Nanociencia y sus aplicaciones

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Universidad de Chile Vicerrectoría de Asuntos Académicos Programa Académico Bachillerato NANOCIENCIA Y SUS APLICACIONES

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Universidad de Chile Vicerrectoría de Asuntos Académicos Programa Académico BachilleratoNANOCIENCIA Y SUS APLICACIONESAutor:Álvaro Etcheverry BerríosProfesor guía: Nicolás Yutronic Sáez ÍNDICE1. Resumen 2. Introducción 3. Propiedades de las nanopartículas i. ii. iii. iv. v. i. ii. iii. i. ii. iii. Efecto de confinamiento cuántico Efecto túnel Propiedades ópticas Propiedades eléctricas Propiedades magnéticas Generalidades Métodos químicos Métodos físicos Aplicaciones en medicina Aplica

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Universidad de ChileVicerrectoría de Asuntos AcadémicosPrograma Académico Bachillerato

NANOCIENCIA

Y SUS

APLICACIONES

Autor: Álvaro Etcheverry Berríos

Page 2: Nanociencia y sus aplicaciones

Profesor guía: Nicolás Yutronic Sáez

ÍNDICE

1. Resumen 3

2. Introducción 3

3. Propiedades de las nanopartículas 4

i. Efecto de confinamiento cuántico 5

ii. Efecto túnel 5

iii. Propiedades ópticas 6

iv. Propiedades eléctricas 6

v. Propiedades magnéticas 7

4. Síntesis de nanopartículas 8

i. Generalidades 8

ii. Métodos químicos 8

iii. Métodos físicos 8

5. Aplicaciones de la nanotecnología 9

i. Aplicaciones en medicina 9

ii. Aplicaciones en ciencia y tecnología 10

iii. Aplicaciones en materiales 10

6. Productos nanotecnológicos en el mercado 12

7. Conclusiones 13

8. Bibliografía 14

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RESUMEN

Muchas son las revoluciones tecnológicas que han cambiado radicalmente las condiciones de la

vida humana. La invención de la agricultura en los albores de la civilización trajo consigo un

aumento en la productividad resolviendo los cambios demográficos y sociales que marcaron un

antes y después. Posteriormente, la revolución industrial trajo consigo la aparición de nuevas

técnicas, fuentes de energía, innovaciones en medios de transportes y maquinarias, etc. Cuando

ya parecía que el hombre había explorado toda la ciencia y que no quedaba prácticamente nada

por descubrir, aparece un mundo que hasta ese entonces se encontraba oculto: el átomo. Fue a

principios del siglo XX cuando el ser humano fijó su atención en este mundo que no podía ver y

que resultaba fascinante en cuanto a sus propiedades tan particulares y a las leyes que lo

gobernaban. Muchos años de tuvieron que pasar para poder modelar una pequeña parte de las

leyes que rigen a estos sistemas y su comportamiento en la formación de nuevos materiales.

Después de un gran desarrollo en el tiempo en ese ámbito surge una nueva posibilidad: la

manipulación de estructuras de tan sólo una pequeña cantidad de átomos que abre nuevas

expectativas y desafíos: la nanociencia y la nanotecnología prometen ser la nueva revolución

tecnológica del siglo XXI.

INTRODUCCIÓN

La nanociencia se define como aquel estudio que se realiza sobre agregados moleculares cuyo

tamaño varía entre 1 y 100 nanómetros1, y la nanotecnología es el conjunto de técnicas que

permiten llevar los conocimientos de la nanociencia al campo práctico mejorando la calidad de

vida de las personas y aportando en campos de conocimiento tan variados como por ejemplo la

medicina o la computación.

Se tienen indicios arqueológicos que apuntan a que los romanos ya

fabricaban objetos con aplicaciones nanotecnológicas, un ejemplo

puntual de esto es la copa de Licurgo que data del siglo IV d.C. y

que presenta la increíble propiedad de cambiar de un tono verde a un

3Figura 1 Copa de Licurgo

Ref. imagen: britishmuseum.org

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tono rojo dependiendo si se ilumina desde afuera o desde adentro, esto gracias a la inclusión de

nanopartículas de oro y plata2.

Sin embargo, la nanociencia como tal nace de la mano del Premio

Nóbel de Física (1965), Richard Feynman quien fue el primero en

hacer referencia a las posibilidades que surgían del estudio y

aplicaciones de la nanociencia en su discurso titulado “En el fondo

hay espacio de sobra” (There’s Plenty of Room at the Bottom)3. En

este visionario discurso, Feynman propone que no existen leyes físicas

que impidan la manipulación a escala atómica, sólo que la humanidad

no posee las herramientas ni técnicas que le permitan llevar a cabo tal

empresa.

Ya, hacia los años 80 es cuando el sueño de Richard Feynman comenzó a rendir frutos, con la

creación de los primeros microscopios túnel de barrido (STM, por sus siglas en inglés), estos

microscopios emplean una punta extremadamente afilada hecha de un material conductor que va

recorriendo la superficie del material a una distancia muy corta sin llegar a tocarlo, debido a un

efecto físico, circula electricidad por el vacío entre el material y la punta, un software analiza las

diferencias de corriente producidas y genera imágenes de alta resolución de estructuras atómicas4.

Actualmente, la nanociencia es una ciencia multidisciplinar, donde confluyen conocimientos

provenientes de la química, física, biología, por sólo nombrar algunas, y las posibilidades que

ofrece van más allá de nuestra imaginación.

PROPIEDADES DE LAS NANOPARTÍCULAS

Son las propiedades de las nanopartículas, las que le dan a la nanotecnología su incomparable

valor. Éstas han sido objeto de incontables investigaciones, debido a lo extraordinarias y

atrayentes que son sus propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas5. Por otro lado a esta escala

nanoscópica se observan sorprendentes efectos con numerosas aplicaciones a la nanotecnología.

4

Figura 2 Richard P. FeynmanRef. imagen: nobelprize.org

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Efecto de confinamiento cuántico:

De acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, se supone que al restringir el

movimiento de una partícula a un solo eje, en una distancia ∆x, la incertidumbre generada en su

momentum viene dada por:

Donde ħ es la constante reducida de Planck (1.05457×10-34 J•s). Además, si la partícula posee una

masa m, y es libre, el confinamiento en la dirección x adiciona una energía cinética según:

Esta energía será considerable si es mayor que la energía cinética térmica de la partícula debido a

su movimiento en el eje x, descrita por la siguiente condición:

Donde kB es la constante de Boltzmann (1.38007×10-23 J/K), y T es la temperatura en grados

Kelvin. Los efectos del confinamiento cuántico serán importantes si:

Lo que equivale a decir que ∆x debe ser del orden de magnitud que la longitud de onda de De

Broglie. Esta condición de un ∆x tan pequeño se cumple a escala nanométrica, haciendo que las

propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas dependan tanto del tamaño de las partículas como

de su forma, más allá de su composición6.

Efecto túnel:

En una escala tan pequeña como las nanopartículas, las partículas muestran tener un

comportamiento ondular, la mecánica cuántica puede explicar cómo una partícula puede superar

una barrera de energía potencial, a pesar de que la energía cinética de la partícula sea menor. El

movimiento de esta partícula a través de esta barrera recibe el nombre de “efecto túnel” 7. La

mecánica clásica determina que sería imposible para una partícula con las características descritas

anteriormente atravesar una barrera de este tipo, sin embargo, el hecho de que se haya observado

5

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experimentalmente que esto si sucede resulta ser una prueba adicional de la validez de la física

cuántica. Existen numerosas aplicaciones del efecto túnel, entre ellas, los microscopios túnel de

barrido (los cuales son descritos posteriormente en este ensayo).

Propiedades ópticas:

Un fenómeno digno de estudio es el que le sucede a la luz, cuando es irradiada sobre una

superficie. Bien es sabido que algunos materiales, especialmente los metales, poseen un brillo y

un color característicos, esto se debe a que la forma en que la luz es reflejada depende

directamente de la frecuencia con la que se mueven los electrones dentro de una lámina metálica.

Podemos visualizar una lámina metálica como un cristal tridimensional de iones positivos

rodeados por una nube de electrones deslocalizados (modelo de Drude), de acuerdo con esto, la

luz es reflejada cuando la frecuencia es inferior a la frecuencia con la que se mueve este “gas de

electrones”, debido a que los electrones apantallan el campo eléctrico incidente. Sin embargo,

cuando la frecuencia de la luz irradiada es mayor que la frecuencia de movimiento de los

electrones, estos no pueden apantallarla por lo que la luz es transmitida en forma de “plasmones”.

Un plasmón corresponde a un cuanto de oscilación del plasma (en este caso de electrones), la

incidencia de un fotón de mayor frecuencia que la frecuencia del plasma, permite que los

electrones “atrapen” este fotón y logren transmitirlo como plasmón8. Las nanopartículas poseen

un coeficiente de extinción bastante alto, lo que permite que la excitación y manipulación de

plasmones sea posible con bajas energías de incidencia9. La creación de arreglos estructurales que

permitan la transmisión de la luz a través de plasmones permitirá en el futuro crear chips

computacionales que funcionen a la velocidad de la luz y de tamaños reducidos.

Propiedades eléctricas:

La conductividad eléctrica de los metales puede ser descrita como la dispersión de un gran

número de electrones, mientras que la resistividad total (ρT) del metal es representada por la regla

de Matthiessen:

Donde ρTh representa la resistividad térmica (que aumenta con la temperatura) y ρD la resistividad

producida por los defectos en las estructura (presencia de impurezas, huecos e imperfecciones en

la estructura del material). La reducción del tamaño de la estructura a unos cuantos nanómetros

6

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produce dos efectos: una reducción en el tamaño de la estructura que se traduce en una

disminución de los defectos presentes en ella y con ello, un descenso en la resistividad provocada

por los defectos de la misma; por otro lado, la disminución en el tamaño de la estructura produce

un aumento en la dispersión de los electrones en la superficie, aumentando notablemente la

resistividad del material, esto explica que en las nanoestructuras la conductividad eléctrica

disminuya considerablemente. Por otro lado, la disminución en los tamaños de las estructuras por

debajo de un tamaño crítico (unos pocos nanómetros), se traduce en un cambio de la estructura

electrónica, llevando a la aparición de bandas energéticas más separadas y discretas, en

comparación con las presentes en un cúmulo de partículas de tamaño superior10.

Propiedades magnéticas:

Al someter un cúmulo de partículas a un campo magnético lo suficientemente fuerte provoca que

el spin de los electrones en su interior se alinee con este campo magnético. Es de esperarse que en

estructuras que contienen grandes cantidades de átomos desordenados la alineación de los

electrones no sea de un 100%, sin embargo, a escalas nanométricas esto si es posible debido a la

pequeña cantidad de átomos involucrados y al alto orden que poseen sus estructuras. Una vez que

el campo magnético empieza a disminuir, el spin vuelve a su dirección previa, no obstante, en

materiales ferromagnéticos permanece un momento magnético residual11. A nivel de las

nanopartículas se observan principalmente dos fenómenos magnéticos importantes: por un lado,

la enorme cantidad de átomos que se encuentran en la superficie que presentan una simetría local

distinta, lo que conlleva a una anisotropía magnética de distinto valor que el volumen; y, la

estructura del espectro de energía electrónica está caracterizado por una mayor separación entre

los niveles de energía. Además la composición electrónica de las nanopartículas puede ser

modificada de acuerdo a la molécula estabilizadora en la cual se encuentra, de esta manera se

pueden obtener nanopartículas magnéticas provenientes de metales diamagnéticos incluso a

temperatura ambiente12. Una curiosa aplicación del magnetismo de las nanopartículas es la de los

llamados “ferrofluidos”, fluidos coloidales que presentan propiedades magnéticas gracias a la

presencia de nanopartículas paramagnéticas13 14.

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SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS

Generalidades:

La síntesis de nanopartículas se lleva a cabo a partir de dos técnicas totalmente opuestas: las

llamadas “técnicas descendentes” (top-down), en las que se va reduciendo el tamaño de las

partículas hasta alcanzar una escala nanométrica, y las llamadas “técnicas ascendentes” (bottom-

up), en las a partir de átomos individuales en solución se van formando ensambles cuyos tamaños

son controlables con precisión15. Por otro lado, el conjunto de técnicas a utilizar puede dividirse

en dos, de acuerdo a los métodos utilizados: mediante métodos químicos, que implican la

reducción o precipitación de metales en presencia de agentes estabilizantes; o, mediante métodos

físicos tales como: Termólisis, Sonoquímica y Fotoquímica16.

Métodos químicos:

En la síntesis química el mecanismo de producción se basa en la reducción de la sal metálica a

los átomos metálicos correspondientes, posteriormente estos átomos actúan como centros de

nucleación dando lugar a la formación de racimos atómicos, finalmente estos racimos son

envueltos por moléculas estabilizantes que impiden que los átomos se sigan aglomerando. Dentro

de los beneficios que trae la síntesis química están la reproducibilidad, la disponibilidad de

reactivos y los bajos costos de producción; por otro lado, estos métodos requieren de largos

tiempos de preparación y condiciones experimentales especiales17 18 19 20.

Métodos físicos:

Como ya se mencionó anteriormente, la síntesis física de nanopartículas puede llevarse a cabo

por diversos métodos. La síntesis física de nanopartículas mediante “termólisis”21 se caracteriza

por someter a los precursores metálicos22 (generalmente compuestos organometálicos en estado

de oxidación cero) a altas temperaturas en conjunto con un compuesto estabilizante, las

nanopartículas muestran un incremento de tamaño relacionado con el aumento de temperatura.

Esto se debe a la eliminación de las moléculas estabilizantes, lo que genera una mayor agregación

de las partículas23. La síntesis mediante la utilización de ultrasonido recibe el nombre de

“sonoquímica”, en esta técnica se reducen las sales metálicas correspondientes, y mediante la

utilización de ultrasonido de alta frecuencia, las nanopartículas sintetizadas son dispersadas en

una matriz polimérica24 25. Finalmente, otro método físico ampliamente usado es el de la

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“fotoquímica”, técnica muy parecida al de la sonoquímica, con la diferencia de que se utilizan

pulsos lumínicos (radiación UV-rojo cercano) para la síntesis y dispersión de nanopartículas26 27.

APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA

Las propiedades que presentan las nanopartículas y los grandes avances hechos por la

nanotecnología en los últimos años han traído una revolución tecnológica a numerosas ramas de

conocimiento que nos prometen mejorar sustancialmente nuestra calidad de vida.

Aplicaciones en la medicina

Las aplicaciones de la nanotecnología han hecho posibles grandes avances en medicina, el

diagnóstico, tratamiento, monitoreo y el control de sistemas biológicos utilizando nanopartículas

ha abierto un campo nuevo y fascinante denominado “nanomedicina”.

El uso de los llamados “puntos cuánticos”, nanocristales semiconductores que emiten luz a

diferentes longitudes de onda, de acuerdo al estímulo excitatorio que reciban, permiten realizar

diagnósticos in-vitro, siendo utilizados como marcadores biológicos de la actividad celular

altamente selectivos. Un ejemplo de esto es la utilización de puntos cuánticos para la temprana

detección de la enfermedad de Alzheimer mediante la detección de un ligando específico.

También se pueden utilizar nanopartículas como medios de contraste para obtener mejores

imágenes en resonancias magnéticas, rayos X y ultrasonidos28.

La nanotecnología permite también la elaboración de nanoestructuras que permiten liberar

fármacos en lugares específicos, aumentando así la eficacia del tratamiento. Por ejemplo, un

fármaco contra el cáncer puede ser “encerrado” en una de estas nanoestructuras, ser guiado por

medio de imanes hasta el lugar donde debe actuar y luego de unirse a un sitio específico de

membrana liberar el fármaco directamente en la célula blanco. Esto además de reducir la cantidad

de fármaco utilizado, disminuye considerablemente los efectos adversos de la quimioterapia al

reducir la cantidad de fármaco que debe ser administrado. Incluso se están realizando estudios

que prometen que en un futuro cercano se podrían utilizar nanoestructuras para la inserción de

genes para una terapia génica.

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Sin embargo, no todo es felicidad en la aplicación de la nanomedicina, existen reportes de

tratamientos usando nanotecnología que genera una alta toxicidad en las células normales,

induciendo apoptosis y generando mutaciones. Por ejemplo, dentro de los puntos cuánticos más

utilizados están los de CdSe, los que al ser expuestos a radiación UV, generan iones de cadmio

altamente tóxicos para las células. También han sido registrados casos en que las nanoestructuras

desestabilizan las membranas a donde se adhieren y gatillan la apoptosis en células sanas.

Además existen casos en que la inserción de material genético en forma inadecuado ha generado

mutaciones a nivel celular que terminan en la necrosis del tejido que se quería reparar29.

Aplicaciones a la ciencia y tecnología

Las nuevas tecnologías basadas en la nanociencia intentan estudiar y modificar partículas a una

escala nanoscópica, para tal fin, uno de las herramientas más apreciadas es el “microscopio túnel

de barrido” (STM), el cual permite obtener imágenes amplificadas de un grupo de átomos y así

poder ordenarlos de la manera que se desee. La invención de este microscopio en el año 1981 por

Heinrich Rohrer y Gerd Binning, dos investigadores de IBM, fue el punto de partida a un grupo

de técnicas agrupadas genéricamente como “microscopía de barrido por sonda” (scanning probe

microscopy), este tipo de microscopios alcanzan resoluciones de fracciones de nanómetros y unas

amplificaciones del nivel de los 8.000.000X. Básicamente, el funcionamiento de estos

microscopios se basa en la presencia de una sonda que va recorriendo la superficie de la muestra

a una distancia de unos pocos Ángstrom, esta sonda va detectando diferentes propiedades

superficiales a lo largo del recorrido. En el caso de un STM se aplica un voltaje de corriente

directa entre una punta metálica (la sonda) y la superficie a ser analizada, gracias al efecto túnel

empieza a fluir una corriente entre la sonda y la superficie, esta corriente va a variar dependiendo

de la morfología de la muestra; sin embargo, este tipo de microscopios se ve enfrentado a dos

grandes problemas: la dificultad que reviste fabricar una aguja para la sonda del tamaño ideal, la

punta que se encuentra próxima a la superficie debe poseer un radio de curvatura del orden de los

100 a 1000Å), y la superficie de la muestra a analizar debe ser conductora o semiconductora30.

Aplicaciones en materiales

El desarrollo de nuevos materiales ha sido desde la antigüedad una necesidad para el ser humano,

con el fin de mejorar su propia calidad de vida. Dentro de éste ámbito, la nanotecnología ha sido

10

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visionaria al crear materiales que superan con creces las propiedades de los materiales que se

utilizan en la actualidad. Un ejemplo de esto son los nanotubos de carbono, consistentes en

estructuras tubulares o cilindros de hojas de grafito, estos nanotubos poseen una resistencia a la

tracción de 45×109 pascales, mientras que un hilo de acero del mismo diámetro posee una

resistencia de 2×109 pascales, su capacidad de corriente se estima en 1×109 A/cm2 mientras que

un hilo de cobre se funde ya a los 1×106 A/cm2. Gracias a estas propiedades, los nanotubos de

carbono pueden ser utilizados como “materiales de emisión de campo”, esto significa que poseen

la propiedad de emitir electrones cuando son sometidos a un intenso campo eléctrico31.

Otro aporte de la nanotecnología a la ciencia de los materiales ha sido el fullereno, una forma

alotrópica del carbono formada por 60 (o más) átomos de carbono los cuales forman una

estructura similar a una pelota de fútbol. El fullereno podría tener aplicaciones en lubricantes,

recientemente se han descubierto fascinantes propiedades al ser expuesto a la acción de luz

ultravioleta, además de que los fullerenos tienen propiedades semiconductoras a temperaturas

entre 10 y 40 K 32, lo que los convierte en un promisorio campo de investigación en el futuro.

La industria textil está siendo ampliamente beneficiada con la nanotecnología, gracias a ésta se

han creado telas con propiedades sorprendentes: altamente impermeables, resistentes a las

arrugas, antibacterianas, antiestáticas, con protección frente a la radiación UV, retardadoras de

flama, etc. Por ejemplo, se ha determinado que nanopartículas de dióxido de titanio y óxido de

zinc son mucho más eficientes al absorber y dispersar radiación UV que partículas de tamaño

convencional, esto se debería a que las nanopartículas poseen una gran área por unidad de masa o

volumen, lo que conlleva a un aumento de efectividad a la hora de dispersar radiación UV. Otro

ejemplo es el particular uso que se les da a las nanopartículas de plata como agentes

antibacterianos, esta propiedad también está relacionada con la relación área/volumen que poseen

las nanopartículas, lo que aumenta su superficie de contacto, en este caso con bacterias y hongos,

alterando el normal metabolismo celular e inhibiendo el crecimiento de colonias; por otro lado,

las nanopartículas de plata (y de TiO2), funcionan como catalizadores generando en contacto con

el oxígeno atmosférico, iones superóxido (O2-), los cuales degradan eficazmente la materia

orgánica, destruyendo el sustrato de crecimiento de bacterias y hongos33. Actualmente la empresa

Nano-Tex® posee en el mercado productos que presentan diversas propiedades otorgadas por la

inclusión de nanopartículas al interior de las fibras de la ropa.

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PRODUCTOS NANOTECNOLÓGICOS EN EL MERCADO

Actualmente la lista de productos comercializados en el mercado que son fabricados con

nanotecnología crece continuamente34. A continuación se presenta un listado con los más

destacados:

Producto Empresa Características

Antibacterial

Kitchenware

Nano Care

Technolgy, Ltd.

Utensilios de cocina con una cubierta de

nanopartículas de plata que impiden la

proliferación de bacterias sobre su superficie.

All Day Suncare SPF

30

Kara Vita Su formulación basada en nanopartículas

ofrece protección contra la radiación UV por

más de 8 hrs.

AMD® AthlonTM 64

X2 Dual-Core

Processor

AMD® Los circuitos al interior de este procesador

poseen un ancho de 90 nm.

APO-HG binocular Minox Los lentes poseen nanopartículas que repelen

el polvo, el agua y la suciedad.

Benny the Bear Plush

Toy

Pure Plushy Oso de peluche recubierto de nanopartículas de

plata que impiden la proliferación de bacterias

en su superficie.

Continental GP4000

Special (Black Chili)

Tires

Continental Neumáticos para bicicletas fabricados con

nanopartículas de carbono que otorgan mayor

resistencia y disminuyendo notoriamente su

peso.

Cotton Rain Jacket Pro-Idee GmbH &

Co. KG

Chaqueta para la lluvia hecha de algodón

incorporando nanopartículas que la hacen

100% impermeable, resistente al viento, repele

la suciedad y las arrugas.

Tabla 1: Principales productos nanotecnológicos y sus características

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CONCLUSIONES

La nanotecnología ha abierto un abismo de posibilidades hacia el futuro. Las innovaciones

tecnológicas que ofrece permiten mejorar los materiales fabricados, aumentando sus

características físicas y químicas, creando materiales más resistentes a la destrucción por agentes

externos, repelen el agua, el polvo y la suciedad, impiden el crecimiento de microorganismos

dañinos para nuestra salud, son capaces de absorber radiación UV, etc. La aplicación de la

nanotecnología a las ciencias biomédicas nos permite creer que dentro de poco tiempo,

enfermedades que hoy en día son recurrentes, sean cosa del pasado gracias a nuevas técnicas para

aplicar medicamentos, y que la medicina preventiva alcance un rol aun más preponderante

gracias a revolucionarios métodos de diagnóstico y control de variables biológicas, aumentando

con creces la calidad de vida de las personas.

Con todo, siguen existiendo consideraciones a tener frente a esta revolución tecnológica. En

muchos países aún no existe una legislación clara frente a la comercialización de productos que

contengan nanopartículas o que se hayan fabricado gracias a aplicaciones nanotecnológicas. Por

otro lado, aún queda mucho que investigar respecto al impacto ambiental que pueden tener las

nanoestructuras, su impacto en las cadenas tróficas y la forma en que alteran los ecosistemas aún

es un tema recurrente en las discusiones sobre nanotecnología.

Sin embargo, aún queda mucho camino por recorrer, existen mucho fenómenos que ocurren a

escala nanoscópica que entrañan un gran misterio para los científicos y descorrer el velo que

cubre la explicación a estos fenómenos permitirá que la manipulación de este mundo olvidado

pueda ayudar no sólo a comprender nuestro mundo, sino, que siga avanzando en el mejoramiento

de la calidad de vida de las personas.

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BIBLIOGRAFÍA

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Page 15: Nanociencia y sus aplicaciones

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