Nanociencia y Nanotecnologia:Que es la Nanociencia y Sus Aplicaciones
Aplicaciones de la Nanociencia y Nanotecnologia ¿Qué es la Nanociencia?
Uno de los avances mas espectaculares llevados a cabo en Física e Ingeniería en años recientes es el experimentado por la nanotecnología: la habilidad de diseñar, controlar y modificar materiales a nivel cuasi-microscópico ó “mesoscópico”.
La nanotecnología nos promete la posibilidad —largamente soñada— de influir en las propiedades de los materiales con el fin de producir materiales “inteligentes” para todo tipo de aplicaciones.
Es ahora frecuente ver en las más prestigiosas revistas científicas reportes sobre avances en diseño de microcircuitos, microestructuras artificiales y máquinas microscópicas.
Ahora es posible el crecimiento sistemático y controlado de pequeñas estructuras artificiales compuestas de varia capas delgadas de materiales diferentes, algunas de unos pocos átomos de ancho mediante técnicas, tales como los “haces moleculares epitaxiales”.
A escala comercial, quizás la aplicación mas espectacular a la fecha es el uso de la magnetoresistencia gigante, descubierta en 1998, en las cabezas lectoras de la mayoría de los discos duros de los computadores actuales.
Estos y otros avances relacionados, han provocado un explosivo interés en el tema y el término nanotecnología se ha convertido en palabra clave de muchas propuestas de investigación en ciencia de materiales e ingeniería.
• ORÍGENES:
El 29 de diciembre de 1959, por ejemplo, el físico Richard Feynman -uno de los científicos más importantes del siglo XX- miró con determinación a si audiencia en una conferencia en el Instituto de Tecnología de California EE.UU., se aclaró la garganta y dijo:
"Hay mucho lugar allá abajo" y lanzó no uno, sino dos desafíos a los presentes en el auditorio: le daría 1.000 dólares a aquel capaz de hacer un motor más pequeño que 8 mm3 y a quien lograra escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler, es decir, reducir unas 25.000 veces un texto.
Casi sin querer (o saberlo), este premio Nobel de física había abierto las puertas de lo desconocido. Había dado a luz un nuevo campo científico, de dominio íntimos, liliputienses, vírgenes: habían nacido las nanociencias.
Richard Feynman
La electrónica había encontrado su camino en la miniaturización.
Y Feynman, todo un provocador, estaba seguro de que se podía bajar incluso unos pisos más: en teoría, nada impedía manipular conjuntos de átomos, reordenarlos con suma precisión como si fueran ladrillos 1.000 millones de veces más pequeños que un metro, un "nanómetro", o sea, el tamaño de un virus.
Y hacerlo, pese a que, como muchos comprobaron más tarde, el comportamiento de la materia cambia por debajo de un cierto tamaño.
Las leyes que rigen son distintas.
El tamaño importa: en este mundo ínfimo donde las cosas no pesan casi nada, la gravedad mucho no importa.
Fuente: Todo lo que necesitas saber sobre ciencias, Federico Kukso
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La opinión pública y la dirigencia política desconocen casi por completo el desafío de las nanotecnologias, portadoras de muchas más esperanzas y peligros que todas las tecnologías hasta hoy conocidas.
Su difusión potencial preocupa a los ciudadanos, mientras las industrias prometen el advenimiento de materiales milagrosos.
Como ya ocurrió con los organismos genéticamente modificados (OGM), el ritmo de desarrollo de sus aplicaciones es más rápido que el control de los peligros que encierran.
Qué tienen en común un neumático inteligente y una crema sol milagrosa?.
¿O una prenda de vestir isotérmica, cuyo color cambia con nuestro humor, y una pintura resistente a las manchas?.
¿O un “acero” tan liviano como el plástico y un interruptor sin cable?.
¿O las medias que no toman olor y la destrucción selectiva de una célula cancerosa? En todos los casos, se trata de aplicaciones de la nanotecnología.
Hoy se sabe cómo producir esos objetos cuyo tamaño está en el orden del millonésimo de milímetro (0,000001mm).
Constituidos por una pequeña cantidad de átomos o de moléculas, están dotados de extraordinarias características físicas, químicas o biológicas que les otorgan resistencia, flexibilidad, liviandad o capacidad de almacenamiento de información.
Esta confluencia de la materia, la electrónica y la biología se presta a aplicaciones informáticas, industriales, ambientales y médicas.
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El significado de la "nano" es una dimensión: 10 elevado a -9.
Esto es: 1 manómetro = 0,000000001 metros. Es decir, un manómetro es la mil millonésima parte de un metro, o millonésima parte de un milímetro.
También: 1 milímetro = 1.000.000 manómetros.
Una definición de nanociencia es aquella que se ocupa del estudio de los objetos cuyo tamaño es desde cientos a décimas de manómetros.
Hay varias razones por las que la Nanociencia se ha convertido en un importante campo científico con entidad propia. Una es la disponibilidad de nuevos instrumentos capaces de "ver" y "tocar" a esta escala dimensional.
A principios de los ochenta fue inventado en Suiza (IBM-Zurich) uno de los microscopios capaz de "ver" átomos.
Unos pocos años más tarde el Atomic Force Microscope fue inventado incrementando las capacidades y tipos de materiales que podían ser investigados...
En respuesta a estas nuevas posibilidades los científicos han tomado conciencia de potencial futuro de la actividad investigadora en estos campos.
La mayor parte de los países han institucionalizado iniciativas para promover la nanociencia y la nanotecnología, en sus universidades y laboratorios.
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Así, la más extendida revolución tecnológica que haya conocido la humanidad está tal vez en vías de nacer en laboratorios de Tokio, Berkeley o Grenoble.
Revolución, porque las nanotecnologias permiten eliminar la barrera entre lo real y lo virtual, entre lo vivo y lo material.
Extendida, porque la posibilidad de poner inteligencia en todas las partes de nuestro cuerpo y en nuestro medio ambiente abre perspectivas económicas infinitas, estimadas en un billón de dólares a partir de 2015.
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La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al un nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos.
En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas.
El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman
RIESGO SANITARIO
Pero esta revolución plantea una cantidad infinita de preguntas.
Los industriales, tras el escándalo del amianto y el rechazo a los OGM, tratan de desactivar las objeciones críticas mediante una concertación con algunos grupos ciudadanos.
Pero el argumento que plantea que ya vivimos en medio de nanopartículas errantes a las que se supone inofensivas—producidas por la naturaleza, la industria y los motores de vehículos— no basta para cerrar el debate sobre el peligro sanitario y, menos aun, sobre los riesgos para la libertad.
A mediados de 2006 ya se contaban 700 productos que contenían componentes nanométricos y 1.400 clases de nano partículas vendidas por unos SO productores.
A pesar de la creación de grupos de trabajo y de la organización de debates públicos en todo el mundo, el control de los riesgos —por la vía de normas, leyes y una obligación de transparencia— parece muy retrasado con respecto al ritmo de desarrollo de las aplicaciones que, por otra parte, son muchas veces desconocidas por razones de secreto industrial y, sobre todo, militar.
Se sabe, sin embargo, que su tamaño les permite a esas partículas no sólo alojarse en las vías respiratorias, sino también atravesar la piel, penetrar las células basta su núcleo, vencer membranas consideradas infranqueables o alojarse en el sistema nervioso central.
Millones de trabajadores corren el riesgo de resultar expuestos a las nanopartículas.
Ya se puede prever una acumulación en la naturaleza de “migajas” nanométricas capaces de perturbar los ecosistemas y de intoxicar al ser humano. ¿Podrá argüirse, cómo con el amianto, que no sabíamos?
LA TENTACIÓN DE FAUSTO
El riesgo para la libertad parece mucho mayor que el de la toxicidad, porque con la generalización de losnanochips se corre el riesgo de relanzar la tentación de Fausto, de crear el ser perfecto, de buen desempeño y alta resistencia.
A través del sistema de Radio Frequency Identification (RIFID) se abre la vía para vigiar a los individuos y su comportamiento.
La difusión de partículas inteligentes también puede servir para la vigilancia del medio ambiente, para la marcación antirrobo, para los sistemas de información militar o para la acción de los terroristas, de sectas y de “Estados canallas”.
Como con los OGM, que se imponen a pesar de las dudas y de las moratorias locales, las nanociencias llaman a la construcción de un sistema de responsabilidades entre quien toma las decisiones políticas, el científico, el industrial y el ciudadano.
Confirman que un Estado no puede —suponiendo que quiera hacerlo— adoptar por sí solo el principio de la protección máxima, sin correr el riesgo de ver que los demás acaparen patentes y mercados.
Se plantea así la cuestión del crecimiento de las desigualdades ente quienes dominan esta arma económica suprema y quienes no pueden hacerlo.
A CORTO PLAZO:
Nanotecnología purificadera:
El 73 por ciento del agua que hay en el mundo es salada, y el 2,7 por ciento del agua dulce que puede servir para consumo humano está contaminado por fuentes industriales.
Una solución podría llegar de parte de un proyecto que llevan a cabo el Instituto Politécnico Nacional de México, la Pontificia Universidad Javeriana de Colombia, e instituciones de Francia y España, que comenzaron a usar una tecnología que combina biotecnología y nanotecnología, para purificar aguas, incluyendo a las industriales.
El sistema se basa en nanopartículas de óxido de titanio que se colocan sobre superficies de vidrio o de cristal y después se someten a altas temperaturas para que se adhieran.
Es en presencia de luz solar o ultravioleta que se producen especies oxidantes que degradan el material orgánico en el agua contaminada.
Una prueba indica que, aplicada a un lote de 800 mililitros de agua con 1,5 gramo de nanopartículas de óxido de titanio, se removió la totalidad de los compuestos tóxicos.»
Detección Rápida del Cáncer:
Pruebas de cáncer más rápidas Científicos estadounidenses han usado con éxitonanosensores para detectar exitosamente cáncer en la sangre de los pacientes.
La prueba más reciente puede detectar concentraciones mínimas de marcadores biológicos, en el orden de una millonésima parte de gramo por mililitro, el equivalente a ser capaz de detectar un grano de sal disuelto en una piscina grande.
En vez de tener que esperar varios días los resultados del laboratorio, la prueba ofrece una lectura en minutos.
LA ESTRELLA DEL SIGLO XXI: EL GRAFENO:
Un nuevo material de ficción (un nanomaterial), 200 veces mas resistente que el acero, pero flexible, impermeable y conductor de la electricidad.
En este material los átomos están dispuestos en hojas tridimensionales: el grafeno es ultrafino -sus átomos de carbono se agrupan siguiendo un modelo parecido a un panal de abejas-, transparente, flexible, impermeable, presenta una elevada conductividad eléctrica y, encima, es doscientas veces más resistente que el acero.
"Con solo apretar un botón en un paquete de galletitas, sabremos sus ingredientes y calorías", asegura el belga Jan Genoe del Instituto Imec de Nanoelectrónica de Lovaina.
"En unos años, veremos pantallas de este material en todas partes."
Con el grafeno, los celulares podrían volverse casi tan delgados y flexibles como el papel y prácticamente indestructibles.
También podría abrir el camino a las placas solares flexibles: los metales convencionales absorben la luz.
Por el contrario, el grafeno, incorporado en un panel solar, facilitará el aporte de energía a numerosos dispositivos.
Y hay más: "el papel electrónico enrollable -asegura uno de los descubridores del grafeno, Kostya Novoselov- podría estar disponible en 2015".
LOS FULLERENOS, Historia
Hasta 1985 se pensó que el elemento más estudiado por el hombre, el carbono, sólo podía existir, en estado puro, en forma de diamante -sustancia de gran dureza que no conduce la electricidad- y de grafito -material bastante blando y buen conductor de la electricidad-
Ese año, motivados por el descubrimiento de nuevos compuestos del carbono realizado en el espacio exterior, el químico británico Harold W. Kroto (1939- ) y los estadounidenses Robert F. Curl (1933-) y Richard E. Smalley (1943-) estudiaron el agregado de pequeños grupos de átomos de carbono llamados clusters.
Estos científicos observaron que se producía un agregado con un número máximo de 60 átomos de carbono y trataron de determinar su estructura espacial.
Luego de varios intentos para encontrar una estructura formada sólo por hexágonos la forma más común que adopta el carbono), se convencieron de que la única disposición posible era la de una pelota de fútbol, constituida por 20 hexágonos y 12 pentágonos.
Esta nueva forma natural del carbono se conoce con el nombre de futboleno, o también buckminsterfullereno debido a la similitud estructural con las formas geométricas de las cúpulas geodésicas inventadas por el arquitecto estadounidense Richard Buckminster Fuller 1895-1983).
El trabajo de estos científicos fue arduo: durante cinco años buscaron un método que permitiera crear cantidades visibles de futboleno.
Sabían que la sustancia se producía en forma natural durante la combustión del carbón, pero cuando juntaban hollín en benceno, éste se depositaba en el fondo y no se obtenía el compuesto amarillo tan buscado.
En mayo de 1990, mientras estudiaba el polvo interestelar, el físico Wolfgang Krátschmer y sus colaboradores evaporaron una barra de grafito calentándola con una corriente de helio y observaron que en el hollín había una sustancia diferente.
Años más tarde y luego de varios estudios, Krátschmer mezcló unas gotas de benceno con este hollín, y el solvente incoloro se volvió rojo. Varios estudios posteriores permitieron concluir que se trataba de una solución concentrada de fullerenos.
¡El futboleno es amarillo cuando forma una película, y rojo, cuando está en solución!
Curl y Smalley continuaron con el estudio de estas sustancias, hasta que en 1996 recibieron el premio Nobel de Química.
Tal como es común en la historia de las ciencias, a partir de este descubrimiento se abrieron nuevos campos para la investigación en terrenos muy alejados de los objetivos iniciales de los científicos.
Se han descubierto nuevos fullerenos de 60 y 70 átomos de carbono, y algunos de ellos tienen utilidad como superconductores a bajas temperaturas cuando se incorporan otros elementos a su estructura.
Finalmente, se comprobó que el futboleno es biológicamente activo y podría llegar a emplearse en la lucha contra el cáncer.
Fuente: Investigación y Ciencia, N° 183, diciembre de 1991.
LA NANOCIENCIA SE INSPIRA EN LA NATURALEZA:
Los científicos se inspiran en la naturaleza, tratando de imitar propiedades a nanoescalas que tienen algunas plantas y animales y que podrían utilizarse para fabricar nuevos materiales utilizando esas misma propiedades, por ejemplo las que siguen abajo:
• ►CRONOLOGÍA:
1959 El físico Richard Feynman advirtió en una conferencia en el Instituto Tecnológico de California: "A mi modo de ver, los principios de la física no se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo por átomo".
1980 Se estrenó la película Viaje fantástico, basada en el libro de Isaac Asimov, con Raquel Welch. Cuenta la travesía de un grupo de científicos que reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar el tumor que lo está matando.
1970 Se diseñó la primera nanoestructura: un liposoma.
1974 El japonés Norio Taniguchi utilizó por primera vez la palabra "nanotecnología" en un paper.
1981 El físico suizo Heinrich Rohrer y el alemán Gerd Binnig desarrollaron el microscopio de efecto túnel, que permite manipular átomos.
1985 El químico inglés Harold Kroto descubrió los fulerenos, macromoléculas de carbono individuales utilizadas para hacer nanotubos.
1989 Investigadores del Almadén Research Center de IBM manipularon con precisión 35 átomos de xenón para formar el logo de la empresa de informática. 1999 Aparecieron en el mercado los primeros productos con nanotecnología. 2002 Michael Crichton publicó Presa, un tecnothriiler en el que unos nanobots inteligentes escapan al control humano y se convierten en entes autónomos, autorreplicantes y peligrosos.
2010 Se creó un nanobot capaz de mover átomos y moléculas.
2012 Se desarrolló un método en impresoras 3D para la fabricación de es culturas con estructuras tan pequeñas como un grano de arena.
• MAS EN INTERNET:
> Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS): www.cnrs.fr
> Portal creado por iniciativa del Ministerio Delegado para la Investigación y las Nuevas Tecnologías: www.nanomicro.recherche.gouv.fr
> Action Group on Erosion, Technology and Concentration: www.etcgroup.org/en
VivAgora, plataforma de protección, información y diálogo por una participación ciudadana en las decisiones científicas y técnicas:www.vivagora.org
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