Física y Tecnología

1

NANOTECNOLOGÍA

Ronald Torres Escuela de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones

Universidad Técnica Particular de Loja Telef cell: 081867302, email: rhtorres@utpl.edu.ec

RESUMEN: El propósito de este artículo es

mostrar y dar a conocer que es y cuáles son las aplicaciones de la denominada “nanotecnología” ciencia que va mucho más allá de lo que el ojo humano puede percibir, puesto que trabaja con lo “infinitamente pequeño” de la ciencia tal como la conocemos. La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la “nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares.

PALABRAS CLAVE: Definición e Historia,

Inversión, Características, Nanotecnología Avanzada, Futuras Aplicaciones, Riesgos Potenciales.

1 INTRODUCCIÓN

Figura 1. Louis Pasteur

Fue el químico y microbiólogo francés Louis Pasteur quien dijo “el rol de lo infinitamente pequeño es infinitamente grande”, y no estaba equivocado en lo absoluto. Si bien es cierto que su dicho se refería a bacterias y otros microorganismos, en la actualidad se vuelve cada vez más profético al encontrarnos con el vertiginoso reino de la nanotecnología.

Los científicos definen a la nanotecnología como el estudio del control de la materia a un nivel atómico o molecular. Y si bien puede sonar más a magia que a ciencia, resulta ser exactamente lo que hacen. En la última década los estudios y aplicaciones prácticas en

este campo han crecido exponencialmente, así como su uso en ficciones futuristas de cine y televisión, que suelen retratar el tema de forma poco seria o fantástica. Aunque el reino de la nanotecnología todavía esté en pañales, lo cierto es que tanto unos como otros apuntan hacia la promesa de un futuro en el que la humanidad poseerá un control total de todo lo que nos rodea.

Una de las características fundamentales de los seres humanos es su capacidad para desarrollar técnicas que los ayuden a alterar y modificar el medio en el que viven, para adaptarlo a sus necesidades. Esto es lo que conocemos con el nombre de tecnología. Todo lo que construimos, incluidas las herramientas que utilizamos, sirven en mayor o menor medida para cumplir esa función. Las grandes revoluciones tecnológicas, como la industrial iniciada en siglos anteriores, o la reciente en el área de la informática y las telecomunicaciones, siempre han supuesto un cambio radical que afecta nuestras vidas, mejorándolas y haciéndolas más confortables.

Y cada una de ellas fue precedida por avances en los conocimientos que poseemos sobre el mundo, tal como ha sucedido durante estas últimas décadas en el estudio de los átomos y las moléculas, lo que nos ha dado un entendimiento bastante profundo sobre la materia. La nanotecnología no es más que la aplicación de los conocimientos científicos que poseemos sobre estos pequeñísimos ladrillos universales con el fin de generar técnicas específicas que nos sirvan para reordenar estos átomos y moléculas de la manera que queramos.

Si bien la descripción es simple, la revolución que está en el horizonte posiblemente haga que el impacto que tuvo Internet en nuestras vidas parezca pequeño. Con la habilidad de crear tecnologías que actúen a un nivel atómico, nuestra capacidad para alterar el medio en el que vivimos y adaptarlo a nuestras necesidades se vuelve virtualmente infinita. Llegar al fondo para tocar el cielo.

Hablamos de átomos y de moléculas, los cuales, se sabe, son muy pequeños, pero quizá no quedan en claro los pequeñísimos tamaños a los que nos estamos refiriendo. El umbral de lo que consideramos nanotecnología se encuentra entre 1 y 100 nanómetros (abreviado, nm), que va muchísimo más allá de lo que

Física y Tecnología

2

es capaz de percibir el ojo humano. En términos concretos: 1 metro equivale a 1.000.000.000 (mil millones) de nanómetros; haciendo una comparación, podemos decir que la diferencia entre un metro y un nanómetro es la misma que entre una pelota de golf y la Tierra.

Una de las características más sobresalientes es que al reducir la escala a esos tamaños muchos fenómenos físicos y químicos que no tienen impacto a niveles mayores se vuelven muy pronunciados. La mecánica clásica de Newton, que tanto sirve a tamaños normales, resulta inútil al nivel nano; en contraposición, la extraña mecánica cuántica toma un papel importante para explicar qué es lo que sucede. Las fluctuaciones de temperatura son importantes, y el movimiento browniano es ubicuo y persistente, lo que significa que todo se está moviendo de forma aleatoria, colisionando una y otra vez.

Para traducir un poco lo anterior al español, las cualidades que damos por sentadas en un material a nivel macro –y por extensión, sus interacciones– suelen ser distintas al nivel nano. Materiales que son opacos normalmente se vuelven transparentes a escalas tan pequeñas, o adquieren características llamativas, tales como súper elasticidad o súperconductividad. La variación es tal, que se optó por hablar de nanomecánica para diferenciar estos fenómenos. Esto abre literalmente un universo de posibilidades donde los investigadores se encuentran con nuevas sorpresas cada vez que observan.

2 DEFINICIÓN

La nanotecnología es un campo de las ciencias

aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales). Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Para hacerse una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot, más o menos un nanobot de 50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos (depende de qué esté hecho el nanobot).

Nano- es un prefijo griego que indica una medida,

no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.

La nanotecnología promete soluciones nuevas y más eficientes para los problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados por la humanidad. Las nanotecnologías 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 mil millonésima parte de un metro (10 ^ (-9) metros). 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 debe a efectos cuánticos. La conductividad eléctrica, el calor, la resistencia, la elasticidad, la reactividad, entre otras propiedades, se comporta 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.

Figura 2. Nanotecnología

3 HISTORIA

El ganador del premio Nobel de Física (1965), Richard Feynman fue el primero en hacer referencia a las posibilidades de la nanociencia y la nanotecnología en el célebre discurso que dio en el Caltech (Instituto Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959 titulado Abajo hay espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom).

Otro hombre de esta área fue Eric Drexler quien predijo que la nanotecnología podría usarse para solucionar muchos de los problemas de la humanidad, pero también podría generar armas poderosísimas. Creador del Foresight Institute y autor de libros como Máquinas de la Creación Engines of Creation muchas de sus predicciones iniciales no se cumplieron, y sus ideas parecen exageradas en la opinion de otros expertos, como Richard Smalley. Pero estos conocimientos fueron más allá ya que

Física y Tecnología

3

con esto se pudo modificar la estructura de las moléculas como es el caso de los polímeros o plásticos que hoy en día los encontramos en todos nuestros hogares y que sin ellos no podríamos vivir. Pero hay que decir que este tipo de moléculas se les puede considerar “grandes”...

Con todos estos avances el hombre tuvo una gran fascinación por seguir investigando más acerca de estas moléculas, ya no en el ámbito de materiales inertes, sino en la búsqueda de moléculas orgánicas que se encontrarán en nuestro organismo. No fue sino hasta principios de la década de los cincuenta cuando Watson y Crick propusieron que el DNA era la molécula principal que jugaba un papel clave en la regulación de todos los procesos del organismo y de aquí se tomó la importancia de las moléculas como determinantes en los procesos de la vida.

Hoy en día la medicina se le da más interés a la investigación en el mundo microscópico ya que en este se encuentran posiblemente las alteraciones estructurales que provocan la enfermedad, y no hay que decir de las ramas de la medicina que han salido mas beneficiadas como es la microbiología. Inmunología, fisiología, en fin casi todas las ramas de la medicina. Con todos estos avances han surgido también nuevas ciencias como es la ingeniería genética que hoy en día todos han oído escuchar acerca de las repercusiones que puede traer la humanidad como es la clonación o la mejora de especies. Entre estas ciencias también se encuentra otras no muy conocidas como es la nanotecnología, a la cual se le puede definir como aquella que se dedica a la fabricación de la tecnología en miniatura. La nanotecnología, a diferencia de la ingeniería genética, todavía no esta en pasos de desarrollo; Se le puede considerar como “ una ciencia teórica” ya que todavía no se le ha llevado a la practica ya que aún no es viable, pero las repercusiones que acarreara para el futuro son inmensas.

4 INVERSIÓN

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 “nano presupuestos”. Pero el interés crece, ya que ha habido algunos congresos sobre el tema: en Sevilla, en la Fundación San Telmo, sobre oportunidades de inversión, y en Madrid, con una reunión entre responsables de centros de nanotecnología de Francia, Alemania y Reino Unido en la Universidad Autónoma de Madrid

5 CARACTERÍSTICAS

Figura 3. Nanotecnología en la Medicina

La característica fundamental de la nanotecnología es que constituye un ensamblaje interdisciplinar de varios campos de las ciencias naturales que están altamente especializados. Por tanto, los físicos juegan un importante rol no sólo en la construcción del microscopio usado para investigar tales fenómenos sino también sobre todas las leyes de la mecánica cuántica. Alcanzar la estructura del material deseado y las configuraciones de ciertos átomos hacen jugar a la química un papel importante. En medicina, el desarrollo específico dirigido a nanopartículas promete ayuda al tratamiento de ciertas enfermedades.

Aquí, la ciencia ha alcanzado un punto en el que las fronteras que separan las diferentes disciplinas han empezado a diluirse, y es precisamente por esa razón por la que la nanotecnología también se refiere a ser una tecnología convergente. Una posible lista de ciencias involucradas sería la siguiente:

Química (Moleculares y computacional)

Física y Tecnología

4

Bioquímica

Biología Molecular

Física

Electrónica

Informática

Matemáticas

Nos hemos centrado aquí en unos pocos productos en los que la nanotecnología es ya una realidad. Sin embargo, las aplicaciones a medio y largo plazo son infinitas.

6 NANOTECNOLOGÍA AVANZADA

Figura 4. Nanotecnología Avanzada

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 (compuesto por carbono, principalmente) de la mina del lápiz podemos hacer diamantes (carbono puro cristalizado). 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 sofisticadas 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.

7 FUTURAS APLICACIONES

Figura 5. Futuras Aplicaciones

Según informes de Investigadores de reconocidas Universidades, las catorce aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología son:

Almacenamiento, producción y conversión de energía.

Armamento y sistemas de defensa.

Producción Agrícola

Tratamiento y remediación de aguas.

Diagnostico y cribaje de enfermedades.

Sistemas de administración de fármacos.

Procesamiento de alimentos.

Remediación de la contaminación atmosférica.

Construcción.

Monitorización de la salud.

Física y Tecnología

5

Detección y control de Plagas.

Control de desnutrición en lugares pobres.

Informática.

Alimentos transgénicos.

. Los campos que están experimentando contínuos avances son:

Energias alternativas, energía del hidrógeno, pilas (células) de combustible, dispositivos de ahorro energético.

Administración de medicamentos, especialmente para combatir el cáncer y otras enfermedades.

Computación cuántica, semiconductores, nuevos chips.

Seguridad. Microsensores de altas prestaciones. Industria militar.

Aplicaciones industriales muy diversas: tejidos, deportes, materiales, automóviles, cosméticos, pinturas, construcción, envasados alimentos, pantallas planas...

Contaminación medioambiental.

Prestaciones aeroespacioles: nuevos materiales, etc.

Fabricación molecular.

8 RIESGOS POTENCIALES 8.1 SUSTANCIAS VISCOSAS

Recientemente, un nuevo estudio ha mostrado

como este peligro de la “sustancia viscosa gris” es menos probable que ocurra de como originalmente se pensaba. K. Eric Drexler considera un escenario accidental con sustancia viscosa gris improbable y así lo declara en las últimas ediciones de Engines of Creation. El escenario sustancia viscosa gris clamaba la Tree Sap Answer: ¿Qué oportunidades existen de que un coche pudiera ser mutado a un coche salvaje, salir fuera de la carretera y vivir en el bosque solo de savia de árbol?. Sin embargo, se han identificado otros riesgos mayores a largo plazo para la sociedad y el entorno. Una variante de esto es la “Sustancia viscosa verde”, un escenario en que la nanobiotecnología crea una máquina nanométrica que se autoreplica que consume todas las partículas orgánicas, vivas o muertas, creando un cieno -como una masa orgánica

muerta. En ambos casos, sin embargo, sería limitado por el mismo mecanismo que limita todas las formas vivas (que generalmente ya actúan de esta manera): energía disponible.

8.2 VENENO Y TOXICIDAD

A corto plazo, los críticos de la nanotecnología

puntualizan que hay una toxicidad potencial en las nuevas clases de nanosustancias que podrían afectar de forma adversa a la estabilidad de las membranas celulares o distorsionar el sistema inmunológico cuando son inhaladas o ingeridas. Una valoración objetiva de riesgos puede sacar beneficio de la cantidad de experiencia acumulada con los materiales microscópicos bien conocidos como el hollín o las fibras de asbestos. Hay una posibilidad que las nanopartículas en agua potable pudieran ser dañinas para los humanos y otros animales. Las células de colon expuestas a partículas de dióxido de titanio se ha encontrado que se descomponen a mayor velocidad de la normal. Las nanopartículas de dióxido de titanio se usan normalmente en pantallas de sol, haciéndolas transparentes, al contrario de las grandes partículas de dióxido de titanio, que hacen a las pantallas de sol parecer blancas.

9 REFERENCIAS

[1] http://www.portalciencia.net/nanotecno/ [2] http://images.google.com.ec/images?hl=es&um=1&sa=1&

q=Louis+Pasteur&btnG=Buscar&aq=f&oq=&start=0

[3] http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/apli

caciones_nanotecnologia/nanotecnologia_aplicaciones.htm

[4] http://urbanres.blogspot.com/2009/01/nanotecnologia-

definicion-y.html

[5] http://images.google.com.ec/images?gbv=2&hl=es&sa=1&q=nanotecnologia+Avanzada&btnG=Buscar&aq=f&oq=&start=0

[6] http://www.redusers.com/nanotecnologia

[7] http://nextwave.universia.net/salidas-

profesionales/nano/index.htm