La tecnología tiene un gran reto por delante: hacer que los objetos sean elaborados en materiales pequeños. La nanotecnología es una de las tecnologías del futuro y tendrá aplicaciones muy importantes en la ciencia, química molecular, microfabricación, entre otras. Desde ya la Unión Europea ha invertido 1 200 millones y Estados Unidos 3 700 millones de dólares para impulsarla. No hay dudas de que de ahora en adelante las mejores soluciones vendrán en materiales pequeños.
Pero ¿en qué consiste la nanotecnología y cuáles son sus características?, ¿cuáles son sus ventajas y desventajas? En este artículo encontrarás todas las respuestas a esas preguntas. ¡Continúa leyendo!
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Richard Feynman
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¿Qué es la nanotecnología?
La nanotecnología consiste en estudio, diseño, creación y manipulación de materiales en pequeños tamaños, o en nanoescala. Dentro de la nanotecnología se involucra muchísimo lo que es la mecánica cuántica porque aparecen propiedades y fenómenos totalmente nuevos que precisamente se rigen por estas leyes. Se espera que los productos y aparatos con nanotecnología sean novedosos, pero al mismo tiempo no tengan costos elevados.
Por su parte, nano- es un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que corresponde a un factor 10^-9 (una mil millonésima parte de un metro), que aplicado a las unidades de longitud equivale a 1 nanómetro. La primera vez que se habló de esta tecnología fue en el año 1959, cuando el físico estadounidense Richard Feynman mencionó la posibilidad de diseñar y construir sistemas en la nanoescala, átomo por átomo; en su discurso There’s Plenty of Room at the Bottom.
Eric Drexler, en el 86, es quien utiliza por ver primera el término nanotecnología, luego de estudiar acerca de lo planteado por Feynman. En el año 2000 las principales potencias económicas, los investigadores y científicos se empiezan a interesar por la nanotecnología. El tema llega a posicionarse muy bien en la palestra y vemos cómo se comercializan algunos productos, siendo uno de los más populares los protectores solares transparentes basados en nanopartículas o la plataforma Nano Silver.
En América Latina el interés por la nanotecnología es relativamente reciente. Sin embargo, se ha visto inclinación por participar en el desarrollo de los trabajos de investigación en distintas áreas de la nanociencia y la nanotecnología.
¿La nanotecnología es lo mismo que la nanociencia?
Un error frecuente al hablar de nanotecnología es equipararlo con la nanociencia, creyendo que son términos que funcionan como sinónimos. Pero la realidad es distinta. La nanociencia hace referencia al estudio de los fenómenos físicos, químicos y biológicos que ocurren a escala nanométrica. De forma tal que la nanociencia intenta encontrar una explicación a qué es lo que ocurre con la nanotecnología y cómo funciona.
Las instituciones que tienen la batuta en este ámbito son el Centro de Nanociencia y Nanotecnología (CNyN) que se encarga de la investigación exclusiva en nanomateriales. La organización Europea de Investigación Nuclear y el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia). Estudiar la nanociencia es importante porque las propiedades de la nanoescala son totalmente diferentes a las que se encuentran en la escala convencional.
Características de la nanotecnología
- Interdisciplinar: Una de las principales características de la nanotecnología es que representa un ensamblaje interdisciplinar de varios campos de las ciencias naturales. También juega un papel muy importante la química para de cierta forma experimentar con las configuraciones de los átomos.
- Teórica: Por los momentos no es aplicable a grandes escalas.
- Nuevos comportamientos: La nanotecnología tiene la particularidad de que espera controlar átomos y moléculas. Con el propósito de otorgarle a los materiales nuevos comportamientos desde un punto de vista óptico, electrónico y magnético.
- Hace obsoleta la tecnología actual: Se basa fundamentalmente en la novedad y capacidad de invención, debido a que en muchos casos la tecnología actual no podrá satisfacer las necesidades de la nanotecnología.
- La mecánica cuántica rige la escala nanométrica: Esto podría significar que en el futuro se incluya esta área de forma indispensable para la creación de nuevos dispositivos.
- Necesita potentes hardware y software: Esto se debe a que la representación computacional de los procesos a escala nanométrica es crucial para el desarrollo de la nanotecnología.
Tipos de nanotecnología
Nanotecnología descendente (top-down)
Este tipo de nanotecnología es el más frecuente. Se trata de miniaturizar las estructuras a escala nanométrica. En la nanotecnología top down se aplican técnicas de molienda como pulido, litografía o pirolisis. En la electrónica es donde se emplea con mayor facilidad. Sin embargo, su uso no es totalmente disruptivo. De hecho, podríamos hablar de un antecedente de la nanotecnología descendente cuando en la Edad de Piedra nuestros antepasados moldeaban las rocas para tallar útiles a partir de sílex.
Nanotecnología ascendente (bottom up)
Es aquella que a partir de átomos, moléculas o diversas nanoestructuras puede crear un mecanismo mayor que el inicial. De esta manera, en la nanotecnología ascendente se emplea un proceso de montaje o autoensamblado. Con este tipo de nanotecnología la materia puede controlarse de manera extremadamente precisa, por eso, muchos la consideran como la «verdadera nanotecnología».
Nanotecnología seca
Esta nanotecnología se centra en la creación de materiales elaborados en carbón u otros semiconductores que no funcionan con humedad. Por ejemplo, silicio o materiales inorgánicos. Estos materiales no pueden funcionar en un entorno húmedo debido a que son extremadamente reactivos. Se suele emplear en el diseño de dispositivos mecánicos diminutos.
Nanotecnología húmeda
Se basa en organismos vivientes gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas. Asimismo, la nanotecnología húmeda consiste en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético.
Nanotecnología computacional
Este tipo de nanotecnología establece que los átomos se pueden manipular si se emplean nanomanipuladores controlados por computadores. Además, pretende trabajar con el modelado y simulación de estructuras complejas (a escala nanométrica, evidentemente).
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¿Para qué sirve la nanotecnología?
La nanotecnología puede utilizarse para el desarrollo de nuevos sistemas informáticos, nuevos dispositivos y la creación de nuevos materiales. Las ambiciones de este campo son realmente gigantes, un ejemplo puede ser que con la nanotecnología se pretende desarrollar un ordenador del tamaño de una tarjeta de crédito. Por otro lado, se espera que pueda ayudar en otras áreas y ciencias hasta modificar nuestra vida cotidiana.
Los avances que estamos viviendo en la actualidad nos demuestran que los dispositivos, gadgets y demás deben poder integrarse con facilidad. ¿Y qué mejor forma de hacerlo si es con materiales diminutos? Esto disminuiría el uso de redes cableadas para que los aparatos funcionen, e incluso se puede mejorar su autonomía.
Además, la nanotecnología explora un campo que hasta ahora es bastante desconocido: la mecánica cuántica aplicada a la nanotecnología. El descubrimiento y desarrollo de teorías emergentes puede dar pie a que se termine de consolidar la computación cuántica.
Por otro lado, puede ser crucial para el desarrollo de la tecnología —que ya se encuentra en el mercado—. Por ejemplo, en Organic Light-Emitting Diode (OLED), es decir, que las pantallas sean más livianas, brillantes y nítidas. Asimismo, la nanotecnología permitiría reducir el tamaño de los chips/biochips y hacer que el funcionamiento de las baterías sea mejor. Algo en lo que ya incursionó Toshiba en el 2005, con Direct Metanol Fuel Cell (DMFC), la cual permitía que los reproductores mp3 funcionaran sin pilas ni baterías.
La nanotecnología también promete darles solución a los problemas ambientales. Algo que muchos países y organizaciones buscan: generar energía renovable. Por ejemplo, a través del desarrollo de células solares compuestas por superficies nanoestructuradas de puntos cuánticos de alta eficiencia. Con esto, la energía solar podría abaratar sus costos.
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Aplicaciones de la nanotecnología
Nanotecnología en medicina del futuro
La incidencia de la nanotecnología en la medicina es innegable e indiscutible (también llamada nanomedicina). Son varios los países que se encuentran trabajando en incorporarla en este campo. En ese sentido, el Centro de Nanotecnología Aplicada de la Universidad Mayor en Chile se encuentra trabajando en la liberación de fármacos a partir de nanopartículas poliméricas.
Asimismo, se relaciona con el uso de nanorrobots que podrían efectuar reparaciones a nivel celular. Por ejemplo, los químicos de la Universidad de Nueva York (NYU) han creado un nanorrobot que camina sobre dos patas de 10 nm de largo, aunque de momento sigue siendo una idea bastante ambiciosa.
Por otro lado, se busca generar nuevas aplicaciones y propiedades en relación a minerales estratégicos. En función de ello se pretende incluir nanopartículas de cobre, para que actúen como antibacterianas, antifúngicas y antivirales en objetos de uso diario.
Se estima que la nanomedicina se complemente con otras ramas como la inteligencia artificial y la robótica. De igual forma, se podrá modular las propiedades farmacológicas de numerosos medicamentos haciendo que encontrar la cura y el tratamiento de diversas enfermedades sea mucho más rápido.
Con las nanofibras se podría elaborar materiales especiales para apósitos y tejidos quirúrgicos. Las mismas tienen diámetros inferiores a 1 000 nm. Son elaboradas en carbono y son una de las mayores promesas de la nanomedicina. Otra aplicación de la nanotecnología en la medicina es que puede servir para manipular el ADN. De hecho, los científicos de la Universidad Nacional Australiana han logrado adherir perlas de látex recubiertas a los extremos del ADN modificado. Con esto, lograron estudiar las interacciones de proteínas de unión específicas de la cadena de ADN.
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Nanotecnología en la electrónica
La aplicación de la nanotecnología en electrónica es mucho más singular, debido a que los usos actuales son diferentes a los transistores tradicionales. Un ejemplo de su uso es en la movilidad de electrones al emplear un mayor número de transistores agrupados en un único chip. Además, podría ser útil para el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala. De igual forma, la nanotecnología en electrónica estudia las propiedades del grafeno para elaborar pantallas mucho más flexibles.
Nanotecnología en la industria textil
El sector textil puede verse ampliamente beneficiado de la nanotecnología. El Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) se encuentra trabajando en materiales que permitan la elaboración de fibras inteligentes nanoestructuradas. Este hecho puede ser muy novedoso para que las telas tengan la capacidad de autoeliminar olores, tener mayor resistencia o evitar la formación de bacterias.
Los mayores avances se están dando en la creación de telas antibacterianas. La posibilidad de desarrollar microorganismos patógenos se está eliminando mediante la incorporación de nanopartículas de plata en las fibras. Además, se pretende agregar bloqueadores UV en las fibras para disminuir la exposición a la luz directa del Sol. Pero lograr estos objetivos no es una tarea sencilla porque requiere dispersar adecuadamente las nanopartículas dentro del polímero.
De allí que instituciones como el Programa de Apoyo al Fortalecimiento y Desarrollo de la Infraestructura Científica y Tecnológica del CONACYT, trabajen en presentar fibras inteligentes nanoestructuradas para diferentes aplicaciones industriales. ¿Imaginas vestir con pantalones repelentes a manchas o ropa inteligente deportiva antiolor? ¡En el futuro puede que sea posible!
Nanotecnología en la energía
Muchos sectores están abogando por el uso de nanotecnología en la energía porque sus usanzas pueden ser extensas. De hecho, sus aplicaciones pueden parecer bastante futuristas. Una posible aplicación es que se puede utilizar para aumentar la electricidad generada por turbinas eólicas. Recientemente se comprobó que las aspas de los aerogeneradores eólicos pueden ser más resistentes si se incorpora un epoxi con nanotubos de carbono.
También se está estudiando la posibilidad de lanzar al mercado una bombilla de alta eficiencia. La misma contiene una matriz de polímero con nanoingeniería. Además, si se combina con el internet de las cosas, podría dar lugar a un nuevo dispositivo que ayude a la creación de hogares inteligentes. Sin embargo, los avances más grandes en esta área se dan en la energía solar porque se aplicarían nanopartículas en las células solares. Al ser flexibles su uso también se puede ampliar, ya que no solo se podrían incorporar en los tejados solares.
Nanotecnología y el medioambiente
Hoy en día ya se empiezan a ver aplicaciones de la nanotecnología en el medioambiente. De esta manera, podría ser eficaz para crear un bionanocompuesto, es decir, plástico biodegradable con propiedades barrera a humedad bajas, así como propiedades mecánicas débiles.
Además, la nanotecnología es perfecta para el tratamiento del agua, porque se pueden aplicar nanotubos de carbono y fibras de alúmina para la nanofiltración. Lo que evitará que se acumulen sedimentos, algunos patógenos o partículas cargadas. Por su parte, se está investigando el uso de aerogeles modificados con moléculas que repelen el agua para disminuir el impacto del derrame de aceites y petróleos en el área marina. Asimismo, es posible rehidratar los lodos sedimentados en los cuerpos de agua gracias a la tecnología ASAR, propietaria de Nanolabs, que tiene la capacidad de penetrar el agua tratada con nanotecnología.
Ventajas y desventajas de la nanotecnología
Beneficios de la nanotecnología
- Uno de los grandes beneficios de la nanotecnología es que permite abaratar los costos de producción en diversas áreas.
- Es amigable con el medioambiente y puede mejorar la eficiencia en el uso de recursos naturales.
- Los ordenadores, teléfonos inteligentes, entre otros dispositivos tendrán un diseño mucho más novedoso.
- Puede ser una aliada para el crecimiento de la domótica.
- Amplía los límites a los cuales actualmente se enfrenta la electrónica.
Desventajas de la nanotecnología
- Es una tecnología que aún se encuentra en desarrollo. Su llegada más palpable se estima en unas cuantas décadas.
- No existen certezas del impacto o posibles consecuencias que puede tener el uso de nanotecnología.
- Al desaparecer el uso de algunos materiales tradicionales, podría traer como consecuencia que se eliminen empleos. Aumentaría la tasa de desempleo, principalmente en países desarrollados.
- Pueden ser un peligro para la seguridad porque podría dar pie a que se concrete una industria de nanoarmas.
Ejemplos de la nanotecnología
El informe del «Institute of Nanotechnology» recientemente recogió los ejemplos en los cuales se puede aplicar la nanotecnología. De acuerdo con esta investigación, estas tecnologías ya se encuentran en el mercado o están a punto de ser lanzadas.
Ejemplos de nanotecnología pueden ser los componentes de impresoras o airbags que serán más modernos y mejor logrados; con una alta precisión. Asimismo, se encuentran los sensores aplicados en medicina y en la industria farmacéutica, que permitirá que los pacientes tengan un tratamiento personalizado. Otro ejemplo que podemos encontrar en el mercado son las cremas con nanopartículas que protegen contra la radiación UV. Con la nanotecnología tanto las gafas como los lentes serán prácticamente indestructibles.
Por otro lado, la nanotecnología permite que se elaboren envoltorios inteligentes para alimentos. Estos dan a los productos una apariencia de frescura y de recién cosechados en el caso de verduras y frutas. Por ejemplo, cualquier contenido embotellado no dejará ningún residuo en el envase, gracias a la nanopartículas.
Nanotecnología en la actualidad: avances más importantes
Nanofibras
Uno de los avances más importantes que se han dado en la actualidad con respecto a la nanotecnología son las nanofibras. Han sido desarrolladas por un equipo en el Instituto de Tecnología de Georgia, liderado por Zhong Lin Wang. La forma de obtener una nanofibra consiste en el hilado en el que un polímero fundido o en solución se hace pasar por una boquilla a cierta velocidad y temperatura. Con esta técnica es posible aumentar exponencialmente sus propiedades de flexibilidad, tenacidad y resistencia a la tracción.
Las nanofibras se convierten en una excelente alternativa para la creación de dispositivos biomédicos. Además, se pueden utilizar en componentes de órganos artificiales, así como en vendajes y textiles quirúrgicos. Las posibilidades de utilización de las nanofibras son bastante extensas. En el caso de que se use para ropa deportiva no es dañina para el medio ambiente, debido a que contienen poliuretano.
Nanopartículas de óxido de zinc
Las nanopartículas de óxido de zinc ya están siendo empleadas en cremas y protectores solares. En concentraciones de hasta el 25%. Estas nanopartículas pueden parecer invisibles a simple vista, sin embargo, permiten una protección más duradera frente a la radiación UV. Una de las ventajas de su uso es que las nanopartículas de óxido de zinc no penetran en el cuerpo a través de la piel. Sin embargo, su uso en aerosol no está recomendado.
Por otro lado, las nanopartículas de óxido de zinc podrían ser empleadas para diseñar nanosensores que detecten patógenos en las plantas. Además de que el sector agrícola ha demostrado estar interesado en su uso para la posible elaboración de pesticidas y fertilizantes. Uno de los usos a futuro podría ser utilizar estas nanopartículas para crear un nuevo material genético en las plantas.
Uso de nanomateriales en coches
Los vehículos que veremos en las calles en los próximos años harán uso de la nanotecnología. De momento existen dos iniciativas que se consideran como pioneras. La primera es de Hyundai, quienes han creado un sistema de protección para la tapicería. Mediante el recubrimiento de cada fibra de tela con una barrera invisible de protección el sistema Stain Guard de Hyundai previene la aparición de manchas.
Por otro lado, la empresa Nanorepel, previene que la carrocería sufra daños de erosión a través de un revestimiento compuesto por nanopartículas. Ellos aseguran que con esta tecnología cualquier vehículo está a salvo de sufrir los daños ocasionados por los excrementos de pájaros.
Nanotecnología en lentes de contacto
Todo indica que la nanotecnología se unirá con la realidad virtual para crear una novedosa generación de lentes de contacto. Reciente se incorporó un filtro central y una lente de visualización en el centro de una lente de contacto.
Innovega, con sede en Bellevue, WA, con su plataforma iOptik, sostuvo que los mismos ofrecen juegos, entornos de simulador y películas inmersivas. Estos lentes de contacto no interfieren con la visión normal, ya que los elementos ópticos son más pequeños que la pupila del ojo.
Pruebas de diagnóstico basadas en biosensores
Se espera que la nanotecnología permita desarrollar pruebas de diagnóstico basadas en biosensores para atender a comunidades marginadas o en clínicas alejadas de las zonas urbanas. Estas pruebas cuentan con un componente de reconocimiento biológico y un transductor fisicoquímico. Además, los biosensores pueden ser electroquímicos, ópticos, basados en masa o magnéticos.
Libélula que combate las bacterias
Científicos australianos y españoles se han inspirado en la naturaleza para desarrollar un nanorrobot con forma de libélula capaz de combatir las bacterias. El mismo está elaborado en material de silicio negro que demostró ser efectivo contra bacterias Gram-negativas y Gram-positivas. Cabe señalar que las alas de un tipo de libélula australiana tienen pequeñas espigas que inhiben el crecimiento bacteriano.
Electrónica flexible
Recientemente científicos lograron crear chips electrónicos con finas capas de polivinilo apilado que están cubiertas con un circuito electrónico. Lo extraordinario es que aún sigue en funcionamiento luego de adherirse a una hebra de cabello. Con esto, se abre un sinfín de oportunidades basado en la electrónica flexible.
Nariz y lengua electrónica
La nanotecnología ha permitido el desarrollo de nanosensores y nanochips que básicamente funcionan como lengua y nariz electrónica. El objetivo es analizar todo lo referente al gusto y al olfato.
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El futuro de la nanotecnología
La nanotecnología ya empieza a tener incidencia en algunos sectores, como los hemos visto a lo largo de este artículo. Sin embargo, su futuro será mucho más amplio y abarcará decenas de áreas. Investigadores de la Universidad de Toronto, en Canadá, dieron a conocer una lista de algunas de sus aplicaciones prometedoras.
Esta tecnología podría transformar sectores como la construcción, alimentos transgénicos, procesamiento de alimentos, resolución de la contaminación atmosférica y detención y control de plagas. Sin duda, el mercado de la nanotecnología estará en expansión en las próximas décadas. No obstante, debe sortear un obstáculo: demostrar que su aplicación no tendrá repercusiones negativas en cuanto a la seguridad, riesgos medioambientales y sanitarios.
A pesar de ellos los expertos son bastante optimistas con respecto al futuro de la nanotecnología. Muchos esperan que contribuya al crecimiento económico y a la generación de empleo en los próximos 10 años. En este caso, para el 2024, Estados Unidos, Brasil y Alemania liderarán la industria nanotecnológica.
En este momento estamos en la primera generación de nanomateriales, pero existirá una tercera y cuarta generación, donde verdaderamente veremos todo el potencial de la nanotecnología. Por lo que su aplicación podría ser mucho mayor que lo que nos atrevemos a soñar actualmente. Además, es prácticamente un hecho que se combinará con otras tecnologías emergentes, por ejemplo, se verá con más claridad la nanorrobótica.
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Palabras finales
Se podría decir que la nanotecnología se encuentra en una etapa temprana, pero no dudamos que será un boom en los próximos años. Todo parece indicar que vendrá a complementar y desafiar a las tecnologías que ya conocemos, así como a las futuras. También tendrá un impacto gigantesco en el diseño de los dispositivos que utilizamos en el día a día. ¿Cuál crees que será el impacto más grande que tendrá la nanotecnología? ¡Déjanos un comentario!
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