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Nanotubos usados en la cienciaLa utilización de nanotubos de carbono funcionalizados (f-CNT) en biomedicina y en terapia génica, ofrece nuevas posibilidades para su uso como “nanovectores”, debido a su capacidad para penetrar en las células con facilidad. Estos sistemas ayudan en el proceso de transferencia de un gen exógeno a la célula, facilitando la entrada y biodisponibilidad intracelular del mismo, de tal modo que éste pueda funcionar correctamente
En la actualidad uno de los problemas que se plantean en terapia génica es cómo manejar adecuadamente el ADN para poder realizar las modificaciones oportunas: eliminar genes no deseados, implantar nuevos… Debido a sus características químico-estructurales el ADN no puede atravesar la membrana celular y por tanto es necesario disponer de las herramientas necesarias, de nanotransportadores, que nos posibiliten llevar a cabo las modificaciones deseadas. Hasta ahora, esta función era llevada a cabo principalmente por virus. Sin embargo, la utilización de virus entraña ciertos riesgos que se deben tener en cuenta; aunque estos virus se eligen atendiendo a su seguridad de empleo, no puede descartarse una posible recombinación genética entre el virus y las células sobre las que queremos actuar, lo cual puede originar partículas víricas replicativas capaces de infectar otras células. La nanotecnología es un campo multidisciplinar que permitirá manipular materiales, tejidos, células y ADN a nivel celular, siendo los nanotubos de carbono una de sus herramientas más versátiles. Los nanotubos de carbono pueden visualizarse como una superficie de átomos de carbono enrollada sobre sí misma, semejante a un cilindro hueco; es lo más próximo que se conoce a lo que sería una estructura unidimensional. El principal inconveniente que plantea su uso en las células es su carácter apolar (el medio celular es fundamentalmente acuoso), por ello estos nanotubos son ligeramente modificados para dar lo que se conoce como nanotubos funcionalizados (f-CNT). Una de las posibles modificaciones llevadas a cabo por un equipo de investigadores, consistió en enlazar al exterior de los nanotubos cadenas formadas por átomos de carbono y oxígeno, con grupos aminos (-NH3 +) cargados positivamente. Con esta funcionalización se lograron dos cosas: Por un lado se consigue que los nanotubos sean solubles en el medio celular (lo que posibilita su utilización). Por el otro, se les dota de un conjunto de cargas positivas que permiten atraer al ADN. Uno de los componentes de los ácidos nucleicos son los fosfatos cargados negativamente que interaccionarán por atracción electrostática con las cargas positivas de los nanotubos funcionalizados, permitiendo su fijación. Además los nanotubos cuentan con la ventaja de que no desestabilizan la membrana de la célula al penetrarla. La nanotecnología ofrece aplicaciones terapéuticas, como la que hemos visto de nanotubos de carbono empleados en terapia génica, que hasta hace bien poco eran impensables. Las aplicaciones de los f-CNT no acaban aquí y en un futuro muy próximo podrán utilizarse también como nanobiosensores para el diagnóstico precoz de enfermedades o en el desarrollo de terapias contra el cáncer.
SENSORES NANOMÉTRICOSEl alarmante aumento de los índices de contaminación medioambiental está generando un creciente e imprescindible interés en el control y regulación de las emisiones contaminantes. En la atmósfera aparecen cada vez con mayor frecuencia gases como el CO o el NO2, en concentraciones altamente peligrosas para nuestra salud y para el Medio Ambiente. Por lo tanto, en la actualidad se están intentendo desarrollar dispositivos capaces de detectar éstos y otros gases en pequeñas concentraciones. Además de en aplicaciones medioambientales, el uso de estos sensores de gases se requiere en otros campos como la medicina, el uso doméstico o el industrial. La mayoría de estos dispositivos son capaces de detectar gases en pequeñas concentraciones de incluso partes por millón (ppm), sin embargo aún puede mejorarse la eficiencia de respuesta de estos sensores, así como aumentar los niveles de detección, la selectividad o la sensibilidad ante un mayor número de gases. El constante desarrollo de la nanotecnología ha permitido conseguir estos objetivos gracias al elevado grado de control alcanzado en la síntesis e implementación de materiales nanoestructurados con dimensiones cada vez más pequeñas. La mayoría de estos sistemas detectores de gases funcionan modulando como una respuesta eléctrica, las variaciones de conductividad provocadas por un entorno gaseoso determinado. Cuanto mayor sea la superficie de contacto entre la atmósfera y el detector, mayor será el número de moléculas gaseosas que reaccionen. Por lo tanto se fabrican sensores a partir de materiales compuestos por granos de dimensiones nanométricas, puesto que de esta forma aumenta la relación entre la superficie y el volumen del sistema detector, y en consecuencia la respuesta del material. Trabajos como los de Rella, publicados en la revista Sensors & Actuators, demuestran la elevada respuesta que presentan sensores de óxido de estaño (SnO2) compuestos por granos de 10 nm, ante gases como CO y NO2. Si bien el SnO2 es el material empleado con mayor profusión en la fabricación de sensores de gases, igualmente se emplean otros óxidos semiconductores como el TiO2 o el WO3. Pero la Nanotecnología presenta otras alternativas en el desarrollo de dispositivos sensores de gases, como son el dopado con nanopartículas de paladio y la utilización de nanotubos de carbono. Al recubrir los nanotubos con una serie de enzimas específicas (ECNT), se han conseguido realizar análisis químicos para fines médicos y medioambientales.
El Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la URJC dispone de un nuevo laboratorio (NANO-LABÜ) para la caracterización micro- y nanomecánica de materiales.Las nanotecnologías se presentan hoy en día como un avance que incidirá sobre todos los sectores de la economía. Su aplicación concreta en el campo de la Ingeniería de Materiales abre la puerta al diseño y modificación de las propiedades de muchos de los materiales ya conocidos, de forma más radical de lo hasta ahora conseguido, así como posibilita la creación de materiales completamente nuevos. Estos materiales acceden a nuevas propiedades y explotan con mayor efectividad la sinergia resultante de la combinación de diferentes materiales, aunque esto sólo es posible cuando la estructura y la física fundamental asociadas a una propiedad convergen a escala nanométrica. Es de prever, por tanto, que la capacidad de actuar sobre la estructura de los materiales a escala nanométrica producirá efectos de gran alcance sobre todos los sectores de la economía.
Dentro de esta nueva familia de materiales se encuentran los materiales compuestos nanoestructurados (nanocomposites) que son un ejemplo de la aplicación de la nanoescala y su tecnología asociada al desarrollo de una amplia serie de combinaciones revolucionarias de materiales. En los nanocomposites se persigue la combinación de una matriz continua que, en principio, puede poseer naturaleza polimérica, metálica o cerámica, junto a un refuerzo a escala nanométrica (nanopartículas, nanoláminas, nanofibras o nanotubos). Para la integración del nanorefuerzo a la matriz es necesario llevar a cabo un conjunto de procesos físicos y químicos que difieren para cada sistema matriz /refuerzo y que, hasta la fecha, no están suficientemente establecidos. La utilidad de cada uno de estos procedimientos y de los materiales resultantes dependerá, en gran medida, de que ese proceso permita obtenerlo en cantidad, calidad y forma acordes con su uso funcional y bajo costo. En la actualidad industrias como la aeronáutica, la automoción, la de generación de energía, etc.; están muy interesadas en la producción de este tipo de materiales por sus potenciales ventajas frente a los actualmente utilizados.
Sin embargo, muchos de los avances y desarrollos previsibles están condicionados no sólo por la puesta a punto de las nuevas tecnologías de fabricación y procesado a escala nanométrica, sino también por el desarrollo de las técnicas y, sobre todo, de la base de conocimiento necesarios para la medida y caracterización de propiedades a esa nueva escala de diseño y fabricación. En el caso concreto de los materiales compuestos nanoestructurados, la determinación de las propiedades mecánicas a nivel nano- y microescalar es un requisito determinante para poder conocer los mecanismos de aumento de resistencia que participan a ese nivel y optimizar el comportamiento mecánico, incluso a escala macroscópica.
Bajo estas premisas, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Rey Juan Carlos, dirigido por el Prof. Alejandro Ureña Fernández, viene trabajando desde hace unos años en una doble línea de actuación. Por un lado, la de fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con nanofibras de carbono con el objetivo de lograr incrementos sensibles de sus propiedades mecánicas (rigidez y resistencia) con pequeñas adiciones de nanorefuerzo. Por otro, la puesta a punto de técnicas de caracterización y medida que combinan la nanoindentación con sistemas de microscopías de proximidad, como es el caso de la microscopía de fuerzas atómicas (AFM), para analizar el comportamiento a escala micro- y nanomecánica de éstos y otros materiales. Ambas líneas de trabajo forman parte de una nueva unidad de dicho departamento, denominada Laboratorio de Caracterización Nanomecánica y Nanoestructural (NANO-LABÜ) que está integrada en la Red de Laboratorios (rla) del sistema madrid.
En este momento hay casi 500 productos desarrollados en diferentes tipos de industrias, que la gente común está utilizando, que son o tienen aplicaciones nanotecnológicas. Protectores solares, cosméticos que contienen nanopartículas que facilitan la absorción; raquetas de tenis más ligeras y más resistentes compuestas de nanotubos de carbón; comida con aditivos alimentarios específicos; ropa que no se arruga y repele las manchas o computadoras con nanochips en su interior.
La nanoindustria está en desarrollo y a la vez en estado embrionario, lejos aún de usos masivos y cotidianos, lugares hoy todavía ocupados, indiscutiblemente, sólo por la microelectrónica.
Avances que impactarán en la industria textil, cosmética, farmacéutica, de electrodomésticos, higiene, construcción, comunicaciones, energía, seguridad y defensa, y exploración espacial.
Nuestro entorno también se beneficiará, en tanto que la producción de energía será más económica y limpia y se utilizarán materiales más ecológicos.
Aplicaciones en desarrollo
Queremos mencionar, por tratarse de desarrollos estratégicos, estos tres ejemplos en los cuales la química está fuertemente involucrada:
Construcción de nanorrobots del tamaño de un escarabajo. El aporte de la química en el ensamblaje de los átomos (como si fueran pequeños ladrillos o piezas de Lego) y el aporte de la robótica abren el camino a lo que hoy parece inalcanzable. Los nanorrobots son una pieza fundamental de la nanotecnología bottom-up, tanto para el autoensamblaje como el ensamblaje exponencial.
“Cosecha” de energía solar. Son proyectos estratégicos de búsqueda de alternativas de energía a la crisis del petróleo y sus derivados y el calentamiento global.Aplicaciones en desarrolloQueremos mencionar, por tratarse de desarrollos estratégicos, estos tres ejemplos en los cuales la química está fuertemente involucrada:
Construcción de nanorrobots del tamaño de un escarabajo. El aporte de la química en el ensamblaje de los átomos (como si fueran pequeños ladrillos o piezas de Lego) y el aporte de la robótica abren el camino a lo que hoy parece inalcanzable. Los nanorrobots son una pieza fundamental de la nanotecnología bottom-up, tanto para el autoensamblaje como el ensamblaje exponencial.
“Cosecha” de energía solar. Son proyectos estratégicos de búsqueda de alternativas de energía a la crisis del petróleo y sus derivados y el calentamiento global.
Los ingenieros están simulando el sol brillando sobre los paneles solares, mientras chequean el voltaje producido. El grupo de video piensa que es el momento de obtener una buena fotografía. Y tienen mucha razón.La imagen es cortesía de NASA
Células solares plásticas. Dirigidas a una nanotecnología del uso de células solares, implantadas en un plástico que las contiene.
Una nanomáquina es un mecanismo cuya talla se expresa en nanómetros, siendo un nanómetro la milésima parte de un micrómetro o la millonésima parte de un milímetro, y capaz de interactuar con los objetos accesibles a esa escala. Aunque el término también designa cualquier maquinaria microscópica. El dominio de estudio de las nanomáquinas es la nanotecnología.
Existen quienes creen que será posible en el futuro construir nanomáquinas capaces de manipular objetos en la escala molecular, de tal modo que sea posible construir moléculas sobre pedido, tal idea se le llama nanotecnología molecular.
Aunque ya existen mecanismos y métodos capaces de construir ingenios de talla microscópica (incluso atómica), la idea de una máquina microscópica capaz de ensamblar moléculas sobre pedido es todavía una simple especulación.
La escala en que son utilizadas las nanomáquinas provoca que éstas se elaboren con métodos particulares, y que funcionen con principios fundamentalmente diferentes de la tecnología en la micro y mesoescala. A la escala microscópica, se tornan significativos factores como la tensión superficial y las fuerzas electrostáticas. Y para los mecanismos realmente en la escala de los nanómetros, las fuerzas de Van der Waals o los fenómenos cuánticos.
Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en nanotecnología. La nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir al avance sostenible del Tercer Mundo, proporcionando nuevos métodos de diagnóstico y cribaje de enfermedades, mejores sistemas para la administración de fármacos y herramientas para la monitorización de algunos parámetros biológicos.Actualmente, alrededor de 40 laboratorios en todo el mundo canalizan grandes cantidades de dinero para la investigación en nanotecnología. Unas 300 empresas tienen el término “nano” en su nombre, aunque todavía hay muy pocos productos en el mercado.Algunos gigantes del mundo informático como IBM, Hewlett-Packard (HP), NEC e Intel están invirtiendo millones de dólares al año en el tema. Los gobiernos del llamado Primer Mundo también se han tomado el tema muy en serio, con el claro liderazgo del gobierno estadounidense, que para este año ha destinado 570 millones de dólares a su National Nanotechnology Initiative.En España, los científicos hablan de “nanopresupuestos”. Pero el interés crece, ya que ha habido un par de congresos sobre el tema: en Sevilla, en la Fundación San Telmo, sobre oportunidades de inversión, y en Madrid, con una reunión
La nanotecnología avanzada, a veces también llamada fabricación molecular, es un término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas (máquinas a escala nanométrica) operando a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén esos átomos dispuestos. Así por ejemplo, si reubicamos los átomos del grafito de la mina del lápiz podemos hacer diamantes. Si reubicamos los átomos de la arena (compuesta básicamente por sílice) y agregamos algunos elementos extras se hacen los chips de un ordenador.A partir de los incontables ejemplos encontrados en la biología se sabe que miles de millones de años de retroalimentación evolucionada puede producir máquinas biológicas sotisficadas y estocásticamente optimizadas. Se tiene la esperanza que los desarrollos en nanotecnología harán posible su construcción a través de algunos significados más cortos, quizás usando principios biomiméticos. Sin embargo, K. Eric Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizá inicialmente implementada a través de principios miméticos, finalmente podría estar basada en los principios de la ingeniería mecánica.Determinar un conjunto de caminos a seguir para el desarrollo de la nanotecnología molecular es un objetivo para el proyecto sobre el mapa de la tecnología liderado por Instituto Memorial Battelle (el jefe de varios laboratorios nacionales de EEUU) y del Foresigth Institute. Ese mapa debería estar completado a finales de 2006.
Nanotecnología
La nanotecnología habla de máquinas pequeñas al extremo de lo invisible, capaces de construir edificios, detener enfermedades, pelear guerras y producir alimentos. Pero lo más escalofriante es que no se trata de algo impensado, porque la revolución ya comenzó y en unos 50 años nosotros podríamos ver cosas que la ciencia ficción más atrevida apenas se atrevería a realizar.Hace 40 años el físico Richard Feynman, ganador del Premio Nóbel, fue invitado a dar un discurso en una institución tecnológica de California. Pudo haber sido una intervención más, pronunciada por un científico ilustre, pero esta vez no fue así. De hecho, sus reflexiones generaron un eco que cada vez suena con más fuerza."Los principios de la física, tal y como yo los entiendo, no niegan la posibilidad de manipular las cosas átomo por átomo... Los problemas de la química y la biología podrían evitarse si desarrollamos nuestra habilidad para ver lo que estamos haciendo, y para hacer cosas al nivel atómico", dijo Feynman en 1959.Y esa es la base de una ciencia que tiene un nombre cada vez más pronunciado: nanotecnología.Para comprender el alcance de este tipo de tecnología, es necesario aclarar que el mínimo microchip, una maravilla tecnológica utilizada por los computadores y hasta por los teléfonos móviles o celulares, y que sirven para procesar información, es considerado demasiado grande por los expertos de la nanotecnología, entre otras cosas porque "se puede ver".Cuando se habla de tamaños, nano se refiere a algo bastante pequeño. Un micrometro, dimensión en la cual se desarrollan los chips, equivale a la millonésima parte de un metro. El nanometro es mil veces más pequeño, es una millonésima parte del milímetro. Tambien prometen beneficios de todo tipo, desde aplicaciones médicas nuevas o más eficientes a soluciones de problemas ambientales y muchos otros; sin embargo, el concepto de nanotecnología aún no es muy conocido en la sociedad.Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Para comprender el potencial de esta tecnología es clave saber que las propiedades físicas y químicas de la materia cambian a escala nanométrica, lo cual se denomina efecto cuántico. La conductividad eléctrica, el color, la resistencia, la elasticidad, la reactividad, entre otras propiedades, se comportan de manera diferente que en los mismos elementos a mayor escala.Aunque en las investigaciones actuales con frecuencia se hace referencia a la nanotecnología (en forma de motores moleculares, computación cuántica, etcétera), es discutible que la nanotecnología sea una realidad hoy en día. Los progresos actuales pueden calificarse más bien de nanociencia, cuerpo de conocimiento que sienta las bases para el futuro desarrollo de una tecnología basada en la manipulación detallada de las estructuras moleculares.
Con el inicio del nuevo milenio la humanidad ha desarrollado una nueva área del conocimiento llamada nanotecnología. Esta disciplina permite crear y utilizar estructuras cuyo tamaño es del orden de la billonésima parte de un metro. Gracias a sus dimensiones estas estructuras tienen la capacidad de modificar las propiedades de la materia y es por ello que impulsarán cambios nunca vistos por la humanidad. Los mismos serán de una mayor dimensión a los experimentados siglos atrás cuando se comenzaron a utilizar las máquinas de vapor en la industria.
Todas las áreas del conocimiento sufriran cambios radicales en la forma que se encaran los problemas científicos debido a la posibilidad que brinda la nanotecnología de construir estructuras átomo por átomo. A modo de ejemplo, diremos que en el área de la ciencia de materiales, no se emplearán los cables de cobre para conducir la electricidad, sino que serán sustituidos por nanoestructuras de carbono que son más baratas y livianas. En el área médica, el oncólogo ya no se preocupará más por buscar una droga que ataque solamente las células enfermas, debido a que la nanotecnología le permite crear estructuras que transporten selectivamente los fármacos a las células enfermas sin dañar las sanas. La energía será mas limpia debido a que los paneles solares serán autolimpiantes y el hidrógeno podrá ser empelado a gran escala como combustible gracias a las nanoestructuras que actualmente se están desarrollando para almacenarlo.
Otra manera de comprender los alcances de la nanotecnología es observando la importancia que le otorgan los gobiernos de los países mas avanzados. En 1997 Estados Unidos invertía 120 millones de dólares, para el año 2004 esa cifra era superior a los 1600 millones de dólares. También es importante destacar que muchos países cuentan con planes nacionales para desarrollar la nanotecnología. Entre ellos podemos destacar, Reino Unido, Australia, Austria y en particular a Dinamarca. En el último reporte elaborado por las autoridades danesas se da cuenta de que para el año 2010 el retorno que tendrá nanoindustria danesa será de 1300 millones de euros. Finalmente diremos que Nacional Science Foundation pronostica que en el 2015 en el mundo estarán disponibles 3000000 de puestos de trabajo de alta remuneración para expertos en nanotecnología.
Por lo expresado anteriormente, es imprescindible que el Uruguay desarrolle un programa especial para adaptar la nanotecnología a las necesidades del país. En caso de no llevarse a cabo tal emprendimiento, las inversiones que realice el país en cualquier área del conocimiento será obsoletas debido a las posibilidades que brinda la nanotecnología. Actualmente, en la Cátedra de Física, estamos realizando un esfuerzo para introducir estos conocimientos en nuestro país. Sin embargo es imprescindible contar un mayor apoyo para cumplir dos objetivos, A) formar recursos humanos capacitados en nanotecnología, B) desarrollar nuevos materiales como el grafito magnético, con patente ya licenciada. Si logramos el apoyo para avanzar en esta tecnología es indudable que Uruguay se encontrará en una posición privilegiadad con respecto a sus vecinos de Latinoamérica y atraer al país las inversiones extranjeras, serias y sustentables que tanto necesitamos.
Nanotecnologías: ¿qué son?
En principio, la nanociencia se dedica al estudio de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro, o, si se prefiere, la millonésima parte de un milímetro), mientras que la nanotecnología se ocuparía de la manipulación “controlada” y producción de objetos materiales, instrumentos, estructuras y sistemas a dicha escala. Sin embargo, la separación entre una ciencia pura que sólo persigue un mejor conocimiento de lo inmensamente pequeño y lo que serían sus aplicaciones tecnológicas no es ni mucho menos tan nítida como esa distinción aparenta--y cada vez lo será menos--, debido a las transformaciones experimentadas por la actividad científica durante estos últimos cincuenta años. En realidad, nanociencia y nanotecnología constituyen un ejemplo perfecto de estrecha interacción entre el conocimiento científico, especialmente el suministrado por la física cuántica, y un conjunto de complejísimas innovaciones tecnológicas, comenzando por los propios microscopios de última generación que se emplean para el estudio de los objetos de ese tamaño. A efectos de las consecuencias sociales de la investigación científica y tecnológica, que es lo que nos preocupa aquí, podemos emplear la expresión (por desgracia, carente de elegancia) “nanotecnociencia” para referirnos a la investigación y desarrollo a escala nanométrica, independientemente de que sea conducida por científicos, ingenieros o tecnólogos. De hecho, desde el punto de vista de la política científica y del beneficio empresarial, la investigación científica --la nanotecnología no es una excepción— se encuentra claramente orientada a la consecución de conocimientos, habilidades y procedimientos que redunden en productos de valor estratégico bien comercial, bien para la seguridad del Estado: vigilancia, control, espionaje, “defensa”....
La propia expresión “nanotecnología”, que significativamente es muchísimo más empleada que la de “nanociencia”, resulta de por sí algo ambigua, tanto por la delimitación de la escala de trabajo (usualmente se habla de una horquilla que va desde 0.1 a 100 nanómetros), como por el tipo de tecnología que se incluye o queda excluida por la definición. Respecto a la escala, y para hacernos una idea del tamaño al que se trabaja, tengamos en cuenta que un nanómetro es unas diez mil veces más delgado que un cabello humano. Otra comparación: en un nanómetro sólo caben diez átomos de hidrógeno.
Pues bien, de momento la nanotecnología opera a nivel atómico y molecular, pero en principio nada impide que el nivel de operación descienda hasta las partículas subatómicas, los “ladrillos del universo”. Para advertir de las posibles consecuencias derivadas de la manipulación de la materia en sus elementos constituyentes, el Grupo ETC (una asociación independiente que estudia, entre otros, los efectos sociales de la nanotecnología) prefiere hablar de “tecnología atómica”.
Además de la cuestión de la escala, las estimaciones sobre los resultados ya obtenidos, las patentes y el volumen de inversión en nanotecnologías depende de qué aplicaciones se contemplen. Existen desde hace décadas innovaciones relativas a materiales que cabe considerar nanotecnológicas en tanto involucran la manipulación de nanopartículas, pero existe una especie de acuerdo tácito que liga el surgimiento de la nanotecnología a la manipulación precisa a escala nanométrica que fue posibilitada por la invención de los microscopios electrónicos a partir de los años ochenta del siglo XX. Es posible que a ello se añadan también razones derivadas de las estrategias de financiación para excluir aplicaciones nanotecnológicas que no sean consideradas nuevas y, en cierto sentido, dignas de ser financiadas; y viceversa, algunos investigadores pueden desear subirse al carro de la financiación afirmando que se dedican a investigación nanotecnológica porque su escala de trabajo se encuentra por debajo de una micra, si bien no realizan investigación molecular propiamente hablando. En este punto las micromáquinas y la miniaturización en general son casos controvertidos.
Sea como fuere, la investigación a escala nanométrica es relativamente reciente. Los instrumentos necesarios (los primeros microscopios de barrido de túnel) no fueron una realidad hasta hace algo más de dos décadas. Más reciente es todavía la creación de empresas dedicadas a explotar las aplicaciones nanotecnológicas: los últimos años del siglo XX vieron el comienzo del interés comercial real por dichas tecnologías, a la par que los laboratorios obtenían nuevos logros en términos de instrumentación, procesos y materiales (especialmente los llamados “nanotubos” y “fulerenos”, hechos a partir del carbono).
Debido a su objetivo de manipular la materia a esa escala tan minúscula, las principales características del campo de investigación tecnocientífica que nos ocupa son la interdisciplinariedad, la convergencia con otras tecnologías y su impacto en investigaciones en principio no directamente relacionadas, como las ambientales. En efecto, la nanotecnociencia requiere la colaboración en conocimientos y habilidades de distintas especialidades científicas y técnicas, como la física cuántica, la micro-electrónica y la ingeniería de materiales. Asimismo, debido a la escala a la que se trabaja, se difuminan hasta cierto punto las barreras que separaban la investigación sobre la materia viva y la inerte, de modo que es concebible una convergencia de las nanotecnologías con otras tecnologías, en especial la ingeniería genética, la robótica y la inteligencia artificial (o incluso la ciencia cognitiva). Ya existen iniciativas públicas y privadas para que esa convergencia sea un hecho en un futuro más o menos cercano, lo que hace que las repercusiones de la investigación nanoescalar resulten potencialmente mucho más importantes de lo que llegarían a serlo con estrategias no tan inclusivas. Por último, la micro-escala y la convergencia suponen un impacto potencial tremendo en numerosas disciplinas científicas y especialidades tecnológicas. Por ejemplo, los modelos sobre el funcionamiento de la Tierra y los procedimientos de monitorización del clima pueden verse ampliamente afectados por el uso de nuevos instrumentos computacionales y nanosensores obtenidos con ayuda nanotecnológica.
Como consecuencia inesperada, señalemos que el viejo anhelo positivista de la unificación de las ciencias podría resucitar inesperadamente bajo una nueva forma, pues tal parece que va camino de cumplirse por la vía tecnológica: las nanotecnologías ofrecerían nada menos que la, digamoslo así, base definitiva --a nivel subatómico, atómico y molecular-- sobre la que integrar los desarrollos en física, química, biología y otras disciplinas científicas. Pero aquí rebasamos lo estrictamente epistemológico. Podría decirse que con la nanotecnología estamos tocando cuestiones ontológicas con la punta de un microscopio. La propia naturaleza de los componentes básicos del mundo, materia en el pasado de especulación filosófica, queda ahora expuesta a la exploración por medios tecnológicos sofisticados. Manipular es conocer.
la nano industriaLos expertos predicen una fase de masivo crecimiento para la "nanoindustria"
En un reciente artículo de Alan Shalleck en Small Times se señala la nueva fase en la que está entrando el sector de la nanotecnología. La que hace pocos años era una emergente "nanoindustria" va alcanzando progresos relevantes y avanzando hacia su madurez. En efecto, el autor sostiene que la nanotecnología parece tener muy buena salud. Cada día aparecen nuevas aplicaciones, nuevos empleos con más recursos humanos que eligen este campo como profesión principal y se han acelerado las perspectivas de comercialización de ciertos productos.
Las perspectivas para el año 2005 parece que pueden ser asombrosas en la productividad y en los avances tecnológicos en general de este sector. Según los expertos muchos desarrollos y progresos ocurrirán el año que viene. Se alcanzarán soluciones hacia aplicaciones en temas claves.
Aunque se reconoce que la nanotecnología todavía no está madura, sin embargo, se sostiene que está entrando en su adolescencia; esto es, años en los que se va a caracterizar por un rápido, desigual y masivo crecimiento; incrementos en la productividad y la adquisición de una "sabiduría" creciente.
El autor señala que la iniciativa de la IPO de Nanosys, Inc. este verano fue positiva para la nanotecnología tanto a corto como a largo plazo. El mercado (y no sólo Wall Street) mostró que si una industria tiene solo perspectivas basadas en la propiedad intelectual, sin productos y ventas (beneficios), ni es aceptada, ni valorada.
Se advierte que la Nanotecnología no es una continuación de la reciente era de las puntocom. A diferencia de estas últimas, la realidad dominará las valoraciones de las empresas, los productos, etc. al menos, a corto plazo. La industria nanotecnológica tiene una base real tecnológica, productos reales, en mercados reales, con un alto coste de entrada y una sólida protección intelectual.
Lo que es evidente hoy, a finales del 2004, es que las inversiones tanto de fondos gubernamentales y de empresas de todo el mundo (las dos terceras partes del total de las inversiones privadas son externas a Estados Unidos, con países muy activos como Japón, Australia... ) están empezando a dar resultados tangibles. Muestran el anuncio de un creciente número de descubrimientos y de excitantes noticias que están ocurriendo en el sector de la nanotecnología casi a diario.
Puede hablarse de esfuerzos mundiales en el desarrollo de la industria nanotecnológica. No hay un único laboratorio trabajando para resolver problemas o cuellos de botella. Muchos laboratorios de compañías privadas están trabajando en la carrera de superar impedimentos que bloquean la comercialización de la nanotecnología en sus específicos sectores. Este contexto de competencia es muy positivo para industria en el objetivo de superar barreras, inventar productos o comercializarlos en el mercado.
Por ejemplo, en cada mercado, se pueden identificar una o dos barreras técnicas o manufactureras que hacen lenta una activa explotación o la comercialización de los productos. Algunas de estas barreras están empezando a caer debido a las masivas inversiones y esfuerzos paralelos que se están llevando a cabo en todo el mundo.
Hace un año, solo teníamos un método aceptable para fabricar cantidades útiles de nanotubos de carbón. En estos momentos disponemos de cuatro que fueron anunciados en los últimos seis meses.
Hace un año el movimiento de un nanobot estaba únicamente modelizado. Hoy rudimentarios movimientos de nanobots han sido llevados a cabo utilizando segmentos de DNA y complementos (+ noticias). Anticuerpos y proteínas han sido ligados a los nanotubos. Nanodots -partículas de materiales inorgánicos- están siendo manufacturados para usos de las industrias médicas y farmacéuticas.
Por último varias empresas están en las etapas finales de evaluación de productos para su comercialización el próximo año.
Pero no todo es de color de rosa: estamos en una fase muy inicial del desarrollo de esta industria. Resueltos problemas pendientes, hay que crear nuevas formas de implantación de las principales aplicaciones de la nanotecnología en la totalidad de los segmentos industriales existentes. Sin olvidar que hay que afrontar con claridad las cuestiones éticas, morales, problemas contaminantes... inherentes a la aplicación de la nanotecnología en el mundo en el que vivimos.
La nanotecnología: un rápido panoramaEduardo J. Carletti
La mayoría de la gente que escucha por primera vez el témino "nanotecnología" cree que se habla de las técnicas incluidas en el término "microtecnología", la tecnología usada en la microelectrónica y que ha transformado enormemente la sociedad en las últimas décadas. La relación no es del todo incorrecta, pero no es exacta.
La microtecnología es la tecnología que nos permite fabricar cosas en la escala del micrón. Un micrón es una millonésima de un metro, o, para darse una idea más clara, la milésima parte de un milímetro. Todos sabemos cuánto es un metro: más o menos la distancia entre nuestra nariz y la punta de nuestros dedos cuando extendemos del todo un brazo hacia un costado de nuestro cuerpo. Si tomamos una milésima parte de esta longitud, tenemos un milímetro. Un milímetro es muy pequeño, pero todavía podemos verlo. Ahora imaginemos que tomamos un extremo de este milímetro, lo apoyamos en nuestra nariz y lo estiramos hasta que llegue al extremo de los dedos de la mano que se encuentra en el brazo que hemos extendido. Ahora volvemos a dividir en mil partes. Tenemos una milésima de la milésima parte de un metro, una longitud llamada micrón. Esta es la escala en la que se trabaja cuando se construyen dispositivos tales como memorias, circuitos lógicos y de computación.
Los dispositivos de memoria y de lógica en venta en 1985 tenían estructuras con componentes de aproximadamente un micrón de ancho. Para 1995, momento de la aparición del Pentium, se habían alcanzado tamaños de más o menos un tercio de micrón, 350 nanómetros. Se trabaja ya en estructuras de 100 nanómetros, es decir, de un décimo de lo que se había logrado en 1985.
Un nanómetro es la medida que se obtiene si uno toma un micrón, aplica un extremo sobre la punta de la nariz, lo estira hasta el extremo de los dedos del brazo extendido y lo divide en mil partes. Es una milésima de una millonésima de metro, es decir, una milmillonésima de metro.
El nanómetro marca el límite de reducción a que podemos llegar cuando hablamos de objetos materiales. En un nanómetro caben entre tres y cinco átomos. Aunque en el universo hay cosas más pequeñas que los átomos, se trata ya de cosas que no se pueden manipular. En nuestra vida cotidiana, los átomos son los ladrillos de construcción más pequeños que podemos utilizar.
Ahora que estamos pensando en términos de átomos, démosle una mirada a un objeto producido por microtecnología. Aunque la estructura tiene una millonésima de metro de ancho, sigue siendo muy grande. Hay miles de átomos en la superficie de este objeto y miles de millones en su interior. Es un trozo del macromundo. En el interior de este macroobjeto del tamaño de un micrón existe la posibilidad de hacer miles de divisiones para obtener un nivel mayor de detalle. Si logramos llegar a un nivel de detalle del orden del nanómetro y trabajamos con una precisión de nivel atómico, el poder de nuestra capacidad para controlar el comportamiento de este objeto puede hacerse inmenso.
El ejemplo más grandioso de esta potencia se presenta en cada cosa viviente. Se requiere un entorno de agua —el elixir de la vida—, y por esto se le suele llamar "el lado húmedo de la nanotecnología". Las formas de vida que conocemos están hechas de células rellenas con agua, pequeñas bolsas de vida que típicamente tienen tamaños de varios micrones, como en el caso de los glóbulos blancos de la sangre humana.
Cada una de estas "bolsas" está repleta de miles de pequeñas máquinas que se mueven por el mundo líquido de la célula, ocupándose de la industria de la vida —enzimas, hormonas, RNA y ADN—, todas esas cosas que uno oye nombrar en los nuevos textos de medicina, biotecnología e ingeniería genética. Esas pequeñas máquinas son moléculas. Tienen un rango de tamaño de entre uno y varias decenas de nanómetros. ¡Son nanomáquinas! Están formadas por entre miles y decenas de miles de átomos. Y cada uno de esos miles de átomos tiene una ubicación exacta, definida con precisión por un diseño de ingeniería, de modo que el conjunto de esa nanomaquinaria pueda funcionar correctamente.
El ejemplo más impresionante son las enzimas. Cada una de ellas es una factoría química completa reducida a una escala de nanómetros. Estas enzimas han evolucionado durante miles de millones de años para lograr una fabricación cada vez más perfecta de sus productos químicos. En la mayoría de los casos han alcanzado los límites de la perfección. Son los catalíticos finales y fundamentales para esa reacción química que es su trabajo vital. Estas nanomáquinas moleculares son quienes hacen que la vida funcione, no sólo para ellas mismas, sino en cada planta, pájaro o entidad que se arrastra o ha arrastrado sobre la superficie de nuestro planeta.
Esta nanotecnología húmeda es increíblemente poderosa. De hecho, cuanto más se sabe sobre ella más se comprende lo mucho que queda por saber. Pensemos en la hermosura de una joven, o de una flor, o qué increíble es que un ojo humano pueda ver o que un cerebro pueda pensar. Y entonces uno piensa: este lado húmedo de la nanotecnología (que la mayoría de la gente llama biotecnología) puede hacer todo.
Pero a pesar de este increíble poder, hay varias cosas que no se pueden hacer y que nunca se podrán hacer en el lado húmedo. Una de las más importantes es conducir electricidad como un hilo metálico, como una conexión dentro de una computadora o incluso en un semiconductor. Nunca se logrará —las razones son largas para describirlas aquí— con esta biotecnología. De hecho, la mayor parte de la revolución industrial que impulsa la sociedad moderna no es un tributo de la biotecnología, es producto del desarrollo de máquinas de vapor, motores a nafta y todo tipo de artefactos eléctricos, como radios, televisores, teléfonos y computadoras, todos ellos producidos por la tecnología del otro lado, el lado "seco", un área que parecería apuntar a ser la de mayor desarrollo potencial.
Imagínense lo que podría llegar a ser nuestro mundo si se pudiesen fabricar en el lado seco, sin agua ni células vivas, objetos con el grado de perfección atómica que la vida logra rutinariamente en el lado húmedo. Imagínense por un momento el poder que tendría el lado seco de la nanotecnología. La lista de cosas que se podría lograr con una tecnología así parecen algo así como la lista de deseos navideños de nuestra civilización.
Veamos algunas:
Una nanomáquina de escribir
En 1989, unos físicos del Centro de Investigación de Almaden de la empresa IBM, ubicado en San José, California, sorprendieron al mundo científico al usar un microscopio de sonda vibrátil para mover unas serie de átomos de xenón sobre una superficie de níquel, escribiendo una versión microscópica del logo de IBM. Aunque el experimento demostró que se podían construir cosas a nanoescala, no dejaba de ser una experiencia exótica y única, que requería un microscopio fabricado a propósito, una habitación especial a prueba de vibraciones y un ambiente de temperaturas alrededor de los -270 grados centígrados, sólo unos grados por encima del cero absoluto.
Pero sólo diez años después se ha creado el AFM, sigla de Atomic Force Microscope. Este instrumento está cambiando la manera en que los científicos interactúan con la materia en pequeña escala.
Dentro de la cámara del AFM, de un modo invisible al ojo normal, los extremos de unas delgadísimas agujas se introducen en un substrato de moléculas orgánicas, luego estas agujas, afiladas hasta tener sólo unos átomos de ancho en la punta, escriben palabras de sólo una decena de nanómetros de ancho. El proceso funciona basándose en que las moléculas orgánicas, tal como la tinta en una lapicera fuente, fluyen desde el extremo de la aguja a la superficie de escritura, hecha de oro. Incluso tienen la posibilidad de usar distinto tipos de "tintas" y de cambiarlas en un momento. Para tener una idea de la escala de la escritura resultante digamos que, con la ampliación óptica que se necesita para leer esas letras, una línea escrita por un bolígrafo se vería de más de un kilómetro de ancho.
Para dar un poco de espectáculo, que para los yanquis nunca viene mal, usaron un AFM provisto con un conjunto de ocho agujas para escribir en menos de 10 minutos una página completa de un famoso texto que el físico Richard Feynman concibió en 1960, en un impresionante y certero acto de predicción, sobre las posibilidades de la nanotecnología.
Y todo eso a temperatura ambiente.
Esa fue sólo una prueba. El sistema no está pensado para escribir, por lo menos no en el sentido convencional que le damos a la palabra. Este sistema de litografía puede convertirse en una rápida solución para manufacturar nanocomponentes, desde microelectrónica a chips ADN (usados en genética) más rápidos y densos. Puede ser en la manera de producir nanoestructuras de manera masiva. Y puede ser el primer paso en la evolución de las herramientas que se necesitarán para fabricar nanomáquinas que luego sean capaces de hacer copias de sí mismas y construir otras: los nano robots.
Los nano robots:
Los nano robots ya han sido explotados en la CF y las aplicaciones propuestas pasan por ítems difíciles de imaginar unas décadas atrás: Mantenimiento del cuerpo por dentro, reparación y recableado de tejido cerebral a control remoto, reparaciones corporales (arterias, cristalino, oído, órganos internos, tumores) sin necesidad de operación.
La tecnología aún está lejos de producirlos, pero, como en el campo de la Inteligencia Artificial, es una cuestión tan complicada y tan difícil que se avanza en diversos frentes. Una de la áreas sería la tratada en el bloque anterior: las herramientas; ya dimos una idea de cómo es una de las propuestas más concretas. Pero con carrocería solamente no se puede funcionar, también se requiere control, y aquí entra un mundo diferente al de los sensores nanoscópicos, las matrices de tamaños de nanómetros y las moléculas gigantes: la computación a nivel de la nanotecnología. Hace años que se diseñan compuertas lógicas mecánicas compuestas de unos pocos átomos y parecería que sólo se esperan las herramientas necesarias para construirlas. El panorama no es tan simple, pero existen innumerables laboratorios trabajando en la "inteligencia" nanométrica. Y ya hay algunos anuncios.
Memoria:
En un laboratorio de IBM en Zurich, uno de los que ayudaron en la invención de aquel microscopio AFM de 1986, se trabaja en la miniaturización a nivel nanómetro del registro de datos. El sistema de almacenamiento se basa en un conjunto de 1024 agujas de AFM en una matriz cuadrada que pueden escribir bits de información de no más de 50 nanómetros de diámetro. El mismo conjunto es capaz luego de leer la información e incluso reescribirla.
La capacidad de guardar información a esa escala es una noticia excitante para el mercado, pues multiplica inmensamente la cantidad de información que se puede almacenar en un área determinada. El mejor sistema actual de registro, basado en la memoria magnética, puede guardar alrededor de dos gigabits por centímetro cuadrado; los físicos creen que el límite físico de la capacidad este sistema —no alcanzado aún— es de alrededor de 12 gigabits por centímetro cuadrado. El sistema de matriz de agujas descripto más arriba, bautizado "Millipede" (Miriápodo, por tener mil patas), ofrece 35 gigabits por centímetro cuadrado (y hasta 80 gigabits si se utiliza una aguja única) y es capaz de hacerlo a la velocidad de los artefactos magnéticos actuales. Con unidades de almacenamiento provistas de matrices gigantescas, con millones de agujas, se puede lograr un almacenamiento en el orden de los terabytes, algo así como 40 veces lo que está disponible hoy comercialmente.
Computadoras ubicuas:
La miniaturización a nivel nanométrico apunta a la inserción de potentes computadoras en relojes de pulsera y teléfonos celulares que posean algo que hoy no tienen: un disco rígido. Se supone que la tecnología del "Miriápodo" proveerá de discos rígidos de una capacidad en el orden de los gigabytes y de un tamaño de un centímetro cuadrado. Una de las cosas más importantes es que este nanodrive de tecnología AFM requerirá mucho menos energía para su operación que los de tecnología magnética, un factor extremadamente crítico en los productos portátiles.
Exploración espacial: sondas autorreproductoras:
Si bien los logros en el rubro de la autoconstrucción son mínimos, algunos laboratorios han demostrado, por ejemplo, que cubriendo la superficie de una placa de base (hoy se usa oro) con una pegajosa capa de material orgánico se logra, bajo las condiciones apropiadas, lograr que miles de estas placas se acomoden por sí solas para formar estructuras tridimensionales. Esto parece caótico y anárquico por definición, sin embargo, en la Universidad de Harvard han logrado crear un circuito electrónico relativamente funcional usando una técnica similar.
En la Universidad de Texas en Austin, un científico ha buscado, entre millones de proteínas, aquellas capaces de reconocer y unir diferentes tipos de materiales inorgánicos. Se ha fundado ya una compañía, Semzyme, que busca crear una "biblioteca" de bloques de construcción mediados por proteínas.
En la Universidad de California, en la Universidad Yale de Los Angeles, en la Universidad Rice y en Hewlett-Packard se avanza en el desarrollo de computadoras moleculares auto-construidas.
En la web se puede encontrar un proyecto de la NASA relativo a las sondas basadas en sistemas autorreproductores. Es un plan que se lanzó hace más de veinte años para lograr que, en lugar de enviar la totalidad del equipamiento necesario para una exploración desde la Tierra, lo cual significa muchas toneladas puestas en el espacio, se envíen solamente ciertos robots capaces de construir el resto del equipamiento a partir de la materia prima extraída del lugar de aterrizaje. La NASA no pensó concretamente en nanotecnología, pero los científicos de este área creen que será la única tecnología capaz de superar los problemas que presenta el proyecto, especialmente el de conseguir, reconocer y extraer los materiales necesarios para la construcción. Es un tema tan interesante que dejo su desarrollo para un próximo Tecno Núcleo.
Medicina:
En la industria de medicamentos se busca lograr, por medio de nanotecnología, lo que logra en cada instante nuestro cuerpo y el de millones de seres vivos sobre el mundo, pero en condiciones controladas de laboratorio: la construcción átomo a átomo de moléculas complejas que hacen a las funciones primordiales de la vida (como la insulina, por dar un ejemplo). El logro de este objetivo sería un inmenso avance para la medicina, pues simplificaría los procesos necesarios para obtener las complejas drogas que componen hoy los medicamentos y pondría al alcance de la ciencia una enormidad de proyectos hoy imposibles.
Aprovechamiento máximo de la energía solar:
En Texas, estado de EEUU donde tienen el problema de que consumen gran cantidad de energía, proponen construir por medio de nanotecnología ciertos artefactos (que no se describen) capaces de atrapar cada fotón que les llega y así lograr un aprovechamiento muy eficiente de la energía solar. Estos colectores solares serían capaces de atrapar los fotones en unas nanoestructuras de escala menor que la longitud de onda de la luz solar, que es de entre 400 y 1000 nanómetros. El sistema de almacenaje funcionará como un capacitor (que almacena electrones), pero retendrá en su interior a los fotones.
Conclusiones:
La nanotecnología es, evidentemente, por lo que pude mostrar, un área en la que se está aún en pañales. Pero los que leemos material de tecnología sabemos que cuando se empieza a saber a nivel de divulgación de proyectos como los descriptos en este artículo, suele haber muchos más en las sombras que no se dan a conocer por razones de protección industrial, resguardo de ideas y razones estratégicas de estado. La Ciencia Ficción nos ha mostrado la nanotecnología en las dos últimas décadas —aunque algunos pioneros lo hicieron antes—como una especie de magia moderna del futuro, aunque lo mágico es que en la mayoría de los casos las ideas que los escritores presentaron fueron analizadas y pensadas con total racionalidad. Y son posibles. Es decir, no es la magia de un libro de Fantasía, porque han imaginado los mecanismos que serían capaces de lograr esas cosas, aunque la tecnología aún no sea capaz de fabricarlos. Una actitud típica de la más rancia CF... aunque los resultados de estas especulaciones son a veces dignos de un Merlín, o un Gandalf, o el viejo y conocido Mandrake de la cultura popular, sorprendidos en el mejor de sus momentos.
en la industria automotriz tambien esta presente
Nanotecnología: La mayor revolución tecnológica de la historia ¿Qué significa?
La nanotecnología -la manipulación de la materia a escala de átomos y moléculas- promete ser la mayor revolución tecnológica de todos los tiempos. Sus aplicaciones actuales y potenciales cubren el increíble espectro de la biomédica, la farmacéutica, la industria cosmética, la alimentación, la agricultura y otras industrias. Pero, ¿qué es? En este artículo se explican los detalles.
Redacción PU
La nanotecnología -la manipulación de la materia a escala de átomos y moléculas- promete ser la mayor revolución tecnológica de todos los tiempos. Sus aplicaciones actuales y potenciales cubren el increíble espectro de la biomédica, la farmacéutica, la industria cosmética, la alimentación, la agricultura, la industria química y de materiales, la industria de la construcción, la aeronáutica, la industria automotriz, textil, del caucho, la informática y muchas otras. Todo lo vivo y lo no vivo está compuesto de átomos y moléculas y es potencialmente posible modificarlo, cambiando sus propiedades o encontrando nuevos usos.
