tamaño reducido. Esto puede requerir la selección cuidadosa de materiales y la optimización de la geometría y el tamaño de los dispositivos.
Procesos de fabricación: los procesos de fabricación de dispositivos NEMS pueden ser complejos y requerir la utilización de equipos y técnicas especializadas. Esto puede hacer que la fabricación de estos dispositivos sea costosa y requiera un tiempo de producción prolongado.
Verificación y validación: la verificación y validación de dispositivos NEMS puede ser difícil debido a la necesidad de realizar pruebas y simulaciones a escala nanométrica. Esto puede requerir el uso de tecnologia sofisticada, la cual suele ser costosa y requerir de personal muy capacitado para su uso.
Innovaciones que ha presentado esta tecnologia
La tecnología de los NEMS ha evolucionado significativamente en los últimos años. Algunos de los avances más notables en el diseño de NEMS aparecen en los siguientes aspectos:
Mejoras en la fabricación: los avances en la tecnología de fabricación, como la litografía por rayos X, han permitido la creación de NEMS con estructuras más complejas y precisas alcanzando mediciones de nanometros.
Aumento de la sensibilidad: los NEMS se han vuelto cada vez más sensibles a señales externas, lo que los ha convertido en herramientas cada vez más precisas para la medición y el control, el desarrollo de sistemas de transduccion y procesamiento de se;ales han contribuido en la mejoria en la sensibilidad.
Integración con tecnologías emergentes: los NEMS se están integrando con tecnologías emergentes como la inteligencia artificial y el internet de las cosas, lo que aumenta su capacidad para recopilar y procesar datos, el uso de redes neuronales convolucionales ha sido de gran ayuda en la mejora en la eficiencia de estos sistemas.
Diseño de nuevos materiales: los NEMS se están desarrollando con nuevos materiales, como los grafeno y los materiales compuestos, lo que aumenta su resistencia y eficiencia.
Mayor escala: se están desarrollando NEMS cada vez más grandes, lo que permite una mayor capacidad de almacenamiento y procesamiento de datos.
Aplicaciones más variadas: se están investigando nuevas aplicaciones para los NEMS, como la medición de la actividad cerebral, la detección de enfermedades y la fabricación de dispositivos electrónicos.
El lado Negativo de esta tecnología
Desventajas
Los NEMS (Sistemas mecánicos nanoeléctricos) tienen varias desventajas, incluyendo:
Tamaño y complejidad: los NEMS son muy pequeños y complejos, lo que los hace difíciles de fabricar y manipular.
Fiabilidad: debido a su tamaño reducido, los NEMS son propensos a fallos debido a la presencia de defectos estructurales.
Eficiencia: los NEMS son menos eficientes que los sistemas mecánicos convencionales debido a la fricción y el desgaste en las partes móviles.
Costo: la fabricación de NEMS es costosa debido a la complejidad y precisión requerida en el proceso de fabricación.
Durabilidad: los NEMS tienen una vida útil limitada debido al desgaste y a la degradación de los materiales utilizados en su fabricación.
Contaminacion: Aparte de los materiales toxicos usados la mayoria no son biodegradables y su reciclado y procesamiento es muy dificil y complejo.
Riesgos Los NEMS (Sistemas nanoeléctromecánicos) tienen varios riesgos asociados, incluyendo:
Riesgos ambientales: los NEMS pueden tener un impacto negativo en el medio ambiente si no se desechan adecuadamente. También pueden liberar sustancias químicas o partículas dañinas durante su funcionamiento.
Riesgos para la salud: los NEMS pueden representar riesgos para la salud si se inhalan o entran en contacto con la piel. También pueden liberar radiación dañina durante su funcionamiento en caso en los que se usen elementos radiactivos (como el americio que es usado en detectores).
Riesgos de seguridad: los NEMS pueden ser vulnerables a ataques informáticos o hacking, lo que podría comprometer su funcionamiento o la información que recopilan.
Riesgos de privacidad: los NEMS pueden recopilar y almacenar información personal sensible, lo que podría ser vulnerable a violaciones si no se protege adecuadamente.
Riesgos de confiabilidad: los NEMS pueden fallar o presentar problemas debido a su complejidad y tamaño reducido, lo que podría causar daños o lesiones.
Riesgos económicos: la producción de NEMS es costosa y puede ser difícil recuperar la inversión debido al estado actual de la tecnología.
Riesgos desconocidos: Nuevas tecnologias implican nuevos problemas que muchas de las veces son inpredecibles.
REFERENCIAS
Jagatheesa Perumal Senthil Kumar, Ramakrishnan Sankaranarayanan, Jesudoss Angela Jennifa Sujana, Navasingh Rajesh Jesudoss Hynes,
10 - Advantages and disadvantages of nanodevices,
Editor(s): Francis Verpoort, Ikram Ahmad, Awais Ahmad, Anish Khan, Ching Yern Chee,
In Micro and Nano Technologies,
Nanomedicine Manufacturing and Applications,
Elsevier,
2021,
Pages 163-171,
ISBN 9780128207734,
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820773-4.00015-9.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128207734000159)
Abstract: Nanotechnology has started providing more promising strategies for nanodevice fabrication while offering excellent supporting technology for various applications. In particular, the impact of nanotechnology in developing nanoscale systems is sustainable, and this has started to have a huge positive impact. In this chapter, we discuss widespread top-down applications of the most recently developed nanodevices using nanoparticles along with their advantages and disadvantages in those applications. Further, the chapter gives a historical perspective of nanodevices as well as their general classification based on the materials used while applications with their potential outcomes and challenges are summarized. Also, this chapter provides a potential start for novice studies in the domain of nanodevices. For veteran researchers in this domain, the shortcomings of existing nanodevices are identified and potential requirements for next-generation nanodevice fabrication using nanoparticles are presented with probable research directions.
Keywords: Nanotechnology; Nanoparticles; Nanodevices; NEMS/MEMS; Respirocytes; Microarrays
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