La nanotecnología, a veces
llamada indistintamente nanociencia, es el estudio de fenómenos y puesta a
punto de materiales a escala atómica. Así lo define la Comisión Europea y es
que a escala atómica o molecular la materia tiene propiedades muy diferentes.
Por eso tiene aplicaciones en la química, física, biología, medicina,
electrónica y muchos campos más.
El impacto actual y potencial en
el futuro es tan grande, como veremos en este artículo, que muchos hablan de
que por sí misma la nanotecnología podría desencadenar una revolución
industrial en el siglo XXI. Lo que sí hay es consenso en considerarla como una
de las tecnologías disruptivas que motorizan la denominada Industria 4.0 o 4ta
Revolución Industrial.
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| Richard Feynman, padre de la nanotecnología |
¿Cómo surgió la nanotecnología?
El primero en mencionar el concepto
fue Richard Feynman, ganador del
premio Nobel de Física del 1965, cuando afirmó en una conferencia en el año
1959 que “en el fondo hay espacio de
sobra”, refiriéndose a la posibilidad de manipular los átomos. Más tarde,
el primero en utilizar el término propiamente fue el japonés Norio Taniguchi en 1974. Pero quien verdaderamente la popularizó fue Eric Drexler en 1986 con su libro “Motores de la Creación: La llegada de la Era
de la Nanotecnología”.
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| Microscopio efecto túnel |
Sin lugar a dudas, el invento que
más impulsó la investigación nanocientífica fue el microscopio efecto túnel y el microscopio
de fuerza atómica, ambos en el año 1981, por investigadores del laboratorio
de IBM en Zurich, que permitían visualizar imágenes de superficies a nivel
atómico.
Pero, exactamente, ¿en qué
consiste?
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| Max Planck, padre de la Mecánica Cuántica |
La nanotecnología trabaja en una
escala pequeñísima, en la cual la unidad de medida se llama nanómetro,
equivalente a la millonésima parte de un milímetro. Por tanto, los microorganismos
tienen un tamaño de cientos de nanómetros. Por tanto, para trabajar con
nanomateriales no es suficiente trabajar con un microscopio óptico tradicional,
se necesitan instrumentos capaces de tomar imágenes de a nivel atómico y
molecular. La nanotecnología vino a demostrar y aplicar los principios de la
Mecánica Cuántica, enunciados por Max Planck en el año 1900.
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| Estructura de un fullenero o "buckyball" |
Es a partir de los 80s que inicia
la aplicación práctica de la nanociencia, primero con el descubrimiento de
nuevas formas moleculares del carbono denominadas “fullerenos” o “buckyball” en
1985 y luego los nanotubos de carbono. Desde entonces, la aplicación práctica
de la nanotecnología no ha dejado de abrirse campo en cada vez más disciplinas.
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| Nanotubo de carbono |
Y es que, en esencia, el
propósito de la nanotecnología es producir materiales que, construidos átomo por
átomo, molécula por molécula, sean más resistentes, más livianos, más
económicos, más duraderos y por qué no, hasta más inteligentes.
Según un estudio publicado por la
OCDE[1],
desde el año 1984 ha ido creciendo de manera sostenida la cantidad de patentes registradas
anualmente vinculadas a nanotecnología: de 100 en 1984, a más de 300 en 1994 y
más de 1000 para el 2002. Los campos de aplicación de las patentes registradas
entre 1984 y 2002 fueron:
- Electrónica
- Óptica
- Medición y manufactura
- Medioambiente y energía
- Nanomateriales
Aplicaciones prácticas de la nanotecnología
Después de casi 30 años de
desarrollo e investigación en materia de nanotecnología, actualmente se cuentan
con múltiples aplicaciones prácticas, muchas de las cuales son parte del día a
día de las personas sin percatarse de ello:
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| Pruebas de textiles que repelen manchas con nanotecnología |
- Textiles: Desarrollo de tejidos inteligentes capaces de repeler manchas, autolimpiarse o repeler olores. Ya hay aplicaciones de tejidos que incorporan nanochips para cambiar de color y temperatura.
- Agricultura: Tienen relación con mejoras en fertilizantes y plaguicidas, mejoramiento de suelos y utilización de nanosensores para controlar niveles de agua, nitrógeno, agroquímicos, etc.
- Ganadería: Existen aplicaciones para utilizar nanochips para identificar animales, administrar vacunas y nanosensores para detectar enfermedades y sustancias tóxicas.
- Cosmética:
Es ampliamente utilizada la nanotecnología para desarrollo de cremas
antiarrugas y cremas solares.
Esquema de cómo funcionan las cremas con nanotecnología - Electrónica: Desarrollo de componentes electrónicos que aumenten la capacidad de procesamiento de las computadoras, creación de semiconductores y circuitos basados en grafeno y nanotubos de carbono.
- Tecnologías
de la información: Desarrollo de sistemas de almacenamiento de mayor
capacidad, pantallas flexibles y transparentes, etc.
Pantallas flexibles - Industria
de alimentos: Nanosensores para determinar la frescura y vida útil de un
alimento, detección de patógenos y toxinas y desarrollo de nanoenvases que
preserven mejor los alimentos.
Alimentos empacados con nanosensores - Medicina: Con el desarrollo de nanotransportadores de fármacos a lugares específicos del cuerpo, los tratamientos serán más efectivos y económicos contra las enfermedades, así como nanosensores que detecten enfermedades o contabilicen substancias como la glucosa. Se está trabajando en el desarrollo de nanobots que puedan detectar y combatir tumores cancerígenos o reparar tejidos dañados.
- Energía: Con la nanotecnología se está mejorando la producción y almacenamiento de energía, así como la producción de nanomateriales más eficientes en la conducción eléctrica, con lo que el consumo energético puede disminuir notablemente.
- Medioambiente: Mediante aplicaciones nanotecnológicas, se desarrollan materiales no contaminantes así como revolucionarios tratamientos de aguas residuales y mecanismos de desalinización del agua de mar y descontaminación de suelos.
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| Nanobots para la medicina |
Es evidente que los campos de
aplicación de la nanotecnología son innumerables, ya que en prácticamente todos
los órdenes de la vida diaria se verán impactados. Al igual que el Internet, la
nanotecnología fue inventada hace más de 25 años y sin embargo tiene y seguirá teniendo
un rol cada vez más preponderante en la Era Digital, como una tecnología
convergente imprescindible.
Según la National Nanotechnology
Initiative, este es el resumen de la cronología de la nanotecnología hasta el
2013:
Historia
cronológica de la Nanotecnología - Resumen
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Fecha
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Acontecimiento
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1936
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Erwin Müller, en
Siemens, inventó el microscopio de emisión de campo, que hizo posible la
consecución de imágenes cercanas a resolución
atómica de los materiales.
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Los años 40
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Von Neuman estudia
la posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducencomo una
forma de reducir costes.
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1956
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Arthur von Hippel en el MIT
acuña, entre otros conceptos, el término- "ingeniería molecular".
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1958
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Jack Kilby de Texas
Instruments diseña y construye el primer circuito integrado ,
por el que posteriormente recibiría el Premio Nobel en 2000.
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1959
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Richard Feynmann habla
por primera vez en una conferencia sobre el futuro de la investigación
científica: "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".
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1966
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Se realiza la película
"Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos a
través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una partícula
y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar
el tumor que le está matando. Por primera vez en la historia, se considera
esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito.
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1974
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Norio Taniguchi de
la Universidad de Ciencias de Tokio acuña el término nanotecnología en
el marco dimensional a escala atómica
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1985
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Se descubren los
buckminsterfullerenes
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1989
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Se realiza la película
"Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta la
historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el tamaño
de las cosas utilizando láser.
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1996
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Sir Harry Kroto gana
el Premio Nobel por haber descubierto fullerenes
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1997
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Se fabrica la guitarra más
pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente de una célula roja de
sangre.
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1998
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Se logra convertir a un nanotubo
de carbón en un nanolápiz que se puede utilizar para escribir
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1999-2000
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Los productos de
consumo que hacen uso de la nanotecnología comienzan a aparecer en el mercado:
parachoques para automóviles que se resisten a las abolladuras y rallados,
pelotas de golf que vuelan rectas, raquetas de tenis que son más rígidas,
bates de béisbol con una mejor flexibilidad y "golpe", calcetines
antibacterianos de nano-plata, protectores solares transparentes, ropa sin
arrugas y resistente a las manchas, cosméticos terapéuticos de penetración
profunda, revestimientos de vidrio resistente a los arañazos, baterías de más
rápida recarga para herramientas eléctricas inalámbricas, y mejoras en las
pantallas para televisores, teléfonos celulares y cámaras digitales
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2001
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James Gimzewski entra en el
libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del
mundo.
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Principales
avances de investigación en nanotecnología y nanociencia en los últimos años
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2003
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Naomi Halas, Jennifer West,
Rebeca Drezek, y Renata Pasqualin en la Universidad Rice desarrollan unas
nanocápsulas de oro, que cuando son "sintonizadas" de tamaño para
absorber la luz infrarroja cercana, sirven de plataforma para el
descubrimiento integrado, diagnóstico y tratamiento del cáncer de mama sin
biopsias invasivas, cirugía o radiación sistémica destructiva o
quimioterapia.
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2006
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James Tour y sus colegas de la
Universidad de Rice construyen un "coche" a nanoescala hecho de
oligo (etinileno fenileno) con ejes alquinilo y cuatro ruedas esféricas de
fullereno C60 (buckyball). En respuesta a los aumentos en la temperatura, el
nanocoche se movía sobre una superficie de oro como resultado de las ruedas -
buckyball, como se mueve un coche convencional. A temperaturas superiores a
300 ° C se movía demasiado rápido para los químicos pudieran realizar un
seguimiento del movimiento-
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2007
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Angela Belcher y sus colegas en
el MIT construyen una batería de iones de litio con un tipo común de virus
que no son dañinos para el ser humano, usando un procedimiento de bajo coste
y benigno para el medio ambiente. Las baterías tienen la misma capacidad de
energía y el rendimiento de energía como las baterías recargables con
tecnología de última generación (coches híbridos, dispositivos electrónicos
personales. etc.)
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2009
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Nadrian Seeman y varios colegas
de la Universidad de Nueva York crean varios dispositivos a nanoescala con un
montaje robótico de ADN. Se trata de un proceso de creación de estructuras de
ADN 3D utilizando secuencias sintéticas de cristales de ADN que pueden ser
programados para auto-ensamblale utilizando "extremos pegajosos" y
la colocación en un orden y orientación conjunto. Es un avance con
potenciales aplicaciones en la Nanoelectrónica. Otra creación de Seeman (con
colegas de la Universidad de Nanjing de China) es una "línea de montaje
de ADN." Por este trabajo, Seeman compartió el Premio Kavli de
Nanociencia en 2010.
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2010
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IBM utiliza una punta de
silicio que mide sólo unos pocos nanómetros en su ápice (similar a las puntas
utilizadas en microscopios de fuerza atómica) para cincelar el material de un
sustrato y crear un mapa completo a nanoescala 3D del mundo -de un tamaño de
una-milésima parte de un grano de sal y lo hizo en 2 minutos y 23 segundos.
Esta actividad demuestra una metodología patrón poderosa para generar
patrones y estructuras a nanoescala tan pequeñas como de un tamaño de 15
nanómetros con una gran reducción de costos, abriendo nuevas perspectivas
para campos como la electrónica, la optoelectrónica y la medicina.
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2013
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Investigadores de la
Universidad de Stanford desarrollan el primer equipo de nanotubos de carbono.
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| Nanoguitarra creada en 1997 con un tamaño de 10 micras (10,000 nanómetros) |
Desafíos y riesgos de la
nanotecnología
Pero como pasa con todo en la
vida, no solamente son rosas las que adornan el camino. Hay posibles
consecuencias que debemos prevenir y no faltan quienes se han dedicado a
alertar sobre la importancia de abordar los riesgos y desafíos de la
nanotecnología. Es el caso del Centro de Nanotecnología Responsable[2],
que advierte sobre la necesidad de tomar acciones preventivas ante los
siguientes riesgos:
- Desequilibrio económico debido a la proliferación de productos de bajo costo
- Uso de nanotecnología por parte de criminales o terroristas
- Restricciones de las libertades personales
- Producción de nuevas modalidades de armas letales e inicio de una nueva carrera armamentista
- Daños medioambientales y a la salud humana causados por productos no regulados que han sido desarrollados con nanotecnología
- Creación de un mercado negro de nanotecnología
Aunque la nanotecnología está en
desarrollo desde hace varias décadas, es el enorme avance de la ciencia y la
tecnología de los últimos años que ha hecho posible que crezca de forma
exponencial sus alternativas de uso y aplicación. El control del mundo “invisible” ha abierto las puertas no solo a la imaginación, sino también a la preocupación. Pero
eso es algo absolutamente normal en un entorno tan cambiante y dinámico en el
marco de la 4ta Revolución Industrial. Nunca antes se rompieron paradigmas con
la frecuencia y celeridad con que ahora sucede.
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| Demócrito de Abdera, el primer atomista |
Cuando hace 2500 años Demócrito de Abdera[3]
afirmaba que la materia estaba compuesta por “átomos eternos, indivisibles, homogéneos, indestructibles e invisibles”,
estaba descubriendo un nuevo mundo, desconocido hasta entonces, el mundo de lo no
visible. Transcurrirían miles de años para demostrar sus postulados y
evidenciar que el mundo de los átomos sí existe más allá de lo que nuestros sentidos son capaces de
percibir.
Al final, irónicamente todo parece indicar que
las moléculas y el mundo microscópico terminarán resolviendo los problemas del
mundo “macroscópico”, el único mundo del que, hasta hace relativamente pocos
años, teníamos certeza.
[1]
Igami M. y Okazaki T. (2007), CAPTURING NANOTECHNOLOGY'S CURRENT STATE OF
DEVELOPMENT VIA ANALYSIS OF PATENTS, OCDE http://www.oecd.org/science/inno/38780655.pdf
[2] Es
un centro de investigación preocupado por las implicaciones sociales y
medioambientales del avance de la nanotecnología, establecido en Estados Unidos
http://www.crnano.org/index.html
[3]
Filósofo y matemático griego que vivió del 460 hasta el 370 a.C., siendo el
precursor de la concepción atomista de la materia.
