Cuando analizamos el futuro que se acerca resulta sorprendente lo mucho que se parece a un libro de ciencia ficción: robots con capacidad de pensar, supercomputadoras, coches que se conducen solos, la unión entre el mundo digital y el virtual y, cómo no, la nanotecnología. ¿No nos planteó la ciencia ficción ya a minúsculos robots capaces de solucionar gran parte de nuestros problemas?
Y ahora ese escenario se acerca. Nos encontramos ante un mundo que está viendo nacer la nanotecnología. Si bien sus efectos no serán iguales a como lo vemos en la ciencia ficción, no son menos impresionantes. Las aplicaciones de la nanotecnología abarcarán tantos segmentos de nuestra vida que son difíciles de imaginar.
Desde la medicina hasta el medio ambiente, la modificación de la materia en tamaños diminutos es completamente transformadora, aunque probablemente pocos lo lleguen a notar. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de la nanotecnología? En Futuro Eléctrico te lo contamos.
Tabla de contenidos
Aplicaciones actuales de la nanotecnología
Aplicaciones de la nanotecnología en la medicina
Biomedicina
Dentro de las presentes y futuras aplicaciones de la nanotecnología destaca sus posibilidades dentro de la medicina. Las propiedades de los nanomateriales pueden contribuir en las diferentes etapas de una enfermedad; desde el diagnóstico precoz hasta el tratamiento. Todo ello lo hacen a nivel celular o molecular, por lo que son una herramienta completamente revolucionaria.
En la fase de diagnóstico se pueden implementar nanodispositivos que actúen como agentes de contraste y tintes fluorescentes en la imagenología. De esta forma, se genera una mejor dispersión óptica, buena compatibilidad y diferentes funciones. Pueden unirse a las células blanco para generar mejores imágenes de diagnóstico e, incluso, generar imágenes de superresolución.
Por ejemplo, investigadores de la Universidad Stanford en California desarrollaron un nanoelemento con increíble precisión. Fueron prismas de oro a escala nanométrica que mejoraron la calidad de la tomografía de coherencia óptica. Gracias a ello, se pueden incluso distinguir detalles a nivel molecular.
En la identificación del cáncer, por su parte, existen algunas nanoesferas que se pueden introducir en el paciente para localizar el cáncer de manera más puntual. Además, estas podrían eliminar únicamente el tejido afectado sin dañar el resto de los tejidos. No obstante, todavía hay limitaciones, dado que su tamaño no es lo suficientemente pequeño y requiere una complejidad química que no se ha logrado superar.
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Cirugía ocular
La nanotecnología podría cambiar la manera en que se realizan las operaciones oculares. En vez de usar laser o manos humanas, se trabaja en el desarrollo de un microrrobot. Este podría ser guiado magnéticamente e incrustarse en el ojo para realizar cirugías de forma precisa.
Además, también podría ayudar a suministrar de manera precisa la cantidad de medicamentos que necesita una persona. Esto brinda dos beneficios: por un lado se elimina la submedicación o sobremedicación; por el otro, le brinda garantías a los especialistas sobre la correcta administración de medicamentos.
Lucha contra el cáncer
Una de las grandes expectativas en las futuras aplicaciones de la nanotecnología se relaciona con su rol en la detección y tratamiento del cáncer. Con esta tecnología se pueden suministrar nanopartículas que ataquen de forma precisa las células cancerígenas.
Existen diferentes enfoques. Por un lado, se habla de nanopartículas coloidales, que tienen forma estrellada, y podrían ser usadas para una valoración oportuna de los pacientes. Por el otro, se habla de nanopartículas metálicas, que serían las usadas para inhibir el desarrollo de las células cancerígenas.
Los investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard informaron en Science que diseñaron un «nanorrobot de origami». Se creó a partir de ADN para transportar carga útil molecular y tiene instrucciones para hacer que las células se comporten de alguna manera en particular. En su estudio, el equipo demostró con éxito cómo entregó moléculas que desencadenan el suicidio celular en las células de leucemia y linfoma.
Por su parte, científicos de la Universidad Northwestern usaron oro para desarrollar nanopartículas simples y especializadas en forma de estrella. Su nombre son nanostars. Estas tienen la capacidad de llevar medicamentos directamente a los núcleos de las células cancerosas. Las nanopartículas se ven atraídos a una proteína sobreexpresada en la superficie de las células con cáncer de cuello uterino y ovario. Al llegar allí, depositan su carga útil en los núcleos de las células. Su forma de estrella les permite administrar con precisión los medicamentos.
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Órganos artificiales
De igual forma, la nanotecnología ayudará a la creación de órganos artificiales. Su tamaño permite manipular estructuras y propiedades a nanoescala: manejar células, virus o piezas de ADN. De esta forma, se pueden crear órganos más compatibles y reconfigurarlos con facilidad.
Esto se puede evidenciar en la creación de materiales a través de nanofibras, que tienen diámetros inferiores a 1 000 nm. Estas se están incluyendo en vendajes y textiles quirúrgicos; además de ingeniería de tejidos y componentes de órganos artificiales.
Manipulación del ADN
Entre los usos futuros y aplicaciones de la nanotecnología se encuentra la manipulación del ADN. La ingeniería genética ha avanzado mucho en los últimos años, especialmente, aquellas herramientas como la CRISPR CAS-9 que implican la manipulación de genes individuales. Este es un método con un gran potencial para adaptar los tratamientos de las personas en función de su composición genética.
La nanotecnología podría, por ejemplo, construir nanorrobots que puedan recorrer el ADN y llevar a cabo reparaciones en sus componentes celulares. Al menos este es el objetivo de los científicos de la Universidad Nacional Australiana, quienes han logrado adherir perlas de látex recubiertas a los extremos del ADN modificado. Gracias a estas perlas han logrado hacer una trampa óptica que estire la cadena de ADN para estudiar las interacciones de proteínas de unión específicas.
Producción de vacunas
El propósito de las vacunas es introducir un antígeno de un virus y bacterias para provocar una respuesta del cuerpo. Es decir, estimular el sistema inmunológico para desarrollar una inmunidad específica contra este patógeno sin causar la enfermedad.
Con las nanopartículas se espera reducir la toxicidad de las vacunas, potenciar la actividad inmunogénica y proporcionar estabilidad a la vacuna. Asimismo, podría tener un papel fundamental en el desarrollo de vacunas sintéticas; entre ellas, para el VIH, encefalitis, hepatitis, el virus influencia A, enterovirus y más.
Biosensores
Los nanosensores son dispositivos que pueden detectar radiación, fuerzas, productos químicos o agentes biológicos. Una parte de ellos funcionan a nanoescala, en forma de molécula, proteína, células o microchips. Con los nanosensores se pueden marcar las células para identificar la ubicación, estado y función.
De esta forma, pueden detectar y medir diferentes fenómenos y descubrir enfermedades en su fase temprana. Como ventaja adicional, permite proporcionar nueva información sobre procesos biológicos que no se pueden observar macroscópicamente.
Entre las aplicaciones actuales de la nanotecnología se encuentran implantes para detectar el daño cardíaco; sensores in vivo de la apoptosis de células cancerígenas o que monitoreen la glucosa en pacientes con diabetes.
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Aplicaciones de la nanotecnología en la electrónica
Nuevos materiales
Se habla de un reemplazo de materiales escasos como el silicio. Su sustituto podría ser un nanotubo de carbono para fabricar microchips y dispositivos pequeños, veloces y eficientes. Los nanotubos de carbono poseen propiedades excepcionales comparados con los materiales convencionales.
Además, se podrían construir nanocables cuánticos e, incluso, baterías de grafeno. Los nanocables permiten solventar el problema de disipación que existe en los dispositivos nanoelectrónicos. Por el contrario, la creación de microchips basados en germanio es una de las aplicaciones más importante. Con este material, es posible que los chips tengan una mayor tasa de procesamiento, una reducción del tamaño y del consumo eléctrico.
Spintrónica
La spintrónica es otra de las futuras aplicaciones de la nanotecnología. La electrónica convencional se basa en la carga que tienen los electrones. Por su parte, la spintrónica considera el spin de los electrodos, es decir, el campo magnético que se genera al girar sobre su propio eje.
Con las nuevas tecnologías y desarrollos, se ha encontrado cómo filtrar los electrones para que solo pasen los que poseen un spin en la misma dirección. Con esto es posible usar el spin de los electrones para transportar información. La ventaja de este método es que otorga mayor almacenamiento y una alta velocidad de lectura de datos.
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Pantallas flexibles
La nanotecnología también ha permitido la creación del grafeno, un material nanométrico bidimensional con el espesor de un átomo de carbono. Se organiza de manera hexagonal y es 200 veces más resistente que el acero y cinco veces más ligero que el aluminio.
Gracias a esta estructura, ha permitido el mejoramiento de tecnologías de diodos orgánicos de emisión de luz OLED’s. Esta tecnología ya es usada por Huawei para sacar al mercado un celular con pantalla táctil y flexible. La empresa reemplazó la fabricación convencional de la pantalla con laminación de grafeno sobre un material polimérico.
Asimismo, los científicos esperan que los nanotubos de carbono se puedan usar en la fabricación de pantallas de cristal líquido (LCD). Hasta el momento se han desarrollado pantallas de 15 pulgadas y la tecnología es escalable. Se podría fabricar pantallas de gran tamaño con una mayor calidad de imagen y más durabilidad.
Lentes más poderosos
Los microscopios hoy en día tienen límites: no pueden resolver imágenes con detalles inferiores a la longitud de onda de la radiación utilizada. Es decir, varios centenares de nanómetros. Sin embargo, existe otro tipo de ondas electromagnéticas llamadas «ondas evanescentes», estas aparecen en la inmediata proximidad de una superficie y en ciertas condiciones. Son ondas que se propagan paralelamente a la superficie del material pero que decrecen a medida que nos alejamos de ella.
Este tipo de ondas podrían usarse para obtener imágenes ópticas con mayor resolución que las usadas por los microscopios ópticos convencionales. En abril de 2007, dos grupos de investigación de la Universidad de Maryland y Berkeley lograron mejorar la tecnología y llegar a resoluciones ópticas del orden de 70 nm. Es decir, han desarrollado superlentes que recogen la señal que proviene de las ondas evanescentes y su posterior tratamiento por lentes convencionales.
Este tipo de superlentes se conoce como metamateriales, que se obtienen mediante micro y nanoestructuración. Su particularidad es que tienen un índice de refracción negativo, al contrario de los materiales naturales. Así, se amplía las señales débiles de las ondas evanescentes. Con estas propiedades nuevas se podrían obtener imágenes ópticas de algo tan pequeño como un virus, una proteína o una cadena de ADN, lo que no era posible. Estos nuevos instrumentos se pueden aplicar a la biología y las ciencia de superficie.
Aplicaciones de la nanotecnología en la energía
Energía solar fotovoltaica
Si alguna vez te preguntas para qué sirve la nanotecnología, una respuesta adecuada sería «para un mundo más sostenible y eficiente». Las energías renovables serán ampliamente impactadas por esta tecnología. Un ejemplo es la energía solar fotovoltaica, que es cada vez más utilizada y cuyos sus avances crecen cada día.
La nanotecnología permitiría lograr nuevos hitos. Mientras las células fotovoltaicas de hoy son hechas, principalmente, de silicio cristalino, la nanotecnología ofrecería alternativas con mayor eficiencia y abundancia. Un material con gran perspectiva es la perovskita, un compuesto ternario formado por haluros metálicos. Esta ofrece una eficiencia y vida útil similar al silicio.
Además de la perovskita, existen numerosas investigaciones que apuntan a desarrollos más o menos innovadores. En general, los prototipos de paneles solares con nanotecnología han demostrado tener más eficiencia al convertir la luz y electricidad. Con nanoestructuras y nanohilos se pueden obtener incrementos de la eficiencia de hasta el 63 %. Y pueden ser más discretas y fáciles en su manufactura.
Pero no solo se pueden usar en su estructura principal. En los diodos emisores de luz (LED) también se está utilizando la nanotecnología para producir una luz más agradable. Y se ha trabajado en un recubrimiento multicapa antireflectante para reducir el reflejo del sol. Asimismo, las propiedades electrónicas y ópticas de las nanoestructuras ayudan a reducir los costos de fabricación. Incluso pueden aumentar los niveles de eficiencia y permitiría crear células solares transparentes y flexibles.
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Energía solar térmica
Los paneles térmicos también se encuentran dentro de las aplicaciones de la nanotecnología. En este caso, la cantidad de radiación solar que puede absorber un panel dependen del recubrimiento del colector. Para mejorar su eficiencia se han desarrollado dos nuevos tipos de recubrimiento con nanotecnología: el recubrimiento MEMO y una pintura autolimpiante.
El recubrimiento NEMO se basa en el uso de nanocristales de nitruro de titanio aluminio. Estos nanocristales se incorporan en una matriz amorfa de nitruro de silicio que conforman tres capas con un grosor de 200 nm. Esta composición permite más absorción y emisividad, del 96 % y 5 % respectivamente. Además, ofrece una vida útil superior a 20 años sin mantenimiento.
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La pintura autolimpiante busca reducir los costos derivados del ensuciamiento de los paneles. Es decir, costos de mantenimiento, limpieza e, incluso, debido a la pérdida de eficiencia. Una superficie autolimpiante se consigue al conseguir una capa superficial hidrófoba para que las gotas de agua no se adhieran. Por ello, el Laboratorio Nacional de Oax Ridge creó una pintura con nanopartículas de sílice, que es hidrófilo. Este compuesto se enlaza con el fluorosilano y se aglomeran las partículas funcionalizadas con un aglomerante polimérico. El resultado son nanopartículas que evitan la dispersión de la radiación con longitudes de onda superiores a 280 nm.
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Almacenamiento de energía
El almacenamiento energético, clave para el desarrollo y potencialización de las renovables, podría verse positivamente impactado por la nanotecnología. En la actualidad, entre los distintos tipos de baterías, las de litio suelen ser las más populares. Para sorpresa de muchos, estas ya incorporan nanotecnología mediante la nanoestructuración de los electrodos. Su uso contribuye a aumentar la velocidad de carga y aumenta la vida útil de las baterías.
Asimismo, las aplicaciones de la nanotecnología en el almacenamiento permite que las baterías sean menos inflamables, tengan mayor rendimiento y menor peso y cuenten con una mayor densidad de potencia. Entre las tecnologías en este campo que ya existen se encuentran el nanotitanato de litio (nLTO) para el ánodo y nanofosfato de hierro y litio (nLFP) para el cátodo.
Biocombustibles
Otro de los ejemplos de aplicaciones de la nanotecnología son los biocombustibles. Estos desarrollos pueden actuar como nanocatalizadores que ayudan a degradar los materiales vegetales de manera más barata y eficiente. De esta forma, con una mejor catálisis, la nanotecnología está mejorando la eficiencia en la producción de combustibles.
Cabe recordar que la producción de biocombustibles está determinados por la disponibilidad de catalizadores. Los procesos de catálisis se relacionan con el contacto entre catalizador y molécula. Entre mayor sea el área del catalizador, más favorable será el proceso. Y los materiales con partículas en nanómetros garantizan mayor contacto en el área superficial.
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Energía eólica
En las turbinas eólicas las nanotecnologías también pueden tener un impacto positivo. Entre sus beneficios potenciales, las nanotecnologías pueden aumentar la electricidad generada por las turbinas. Se puede usar un epoxi con nanotubos para que las aspas seas más resistentes, o se puede reducir el peso de las mismas.
Además, podrían ser la clave que permita implementar esta fuente de energía renovables en climas fríos. En realidad, los climas fríos son ideales para la energía eólica: tienen elevados vientos y baja densidad de población. El único problema es la formación de hielo en las palas de los aerogeneradores, que afectan la aerodinámica y equilibrio del rotor.
La solución sería una pintura antihielo que cuente con nanotecnología, como es el caso de Bladeshield. Esta es una pintura con una dispersión de nanopartículas funcionalizadas para ser hidrófobas y resistir a la erosión.
Aplicaciones de la nanotecnología en la vida cotidiana
Bloqueador solar
Con el fin de hacer los protectores solares más efectivos, se han agregado nanoparticulas a ellos. Especialmente, han añadido dióxido de titanio y óxido de zinc, que son altamente efectivas para bloquear la radiación UV. Esto ha permitido que los protectores solares no sean tan gruesos y pesados, sino que tengan un aspecto más transparente. Además, protegen mejor a la piel.
Ropa
La ropa inteligente también puede ser mejorada con nanotecnología. Por un lado, se puede incorporar nanoparticulas de sílice para crear telas que repelan el agua y otros líquidos. Estas se pueden agregar al incorporarlas en la tela o pulverizarla sobre la superficie.
Además, se puede crear ropa antimicrobiana. Con nanopartículas de plata se puede destruir cualquier patógeno, lo cual es muy útil para las pieles sensibles. Esto lo están aprovechando, sobre todo, marcas de ropa deportiva o de ropa interior.
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Muebles
Con propiedades similares a la de la ropa, la nanotecnología puede ser utilizada también en muebles. Estos se pueden tapizar con nanosistemas que otorgen impermeabilidad y resistencia a manchas; o, incluso, que reduzca su inflamabilidad hasta un 35 %.
Asimismo, se pueden aplicar en camas y lencería de cama. El tejido es de algodón en las capas exteriores, y en su interior tiene una diminuta red de nanofibras que no permite que ningún ácaro pueda cruzarlo. Así se protegen la almohada y colchón.
Aplicaciones de la nanotecnología en la agricultura
Palguicidas
Entre los usos y aplicaciones de la nanotecnología, la agricultura ocupa un lugar especial. Lo cierto es que esta diminuta tecnología podría ayudar a resolver algunos de los grandes problemas del sector. El manejo de enfermedades es uno de ellos.
La nanotecnología podría generar alternativas verdes para el manejo de enfermedades fitopatogénicas por medio de nanopartículas metálicas o la incorporación de microorganismos benéficos y matrices zeolíticas. Estas últimas pueden actuar como portadores de los organismos y ser liberados gradualmente. Además, incrementan la dispersión y humectabilidad de las formulaciones agrícolas. Es decir, pueden llegar a más rincones, liberarse gradualmente y permanecer más tiempo en las plantas.
Los plaguicidas tienen distintas categorías: pueden ser herbicidas para destruir malezas; insecticidas para el control de plagas; o funguicidas y bactericidas contra el ataque de microorganismos. La nanotecnología permite atacar cada uno de esos campos con la ventaja de generar una liberación más lenta y controlada. De esta forma, aumenta su nivel de acción y se requiere menos productos.
Nanoherbicidas
Los nanoherbicidas además tienen la ventaja adicional de que se dirigen a un público específico. Por lo tanto, se evita dañar a las plantas cultivadas. Su uso también permite reducir la contaminación ambiental provocada por residuos industriales y productos químicos agrícolas. En este caso se usarían nanopartículas metalicas y nanoencapsulados. La ventaja de estos últimos es que facilitan la degradación de los herbicidas, lo que reduce su impacto sobre el suelo.
La tecnología todavía no se ha implementado a gran escala, pero existen algunos avances e investigaciones. Ya se han hecho algunos experimentos. Por ejemplo, una prueba en un cultivo de rosas demostró que el sílice puede controlar el pildéu polvoso de la Podosphaera pannosa. En la búsqueda de alternativas, rosearon una solución de 100 mg/L de sílice a plantas de cuatro fenotipos de rosa. Luego, se rociaron con la bacteria. La investigación demostró que aquellas que tenían sílice fueron hasta cuatro veces más resistentes a la enfermedad.
Fertilizantes y crecimiento vegetal
Mejorar la capacidad de los cultivos, la absorción de nutrientes, la resistencia a cambios climáticos e incrementar la producción es esencial para mejorar el sector. Para ello, se necesita alimentar correctamente a las plantas. Sin embargo, el uso contínuo de los fertilizantes puede afectar los suelos y aguas subterráneas, además de sus altos costos.
Por ello, entre las futuras aplicaciones de la nanotecnología en la agricultura también podemos encontrar el potenciar los cultivos. Esto se puede lograr al introducir nanoparticulas derivadas del carbono mediante aspersiones o aplicación directa en la raíz. En el primer caso, las nanopartículas se introducen a través de los estomas de la planta. En el segundo, se introduce el producto directamente en toda la planta.
Este tipo de nanofertilizantes se fabrican a base de fosforo encapsulado con biopolímeros para liberar directamente la sustancia activa. La ventaja es que se puede realizar de manera controlada, por lo que tendrá un mayor efecto.
En el año 2000 ya se estaban haciendo pruebas al respecto. Ese año se comprobó que si se siembran semillas de tomate con nanotubos de carbón, estos pueden penetrar en la cubierta de la semilla. Como consecuencia, se produce un incremento en el crecimiento de las plantas y mejor absorción de agua.
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Diagnóstico de enfermedades
Las nuevas técnicas de diagnóstico apuntan a detectar enfermedades en sus estados iniciales. Por ello, se usan técnicas como ELISA (enzyme-linked immuno sorbent assay), RT-PCR (Reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real) y los sensores hiperespectrales. Sin embargo, estas técnicas no son perfectas y pueden fallar debido al tamaño de las sustancias del sensor para detectar y cuantificar. Esto se debe a que los sistemas biológicos funcionan con proteínas motoras, encimas y ácidos nucleicos en procesos vitales.
Aquí es donde surge otra de las aplicaciones de la nanotecnología. Para poder identificar de manera más exacta las enfermedades se necesitan biosensores, dispositivos autónomos que se integran elementos biológicos inmovilizados para reconocer su analito (el sustrato de una encima, ADN complementario o antígeno) y un elemento de transducción que convierte la señal bioquímica resultante en una señal electrónica.
Estos biosensores podrían convertirse en nanobiosensores que detecten patógenos y otros contaminantes en moléculas. Así se podría aumentar la seguridad en la fabricación de productos alimenticios. ¿Cómo? Los daños en los alimentos son detectados con los nanosensores, por ejemplo, con un arreglo de miles de nanopartículas diseñadas para dar fluorescencia en diferentes colores al contacto con patógenos de los alimentos. De esta forma, pueden identificar tempranamente enfermedades u otros problemas en la planta.
Manejo poscosecha
Una vez termina el cultivo y se cosechan los alimentos, estos siguen con su ciclo de vida. Es decir, su metabolismo continúa funcionando y, al no tener los nutrientes y condiciones para sobrevivir, comienza a deteriorarse. Durante los procesos de transporte y almacenamiento, se van perdiendo agua y respiración, que se traduce en una pérdida de características nutricionales, organolépticas y apariencia. Por ello, las atmosferas modificadas, bajas temperaturas y empaques resultan importantes.
Se calcula que se producen pérdidas cercanas al 10 % de los alimentos en la etapa de poscosecha, especialmente por los ataques de insectos. Por ello, se están produciendo elementos nanoestructurados para reducir estas pérdidas. Por ejemplo, en 2010 se produjo un insecticida a partir de alúmina nanoestructurada (ANE), se cree que éste podría actuar sobre la carga electrostática de partículas y fenómenos de triboelectrificación a través de la absorción de las ceras cuticulares de los insectos. En otras palabras, causa la deshidratación de los insectos.
No obstante, las nanotecnología no sólo se puede usar como insecticida. Además, puede ayudar a controlar el déficit hídrico en las flores, por ejemplo. Para ello, se utiliza pulsos de una hora con nanoparticulas de plata que han ayudado a extender la vida de las flores gracias a su efecto antibacterial y al reducir la tasa de transpiración.
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Aplicaciones de la nanotecnologia en la industria
Automotriz
El sector automotriz también puede verse muy beneficiado por las aplicaciones futuras de la nanotecnología. De forma resumida, podemos decir que cada uno de sus elementos puede mejorar, modificar y potenciar su desempeño con la nanotecnología.
Por ejemplo, se pueden usar nanotubos de carbono para lograr un menor peso en la carrocería. Esto reduce el consumo de gasolina y aumenta la vida útil de las baterías. Otro ejemplo es la implementación de recubrimientos en vidrios para que actúe de forma hidrofóbica y no acumule el polvo. Asimismo, se puede usar el óxido de silicio en las punturas como recubrimiento anticorrosivo.
Además, se pueden utilizar nanocompósitos poliméricos de arcilla con polipropileno, poliamida o policarbonatos para generar una mayor resistencia térmica. Incluso las llantas pueden ser mejoradas. Con nanoparticulas de cobre, oxido de itrio o aluminia en aleaciones de magnesio se puede generar mayor resistencia y menor ductilidad.
Construcción
El mejoramiento de materiales ya existentes es una constante entre las aplicaciones de la nanotecnología. Por ejemplo, el hormigón, uno de los materiales más utilizados en la construcción, podría mejorarse para atacar problemas como la humedad, el desgaste, fuego y corrosión. Con aditivos como superplastificantes, nanoparticulas o nanorefuerzos se pueden otorgarle propiedades hidrofóbicas, hidrofílicas, descontaminantes, autolimpiantes y anticorrosivos.
Para ello, se están usando nanoparticulas de sílice, que aumenta la resistencia; dióxido de titanio, que son descontaminantes para la degradación de compuestos; óxido de hierro, que mejora la resistencia a la comprensión y flexión; aluminia, que aumenta la elasticidad; óxido de zinc, que mejora la resistencia a la radiación UV y la corrosión; y partículas de nanoarcilla, nanotubos y nanofibras.
Gracias a ello, los nuevos materiales nanotecnológicos serán más resistentes durables y ligeros. Sus materiales tendrán mayor poder aislante, por lo que serán más resistentes al fuego. Asimismo, serán más ecológicos, pues se construirán con un menor consumo de energía y menor emisión de gases. En algunos casos también se habla de que podrían eliminar los elementos contaminantes en la atmosfera.
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Industria textil
Entre los usos y aplicaciones de la nanotecnología encontramos que juega un papel muy importante en la creación de «telas inteligentes». Estas telas podrían repeler todas las manchas, evitar que se arruguen y crear materiales más resistentes y duraderos.
También se investiga su uso para mejorar la seguridad de los chalecos antibalas, para que sean más resistentes o delgados. Lo mismo ocurre con los cascos de motocicleta. Se busca crear cascos muy duros que reconozcan cuando existe un movimiento extremo.
Por ejemplo, la firma DuPont creó en 1985 el Kevlar, un material extremadamente resistente, liviano y duradero. Su resistencia se debe a su composición de enlaces por puentes de hidrógeno en cadenas del polímero, orientadas en dirección al eje de la fibra. Este descubrimiento fue clave para como los chalecos antibalas, telas resistentes a fuego y materiales para las llantas de los automóviles.
Además de este, existen otros dos avances recientes que conviene mencionar. Al inicio mencionamos las telas inteligentes que repelen la suciedad y el agua, pero ¿cómo funcionan? Se tratan de tejidos con superficie nanoestructurada inspirados en la flor de loto, conocida por mantenerse limpia, seca y brillante aún en un entorno poco favorable. Se debe a su estructura nanogranular que genera una alta tensión superficial. Este mismo sistema lo imitan estas telas, al combinar una estructura a nanoescala y microescala con microesferas de poliestireno recubiertas de nanotubos.
El segundo avance en el que se hace énfasis son los textiles antimicrobianos. En este caso, la plata juega un papel fundamental. Este elemento es usado para eliminar bacterias y evitar sus efectos, por ello, se está introduciendo nanoparticulas de plata en fibras sintéticas o naturales para potenciar su actividad iónica al exponerlos en una mayor área superficial. Esto garantiza un menor peso de la plata, rápidos efectos antimicrobianos y antiolor.
Industria alimentaria
Las aplicaciones de la nanotecnología en la industria alimentaria también son numerosas. En general, sus desarrollos se pueden dividir en tres áreas: producción primaria, procesado y envasado de alimentos.
En la primera parte, con el uso de nanobiosensores se pueden detectar patogenos y bacterias en los alimentos. También se puede usar para incorporar nuuevos ingredientes y aditivos que agreguen funciones antimicrobianas, antioxidantes, mejoradoras de textura y enmascaradores de sabor.
En la segunda etapa podemos mencionar los nanoingredientes. Su uso podría mejorar la preparación de la comida al optimizar su sabor, textura, consistencia, vida útil y más. Un ejemplo son los granos nanometricos de sal. El objetivo es ofrecer el mismo sabor con una cantidad más pequeña, para lograr reducir el consumo. También se puede mejorar la producción alimentaria al aumentar la resistencia mecánica y térmica, y disminuir la transferencia de oxígeno en los productos envasados.
En la última etapa, se evidencia que ya existen envases inteligentes capaces de aumentar la vida útil, frescura y vitaminas de los alimentos. También se puede mejorar procesos como las nanoemulsiones y los nanorecubrimientos: formas de encapsulación de componentes funcionales para una mejor disponibilidad y evitar sabores y olores desagradables.
Asimismo, se puede verificar su calidad por medio de dispositivos biodegradables que monitoreen la temperatura y humedad; o la aparición de plagas y patógenos en el almacenamiento.
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Aplicaciones de la nanotecnología en el medio ambiente
Purificación y filtración del agua
No podemos dejar de mencionar cómo la nanotecnología se puede usar para ayudar al medioambiente. Una primera línea de trabajo es la purificación y filtración. Puede ser de aire, agua o de metales pesados. En el primer caso se usarían iones; en el segundo, nanoburbujas; y en el último, sistemas de nanofiltración.
En el caso del agua, las nanopartículas pueden ser nanoburbujas o nanopartículas magnéticas. Las primeras son burbujas tan pequeñas como la millonésima parte de un metro que se crean a partir de iones electrolíticos. De esta forma, actúan como un imán que atrae a virus y bacterias. Cuando estos se adhieren a la superficie, las burbujas estallan y liberan radicales libres para eliminar los patógenos.
Las nanopartículas magnéticas, por su parte, están recubiertas de surfactantes (detergentes) confinados en una capa de sílice. Así, los contaminantes son absorbidos en la superficie por el campo magnético. Posteriormente, las nanopartículas se pueden retirar del agua. Este tipo de tecnología pueden absorber gran variedad de contaminantes: desde plaguicidas a colorantes, metales pesados o fármacos.
Absorbentes de petróleo
Las aplicaciones de la nanotecnología también abarcan este campo. Las fugas de petróleo en zonas marinas son absolutamente catastróficas por sus graves consecuencias para el medioambiente marino. Por ello, se está investigando el uso de nanodispositivos que ayuden a enfrentar esta problemática.
Uno de los enfoques es el uso de aerogeles modificados con moléculas que repelen el agua. Así, se busca mejorar la interacción con el petróleo para que actúen como una esponja del combustible fósil. Una vez lo absorbe, se podría eliminar más fácilmente.
Plásticos biodegradables
Todos sabemos que el plástico es una de las grandes amenazas para el planeta. Desde islas de basura hasta animales marinos con plástico en su estómago, este elemento está apoderándose de los océanos. Sin embargo, su reemplazo no era tan fácil.
Con la llegada de la nanotecnología se abre una puerta a nuevos materiales mucho más amigables con el mundo. Se trata de polímeros naturales llamados biopolímero mezclados con nanopartículas para crear un «bionanocompuesto». Estos serían completamente degradables y tendrían mejores propiedades mecánicas y de barrera. Serían materiales con propiedades como dureza, baja solubilidad al agua y resistencia al calor.
Filtración de metales pesados
Para tratar metales pesados, se usa una técnica de nanofiltración mediante tecnologías de membranas. Estas membranas suelen ser cerámicas y se usan en un proceso que involucra al soluto y la membrana misma. Este proceso es similar a un imán. Consiste en aprovechar la carga de la membrana para atraer a cualquier soluto de carga opuesta a ella. Estos suelen denominarse contraiones. La intensidad y potencia de la membrana dependen de la intensidad de carga que se les dé.
Palabras finales
En las últimas décadas, la nanotecnología ha avanzado a pasos agigantados, lo que ha permitido grandes desarrollos en muchos campos. De hecho, es probable que, a medida de que su tamaño siga disminuyendo y sus posibilidades se expandan, no haya una parte de nuestra vida que no sea mejorada por ella.
Hoy en día podemos vislumbrar algunas aplicaciones presentes y futuras de la nanotecnología. Desde la administración de fármacos y la agricultura, hasta la regeneración de tejidos y filtración del agua y aire. Sin embargo, no son los únicos y en los próximos años veremos cómo gana espacio e importancia en las diferentes áreas científicas y cotidianas del mundo.