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Nanotecnología

nanoengranajes de fullereno La nanotecnología es la manipulación de la materia con al menos una dimensión de entre 1 y 100 nanómetros (nm). A esta escala, comúnmente conocida co...

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nanoengranajes de fullereno

La nanotecnología es la manipulación de la materia con al menos una dimensión de entre 1 y 100 nanómetros (nm). A esta escala, comúnmente conocida como nanoescala , el área superficial y los efectos cuánticos se vuelven importantes para describir las propiedades de la materia. Esta definición de nanotecnología incluye todo tipo de investigación y tecnologías que se ocupan de estas propiedades especiales. Es común ver el plural "nanotecnologías" y "tecnologías a nanoescala" para referirse a investigaciones y aplicaciones cuyo rasgo común es la escala. [ 1 ] Una comprensión anterior de la nanotecnología se refería al objetivo tecnológico particular de manipular con precisión átomos y moléculas para fabricar productos a macroescala, ahora conocido como nanotecnología molecular . [ 2 ]

Un término casi sinónimo de "nanotecnología" es nanociencia (es decir, nanofísica , nanoquímica , nanobiología y nanoinformática ); sin embargo, el término "nanociencia" enfatiza los aspectos de ciencia pura del campo, mientras que la nanotecnología, los métodos y los procesos (por ejemplo, la nanolitografía y la nanobiodetección ) son el resultado concreto de las nanociencias aplicadas (por ejemplo, la nanoingeniería y la nanomedicina ).

La nanotecnología definida por escala incluye campos de la ciencia como la ciencia de superficies , la química orgánica , la biología molecular , la física de semiconductores , el almacenamiento de energía , [ 3 ] [ 4 ] la ingeniería , [ 5 ] la microfabricación , [ 6 ] y la ingeniería molecular . [ 7 ] La ​​investigación y las aplicaciones asociadas abarcan desde extensiones de la física de dispositivos convencionales hasta el autoensamblaje molecular , [ 8 ] desde el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescala hasta el control directo de la materia en la escala atómica .

La nanotecnología podría crear nuevos materiales y dispositivos con diversas aplicaciones , como en nanomedicina , nanoelectrónica , agricultura , biomateriales , producción de energía y productos de consumo. Sin embargo, plantea interrogantes, entre ellos la toxicidad y el impacto ambiental de los nanomateriales [ 9 ] , así como sus posibles efectos en la economía global y diversos escenarios catastróficos . Estas preocupaciones han generado un debate entre grupos de defensa y gobiernos sobre la necesidad de una regulación especial de la nanotecnología .

Orígenes

Los conceptos que dieron origen a la nanotecnología fueron expuestos por primera vez en 1959 por el físico Richard Feynman en su charla " Hay mucho espacio en el fondo" , en la que describió la posibilidad de síntesis mediante la manipulación directa de átomos.

Comparación de tamaños de nanomateriales

El término «nanotecnología» fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, aunque no era ampliamente conocido. Inspirado por los conceptos de Feynman, K. Eric Drexler empleó el término «nanotecnología» en su libro de 1986, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , que alcanzó gran popularidad y contribuyó a que la nanotecnología se popularizara. [ 10 ] En él, propuso la idea de un «ensamblador» a nanoescala capaz de construir una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria con control a nivel atómico. También en 1986, Drexler cofundó The Foresight Institute para aumentar la concienciación y la comprensión pública de los conceptos e implicaciones de la nanotecnología.

El surgimiento de la nanotecnología como campo en la década de 1980 se produjo a través de la convergencia del trabajo teórico y público de Drexler, que desarrolló y popularizó un marco conceptual, y los avances experimentales que atrajeron mayor atención a las perspectivas [ 11 ] . En la década de 1980, dos avances ayudaron a impulsar el crecimiento de la nanotecnología. Primero, la invención del microscopio de efecto túnel en 1981 permitió la visualización de átomos y enlaces individuales, y se utilizó con éxito para manipular átomos individuales en 1989. Los desarrolladores del microscopio, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en el Laboratorio de Investigación de IBM Zurich, recibieron el Premio Nobel de Física en 1986. [ 12 ] [ 13 ] Binnig, Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese mismo año.

El buckminsterfullereno C60 , también conocido como buckybola , es un miembro representativo de las estructuras de carbono denominadas fullerenos . Los miembros de la familia de los fullerenos son un importante objeto de investigación dentro del campo de la nanotecnología.
Harry Kroto (izquierda) ganó el Premio Nobel de Química de 1996 junto con Richard Smalley (derecha) y Robert Curl por su descubrimiento del buckminsterfullereno en 1985 , mientras que Sumio Iijima (centro) ganó el primer Premio Kavli de Nanociencia de 2008 por su descubrimiento de los nanotubos de carbono en 1991 .

Segundo, los fullerenos (buckybolas) fueron descubiertos en 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley y Robert Curl , quienes juntos ganaron el Premio Nobel de Química de 1996. [ 14 ] [ 15 ] El C 60 no fue descrito inicialmente como nanotecnología; el término se usó en relación con trabajos posteriores con nanotubos de carbono relacionados (a veces llamados tubos de grafeno o tubos Bucky) que sugirieron posibles aplicaciones para la electrónica y los dispositivos a nanoescala. El descubrimiento de los nanotubos de carbono se atribuye a Sumio Iijima del NEC en 1991, [ 16 ] por lo que Iijima ganó el primer Premio Kavli de Nanociencia de 2008.

A principios de la década de 2000, el campo atrajo una mayor atención científica, política y comercial, lo que generó tanto controversia como progreso. Surgieron controversias en torno a las definiciones y las posibles implicaciones de las nanotecnologías, como lo demuestra el informe de la Royal Society sobre nanotecnología. [ 17 ] Se plantearon desafíos con respecto a la viabilidad de las aplicaciones previstas por los defensores de la nanotecnología molecular, lo que culminó en un debate público entre Drexler y Smalley en 2001 y 2003. [ 18 ]

Mientras tanto, comenzaron a surgir productos comerciales basados ​​en avances en tecnologías a nanoescala. Estos productos se limitaban a aplicaciones a granel de nanomateriales y no implicaban el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen la plataforma Silver Nano para el uso de nanopartículas de plata como agente antibacteriano , protectores solares a base de nanopartículas , refuerzo de fibra de carbono mediante nanopartículas de sílice y nanotubos de carbono para textiles resistentes a las manchas. [ 19 ] [ 20 ]

Los gobiernos tomaron medidas para promover y financiar la investigación en nanotecnología, como la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de Estados Unidos , que formalizó una definición de nanotecnología basada en el tamaño y estableció la financiación de la investigación, y en Europa a través de los Programas Marco Europeos de Investigación y Desarrollo Tecnológico .

A mediados de la década de 2000, la atención científica comenzó a florecer. Las hojas de ruta de la nanotecnología se centraron en la manipulación atómicamente precisa de la materia y analizaron las capacidades, los objetivos y las aplicaciones existentes y proyectadas. [ 21 ] [ 22 ]

Conceptos fundamentales

La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la capacidad prevista para construir objetos desde cero, creando productos completos y de alto rendimiento.

Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte, o 10⁻⁹ , de un metro. En comparación, las longitudes típicas de los enlaces carbono-carbono , o el espaciamiento entre estos átomos en una molécula , están en el rango de 0,12 a 0,15 nm , y el diámetro del ADN  es de alrededor de 2 nm. Por otro lado, las formas de vida celular más pequeñas , las bacterias del género Mycoplasma , tienen alrededor de 200  nm de longitud. Por convención, la nanotecnología se toma como el rango de escala de 1 a 100 nm , siguiendo la definición utilizada por la Iniciativa Nacional Estadounidense de Nanotecnología . El límite inferior está establecido por el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen un diámetro cinético  de aproximadamente ,25 nm ). El límite superior es más o menos arbitrario, pero está alrededor del tamaño por debajo del cual los fenómenos no observados en estructuras más grandes comienzan a hacerse evidentes y pueden ser utilizados. [ 23 ] Estos fenómenos hacen que la nanotecnología sea distinta de los dispositivos que son simplemente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; Estos dispositivos son de mayor escala y se engloban dentro de la descripción de la microtecnología . [ 24 ]

Para poner esa escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro con respecto a un metro es el mismo que el de una canica con respecto al tamaño de la Tierra. [ 25 ]

En nanotecnología se utilizan dos enfoques principales. En el enfoque "de abajo hacia arriba", los materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se autoensamblan químicamente mediante principios de reconocimiento molecular . [ 26 ] En el enfoque "de arriba hacia abajo", los nanoobjetos se construyen a partir de entidades más grandes sin control a nivel atómico. [ 27 ]

Áreas de la física como la nanoelectrónica , la nanomecánica , la nanofotónica y la nanoiónica han evolucionado para proporcionar la base científica de la nanotecnología.

De lo más grande a lo más pequeño: una perspectiva de los materiales

Imagen de reconstrucción en una superficie limpia de oro ( 100 ), visualizada mediante microscopía de efecto túnel . Se aprecian las posiciones de los átomos individuales que componen la superficie.

Varios fenómenos se hacen más evidentes con el tamaño del sistema. Entre ellos se incluyen los efectos de la mecánica estadística , así como los efectos de la mecánica cuántica , por ejemplo, el " efecto de tamaño cuántico ", en el que las propiedades electrónicas de los sólidos se modifican al reducirse el tamaño de las partículas. Estos efectos no se aplican a dimensiones macroscópicas o microscópicas. Sin embargo, los efectos cuánticos pueden volverse significativos a escalas nanométricas. Además, las propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) cambian en comparación con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento de la relación superficie-volumen, que altera las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales. La difusión y las reacciones también pueden variar. Los sistemas con transporte iónico rápido se denominan nanoiónicos. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de gran interés en la investigación.

De lo simple a lo complejo: una perspectiva molecular

La química sintética moderna permite preparar moléculas pequeñas de casi cualquier estructura. Estos métodos se utilizan para fabricar una amplia variedad de productos químicos útiles, como fármacos o polímeros comerciales . Esta capacidad plantea la cuestión de extender este tipo de control a un nivel superior, buscando métodos para ensamblar moléculas individuales en estructuras supramoleculares compuestas por muchas moléculas dispuestas de forma precisa.

Estos enfoques utilizan los conceptos de autoensamblaje molecular y/o química supramolecular para organizarse automáticamente en una conformación útil mediante un método ascendente . El concepto de reconocimiento molecular es fundamental: las moléculas pueden diseñarse para que una configuración o disposición específica se vea favorecida debido a fuerzas intermoleculares no covalentes . Las reglas de apareamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, al igual que la especificidad de una enzima que actúa sobre un único sustrato o el plegamiento específico de una proteína . De este modo, los componentes pueden diseñarse para que sean complementarios y se atraigan mutuamente, de manera que conformen un conjunto más complejo y útil.

Estos enfoques ascendentes deberían permitir la producción de dispositivos en paralelo y ser mucho más económicos que los métodos descendentes, pero podrían verse desbordados a medida que aumenta el tamaño y la complejidad del ensamblaje deseado. La mayoría de las estructuras útiles requieren disposiciones de átomos complejas y termodinámicamente improbables. No obstante, en biología existen numerosos ejemplos de autoensamblaje basados ​​en el reconocimiento molecular , entre los que destacan el apareamiento de bases de Watson-Crick y las interacciones enzima-sustrato.

Nanotecnología molecular: una perspectiva a largo plazo

El ribosoma , al traducir el ADN, es una máquina biológica que funciona como un ensamblador molecular . La dinámica de los dominios proteicos ahora se puede observar mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones .

La nanotecnología molecular, a veces denominada fabricación molecular, se refiere a nanosistemas diseñados (máquinas a nanoescala) que operan a nivel molecular. La nanotecnología molecular se asocia especialmente con los ensambladores moleculares , máquinas que pueden producir una estructura o dispositivo deseado átomo a átomo utilizando los principios de la mecanosíntesis . La fabricación en el contexto de los nanosistemas productivos no está relacionada con las tecnologías convencionales utilizadas para fabricar nanomateriales como nanotubos de carbono y nanopartículas.

Cuando Drexler acuñó y popularizó de forma independiente el término "nanotecnología", imaginó una tecnología de fabricación basada en sistemas de máquinas moleculares . La premisa era que las analogías biológicas a escala molecular de los componentes de las máquinas tradicionales demostraban la posibilidad de crear máquinas moleculares: la biología estaba repleta de ejemplos de máquinas biológicas sofisticadas y optimizadas estocásticamente .

Drexler y otros investigadores [ 28 ] propusieron que la nanotecnología avanzada podría basarse en última instancia en principios de ingeniería mecánica, concretamente, en una tecnología de fabricación basada en la funcionalidad mecánica de estos componentes (como engranajes, cojinetes, motores y elementos estructurales) que permitiría el ensamblaje programable y posicional con precisión atómica. [ 29 ] El rendimiento físico y de ingeniería de diseños ejemplares se analizó en el libro de Drexler, Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation . [ 2 ]

En general, el ensamblaje de dispositivos a escala atómica requiere posicionar átomos sobre otros átomos de tamaño y adherencia comparables. Carlo Montemagno opina que los futuros nanosistemas serán híbridos de tecnología de silicio y máquinas moleculares biológicas. [ 30 ] Richard Smalley argumentó que la mecanosíntesis era imposible debido a las dificultades para manipular mecánicamente moléculas individuales. [ 31 ]

Esto dio lugar a un intercambio de cartas en la publicación Chemical & Engineering News de la Sociedad Química Estadounidense en 2003. [ 32 ] Aunque la biología demuestra claramente que las máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas permanecieron en sus inicios. Alex Zettl y sus colegas en los Laboratorios Lawrence Berkeley y UC Berkeley [ 33 ] construyeron al menos tres dispositivos moleculares cuyo movimiento se controla mediante cambios de voltaje: un nanomotor de nanotubos , un actuador molecular, [ 34 ] y un oscilador de relajación nanoelectromecánico. [ 35 ]

En 1999 , Ho y Lee, de la Universidad de Cornell, utilizaron un microscopio de efecto túnel para mover una molécula individual de monóxido de carbono (CO) a un átomo individual de hierro (Fe) situado sobre un cristal plano de plata y unieron químicamente el CO al Fe aplicando un voltaje. [ 36 ]

Investigación

Representación gráfica de un rotaxano , útil como interruptor molecular.
Este tetraedro de ADN [ 37 ] es una nanoestructura diseñada artificialmente del tipo que se fabrica en el campo de la nanotecnología del ADN . Cada arista del tetraedro es una doble hélice de ADN de 20 pares de bases , y cada vértice es una unión de tres brazos.
Vista giratoria de C 60 , un tipo de fullereno.
Este dispositivo transfiere energía desde capas nanométricas de pozos cuánticos a nanocristales situados sobre ellas, lo que provoca que los nanocristales emitan luz visible. [ 38 ]

nanomateriales

Muchas áreas de la ciencia desarrollan o estudian materiales que poseen propiedades únicas derivadas de sus dimensiones a nanoescala. [ 39 ]

Enfoques ascendentes

El enfoque ascendente busca organizar componentes más pequeños en conjuntos más complejos.

  • La nanotecnología del ADN utiliza el apareamiento de bases de Watson-Crick para construir estructuras bien definidas a partir de ADN y otros ácidos nucleicos .
  • Los enfoques del campo de la síntesis química "clásica" ( síntesis inorgánica y orgánica ) tienen como objetivo diseñar moléculas con una forma bien definida (por ejemplo, bispéptidos [ 45 ] ).
  • En términos más generales, el autoensamblaje molecular busca utilizar conceptos de la química supramolecular, y del reconocimiento molecular en particular, para lograr que los componentes de una sola molécula se organicen automáticamente en alguna conformación útil.
  • Las puntas de los microscopios de fuerza atómica pueden utilizarse como un "cabezal de escritura" a nanoescala para depositar una sustancia química sobre una superficie con el patrón deseado, en un proceso denominado nanolitografía por inmersión . Esta técnica se enmarca dentro del campo más amplio de la nanolitografía .
  • La epitaxia por haces moleculares permite el ensamblaje de materiales de abajo hacia arriba, sobre todo de materiales semiconductores que se utilizan habitualmente en aplicaciones de chips e informática, apilamientos, compuertas y láseres de nanocables .

Enfoques de arriba hacia abajo

Estos sistemas buscan crear dispositivos más pequeños utilizando otros más grandes para dirigir su ensamblaje.

Enfoques funcionales

Los enfoques funcionales buscan desarrollar componentes útiles sin tener en cuenta cómo podrían ensamblarse.

Enfoques biomiméticos

Especulativo

Estos subcampos buscan anticipar qué invenciones podría generar la nanotecnología o proponer una agenda que guíe la investigación. Suelen adoptar una perspectiva global, haciendo mayor hincapié en las implicaciones sociales que en los detalles técnicos.

Dimensionalidad en nanomateriales

Los nanomateriales se pueden clasificar en 0D, 1D, 2D y 3D . La dimensionalidad desempeña un papel fundamental en la determinación de las características de los nanomateriales, incluyendo sus propiedades físicas , químicas y biológicas . A medida que disminuye la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación superficie-volumen. Esto indica que los nanomateriales de menor dimensionalidad presentan una mayor superficie que los nanomateriales 3D. Los nanomateriales bidimensionales (2D) se han investigado exhaustivamente para aplicaciones electrónicas , biomédicas , de administración de fármacos y de biosensores .

Herramientas y técnicas

Configuración típica de un microscopio de fuerza atómica (AFM) . Una micropalanca con punta afilada se desvía al interactuar con las irregularidades de la superficie de la muestra, de forma similar a un fonógrafo , pero a una escala mucho menor. Un rayo láser se refleja en la parte posterior de la micropalanca y llega a un conjunto de fotodetectores , lo que permite medir la desviación y generar una imagen de la superficie.

Microscopios de barrido

El microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de efecto túnel (STM) son dos versiones de sondas de barrido que se utilizan para la observación a nanoescala. Otros tipos de microscopía de sonda de barrido ofrecen una resolución mucho mayor, ya que no están limitados por las longitudes de onda del sonido o la luz.

La punta de una sonda de escaneo también puede utilizarse para manipular nanoestructuras (ensamblaje posicional). El escaneo orientado a características puede ser una forma prometedora de implementar estas manipulaciones a nanoescala mediante un algoritmo automático . [ 58 ] [ 59 ] Sin embargo, este sigue siendo un proceso lento debido a la baja velocidad del microscopio.

El enfoque descendente prevé nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, de forma similar a como se fabrican los artículos manufacturados. La microscopía de sonda de barrido es una técnica importante tanto para la caracterización como para la síntesis. Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de efecto túnel de barrido pueden utilizarse para observar superficies y mover átomos. Al diseñar diferentes puntas para estos microscopios, pueden utilizarse para esculpir estructuras en superficies y para ayudar a guiar estructuras autoensambladas. Utilizando, por ejemplo, un enfoque de escaneo orientado a características, se pueden mover átomos o moléculas sobre una superficie con técnicas de microscopía de sonda de barrido. [ 58 ] [ 59 ]

Litografía

Diversas técnicas de litografía, como la litografía óptica , la litografía de rayos X , la litografía con pluma de inmersión, la litografía por haz de electrones o la litografía de nanoimpresión , ofrecen técnicas de fabricación descendentes en las que un material a granel se reduce a un patrón a nanoescala.

Otro grupo de técnicas nanotecnológicas incluye aquellas utilizadas para la fabricación de nanotubos y nanocables , aquellas utilizadas en la fabricación de semiconductores como la litografía ultravioleta profunda, la litografía por haz de electrones, el mecanizado por haz de iones focalizado, la litografía por nanoimpresión, la deposición de capas atómicas y la deposición de vapor molecular , e incluyendo además técnicas de autoensamblaje molecular como las que emplean copolímeros de dibloque . [ 60 ]

De abajo hacia arriba

En contraste, las técnicas de abajo hacia arriba construyen o hacen crecer estructuras más grandes átomo por átomo o molécula por molécula. Estas técnicas incluyen la síntesis química, el autoensamblaje y el ensamblaje posicional. La interferometría de doble polarización es una herramienta adecuada para la caracterización de películas delgadas autoensambladas. Otra variación del enfoque de abajo hacia arriba es la epitaxia de haces moleculares o MBE. Investigadores de los Laboratorios Bell Telephone, incluidos John R. Arthur , Alfred Y. Cho y Art C. Gossard, desarrollaron e implementaron la MBE como herramienta de investigación a finales de la década de 1960 y en la de 1970. Las muestras hechas con MBE fueron clave para el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccionario, por el cual se otorgó el Premio Nobel de Física de 1998. La MBE deposita capas de átomos con precisión atómica y, en el proceso, construye estructuras complejas. Importante para la investigación en semiconductores, la MBE también se usa ampliamente para hacer muestras y dispositivos para el campo emergente de la espintrónica .

En algunos países , los productos terapéuticos basados ​​en nanomateriales sensibles , como las vesículas transferosomas altamente deformables y sensibles al estrés , están aprobados para uso humano. [ 61 ]

Aplicaciones

Una de las principales aplicaciones de la nanotecnología se encuentra en el campo de la nanoelectrónica , donde los MOSFET se fabrican con nanocables de aproximadamente 10 nm de longitud. Aquí se muestra una simulación de uno de estos nanocables.
Las nanoestructuras proporcionan a esta superficie superhidrofobicidad , lo que permite que las gotas de agua rueden por el plano inclinado .
Láseres de nanocables para la transmisión ultrarrápida de información en pulsos de luz.

Al 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes estimó que más de 800 productos nanotecnológicos identificados por fabricantes estaban disponibles públicamente, con nuevos productos que llegaban al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. [ 20 ] La mayoría de las aplicaciones son nanomateriales pasivos de "primera generación" que incluyen dióxido de titanio en protectores solares, cosméticos, recubrimientos de superficies, [ 62 ] y algunos productos alimenticios; alótropos de carbono utilizados para producir cinta adhesiva para geckos ; plata en envases de alimentos , ropa, desinfectantes y electrodomésticos; óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, recubrimientos de superficies, pinturas y barnices para muebles de exterior; y óxido de cerio como catalizador de combustible. [ 19 ]

En la industria de los vehículos eléctricos, los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) abordan desafíos clave de las baterías de iones de litio , como la densidad energética, la velocidad de carga, la vida útil y el costo. Los SWCNT conectan las partículas de los electrodos durante el proceso de carga/descarga, evitando la degradación prematura de la batería. Su excepcional capacidad para recubrir las partículas del material activo mejora la conductividad eléctrica y las propiedades físicas, diferenciándolos de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y el negro de humo. [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

Otras aplicaciones permiten que las pelotas de tenis duren más, las de golf vuelen más rectas y las de bolos sean más duraderas. Los pantalones y calcetines se han impregnado con nanotecnología para que duren más y reduzcan la temperatura en verano. Los vendajes se impregnan con nanopartículas de plata para curar cortes más rápido. [ 66 ] Las consolas de videojuegos y los ordenadores personales podrían ser más baratos, más rápidos y contener más memoria gracias a la nanotecnología. [ 67 ] También, para construir estructuras para computación en chip con luz, por ejemplo, procesamiento de información cuántica óptica en chip y transmisión de información en picosegundos. [ 68 ]

La nanotecnología podría abaratar y facilitar el uso de aplicaciones médicas existentes en lugares como consultorios médicos y hogares. [ 69 ] Los automóviles utilizan nanomateriales de tal manera que las piezas requieren menos metales durante su fabricación y menos combustible para su funcionamiento en el futuro. [ 70 ]

La nanoencapsulación consiste en el encapsulado de sustancias activas dentro de portadores. Estos portadores suelen ofrecer ventajas como una mayor biodisponibilidad, liberación controlada, administración dirigida y protección de las sustancias encapsuladas. En el ámbito médico, la nanoencapsulación desempeña un papel fundamental en la administración de fármacos . Facilita una administración más eficiente, reduce los efectos secundarios y aumenta la eficacia del tratamiento. La nanoencapsulación es especialmente útil para mejorar la biodisponibilidad de fármacos poco solubles en agua, permitiendo una liberación controlada y sostenida, y apoyando el desarrollo de terapias dirigidas. Estas características, en conjunto, contribuyen a los avances en los tratamientos médicos y la atención al paciente. [ 71 ] [ 72 ]

La nanotecnología puede desempeñar un papel importante en la ingeniería de tejidos . Al diseñar andamios, los investigadores intentan imitar las características a nanoescala del microambiente celular para dirigir su diferenciación hacia un linaje adecuado. [ 73 ] Por ejemplo, al crear andamios para favorecer el crecimiento óseo, los investigadores pueden imitar las fosas de resorción de los osteoclastos . [ 74 ]

Los investigadores utilizaron nanobots basados ​​en origami de ADN capaces de realizar funciones lógicas para dirigir la administración de fármacos a las cucarachas. [ 75 ]

El Technion creó una nanobiblia (un chip de silicio de 0,5 mm²) con el fin de aumentar el interés de los jóvenes en la nanotecnología. [ 76 ]

Trascendencia

Una de las preocupaciones radica en el efecto que la fabricación y el uso a escala industrial de nanomateriales tendrán sobre la salud humana y el medio ambiente, como sugieren las investigaciones en nanotoxicología . Por estas razones, algunos grupos abogan por la regulación de la nanotecnología. Sin embargo, la regulación podría frenar la investigación científica y el desarrollo de innovaciones beneficiosas. Agencias de investigación en salud pública , como el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional, investigan los posibles efectos en la salud derivados de la exposición a nanopartículas. [ 77 ] [ 78 ]

Los productos con nanopartículas pueden tener consecuencias no deseadas . Investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata bacteriostáticas utilizadas en calcetines para reducir el mal olor de pies se liberan durante el lavado. [ 79 ] Estas partículas se vierten luego en las aguas residuales y pueden destruir bacterias que son componentes esenciales de los ecosistemas naturales, las granjas y los procesos de tratamiento de residuos. [ 80 ]

Las deliberaciones públicas sobre la percepción del riesgo realizadas en EE. UU. y el Reino Unido por el Centro para la Nanotecnología en la Sociedad revelaron que los participantes tenían una visión más positiva de las nanotecnologías para aplicaciones energéticas que para aplicaciones sanitarias, ya que estas últimas planteaban dilemas morales y éticos como el coste y la disponibilidad. [ 81 ]

Expertos, entre ellos David Rejeski, director del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, testificaron [ 82 ] que la comercialización depende de una supervisión adecuada, una estrategia de investigación de riesgos y la participación pública. Hasta el año 206, Berkeley, California, era la única ciudad de EE. UU. que regulaba la nanotecnología. [ 83 ]

Preocupaciones sanitarias y medioambientales

Un vídeo sobre las implicaciones de la nanotecnología para la salud y la seguridad.

La inhalación de nanopartículas y nanofibras en suspensión en el aire puede contribuir a enfermedades pulmonares , como la fibrosis . [ 84 ] Los investigadores descubrieron que cuando las ratas inhalaban nanopartículas, estas se depositaban en el cerebro y los pulmones, lo que provocaba aumentos significativos en los biomarcadores de inflamación y respuesta al estrés [ 85 ] y que las nanopartículas inducen el envejecimiento de la piel a través del estrés oxidativo en ratones sin pelo. [ 86 ] [ 87 ]

Un estudio de dos años realizado en la Escuela de Salud Pública de la UCLA descubrió que los ratones de laboratorio que consumían dióxido de titanio a nanoescala presentaban daños en el ADN y los cromosomas en un grado "vinculado a todas las principales causas de muerte en el ser humano, a saber, el cáncer, las enfermedades cardíacas, las enfermedades neurológicas y el envejecimiento". [ 88 ]

Un estudio de Nature Nanotechnology sugirió que algunas formas de nanotubos de carbono podrían ser tan dañinas como el asbesto si se inhalan en cantidades suficientes. Anthony Seaton, del Instituto de Medicina Ocupacional de Edimburgo, Escocia, quien contribuyó al artículo sobre nanotubos de carbono, dijo: "Sabemos que algunos de ellos probablemente tienen el potencial de causar mesotelioma . Por lo tanto, este tipo de materiales deben manejarse con mucho cuidado". [ 89 ] Ante la ausencia de una regulación específica por parte de los gobiernos, Paull y Lyons (2008) han pedido la exclusión de nanopartículas diseñadas en los alimentos. [ 90 ] Un artículo periodístico informa que los trabajadores de una fábrica de pintura desarrollaron una enfermedad pulmonar grave y se encontraron nanopartículas en sus pulmones. [ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]

Regulación

Los llamamientos a una regulación más estricta de la nanotecnología han acompañado un debate relacionado con los riesgos para la salud y la seguridad humanas. [ 95 ] Algunas agencias reguladoras cubren algunos productos y procesos nanotecnológicos —añadiéndolos a las regulaciones existentes— dejando claras lagunas. [ 96 ] Davies propuso una hoja de ruta que describe los pasos para abordar estas deficiencias. [ 97 ]

Andrew Maynard, asesor científico principal del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, informó sobre la financiación insuficiente para la investigación sobre salud y seguridad humanas y, como resultado, sobre la comprensión inadecuada de los riesgos para la salud y la seguridad humanas. [ 98 ] Algunos académicos pidieron una aplicación más estricta del principio de precaución , ralentizando la aprobación de la comercialización, mejorando el etiquetado y aportando datos de seguridad adicionales. [ 99 ]

Un informe de la Royal Society identificó el riesgo de liberación de nanopartículas o nanotubos durante la eliminación, destrucción y reciclaje, y recomendó que «los fabricantes de productos sujetos a regímenes de responsabilidad ampliada del productor, como las normativas sobre el final de su vida útil, publiquen procedimientos que describan cómo se gestionarán estos materiales para minimizar la posible exposición humana y ambiental». [ 17 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Drexler KE (1986). Motores de la creación: La próxima era de la nanotecnología . Doubleday. ISBN 978-0-385-19973-5OCLC 12752328​​ 
  2. 1 2 Drexler KE (1992). Nanosistemas: Maquinaria molecular, fabricación y computación . Wiley. ISBN 978-0-471-57547-4OCLC 26503231​​ 
  3. ↑ Hubler A (2010). "Baterías cuánticas digitales: almacenamiento de energía e información en matrices de nanotubos de vacío" . Complexity . 15 (5): 48– 55. doi : 10.1002/cplx.20306 . ISSN 1076-2787 . S2CID 6994736 .  
  4. ↑ Shinn E (2012). "Conversión de energía nuclear con pilas de nanocapacitores de grafeno". Complexity . 18 (3): 24– 27. Bibcode : 2013Cmplx..18c..24S . doi : 10.1002/cplx.21427 . S2CID 35742708 . 
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  • ¿Qué es la nanotecnología? (un debate en vídeo de Vega/BBC/OU)