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domingo, 14 de julio de 2019

La nanotecnología y su enorme impacto en el mundo de hoy



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.
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”.
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?
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.
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.
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:
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.
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
Fecha
Acontecimiento
1936
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.
Los años 40
Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducencomo una forma de reducir costes.
1956
Arthur von Hippel en el MIT acuña, entre otros conceptos, el término- "ingeniería molecular".
1958
Jack Kilby de Texas Instruments diseña y construye el primer circuito integrado , por el que posteriormente recibiría el Premio Nobel en 2000.
1959
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".
1966
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.
1974
Norio Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio acuña el término nanotecnología en el marco dimensional a escala atómica
1985
Se descubren los buckminsterfullerenes
1989
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.
1996
Sir Harry Kroto gana el Premio Nobel por haber descubierto fullerenes
1997
Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente de una célula roja de sangre.
1998
Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un nanolápiz que se puede utilizar para escribir
1999-2000
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
2001
James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.
Principales avances de investigación en nanotecnología y nanociencia en los últimos años
2003
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.
2006
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-
2007
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.)
2009
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.
2010
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.
2013
Investigadores de la Universidad de Stanford desarrollan el primer equipo de nanotubos de carbono.
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.
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.