Aplicaciones industriales de la nanotecnología

Según el Proyecto de Nanotecnologías Emergentes (PEN), basado en un inventario de 609 nanoproductos conocidos o declarados, entre los productos de consumo creados con nanotecnología se encuentran nuevos alimentos que llegan al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. En la lista de PEN figuran tres alimentos: una marca de aceite de canola para cocinar llamada Canola Active Oil, un té llamado Nanotea y un batido dietético de chocolate llamado Nanoceuticals Slim Shake Chocolate. Según la información de la empresa publicada en el sitio web de PEN, el aceite de canola, de Shemen Industries de Israel, contiene un aditivo llamado "nanodrops" diseñado para transportar vitaminas, minerales y fitoquímicos a través del sistema digestivo, además de urea. ^{[ 3 ]} El batido, según el fabricante estadounidense RBC Life Sciences Inc., utiliza "NanoClusters" con infusión de cacao para mejorar el sabor y los beneficios para la salud del cacao sin necesidad de añadir azúcar . ^{[ 4 ]}

La aplicación más destacada de la nanotecnología en el hogar son las superficies autolimpiables o de fácil limpieza en cerámica o vidrio. Las nanopartículas cerámicas han mejorado la suavidad y la resistencia al calor de electrodomésticos comunes como la plancha .

Ya están en el mercado las primeras gafas de sol con recubrimientos de polímero ultrafinos, protectores y antirreflectantes. En el campo de la óptica, la nanotecnología también ofrece recubrimientos superficiales resistentes a los arañazos basados ​​en nanocompuestos. La nanoóptica podría permitir una mayor precisión en la reparación de pupilas y otros tipos de cirugía ocular con láser.

El uso de nanofibras diseñadas ya permite que las prendas sean resistentes al agua y a las manchas, además de evitar las arrugas. Los textiles con acabado nanotecnológico se pueden lavar con menos frecuencia y a temperaturas más bajas. La nanotecnología se ha utilizado para integrar diminutas partículas de carbono en la membrana y garantizar una protección total de la superficie contra las cargas electrostáticas para el usuario. Numerosas otras aplicaciones han sido desarrolladas por instituciones de investigación como el Laboratorio de Nanotecnología Textil de la Universidad de Cornell y la empresa británica Dstl y su filial P2i .

La nanotecnología también puede desempeñar un papel en deportes como el fútbol , ​​el fútbol americano ^{[ 5 ]} y el béisbol . ^{[ 6 ]} Se pueden fabricar materiales para calzado deportivo nuevo con el fin de hacerlo más ligero (y al atleta más rápido). ^{[ 7 ]} Los bates de béisbol que ya están en el mercado están hechos con nanotubos de carbono que refuerzan la resina, lo que supuestamente mejora su rendimiento al hacerlo más ligero. ^{[ 6 ]} Otros artículos como toallas deportivas, esterillas de yoga y colchonetas de ejercicio están en el mercado y son utilizados por jugadores de la Liga Nacional de Fútbol Americano (NFL) , que emplean nanotecnología antimicrobiana para prevenir enfermedades causadas por bacterias como el Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (comúnmente conocido como SARM). ^{[ 5 ]}

La nanotecnología puede mejorar la capacidad militar para detectar agentes biológicos. Mediante el uso de la nanotecnología, las fuerzas armadas podrían crear sistemas de sensores capaces de detectar dichos agentes. ^{[ 8 ]} Estos sistemas de sensores ya están bien desarrollados y serán una de las primeras aplicaciones de la nanotecnología que las fuerzas armadas comenzarán a utilizar. ^{[ 9 ]}

Se pueden inyectar nanopartículas en el material de los uniformes de los soldados no solo para aumentar su durabilidad, sino también para protegerlos de diversos peligros, como altas temperaturas, impactos y productos químicos. ^{[ 8 ]} Las nanopartículas en el material protegen a los soldados de estos peligros al agruparse cuando algo golpea la armadura y endurecer la zona de impacto. Esta rigidez ayuda a disminuir el impacto de lo que sea que haya golpeado la armadura, ya sea calor extremo o un golpe contundente. Al reducir la fuerza del impacto, las nanopartículas protegen al soldado que lleva el uniforme de cualquier lesión que el impacto pudiera haber causado.

Otra forma en que la nanotecnología puede mejorar los uniformes de los soldados es mediante la creación de un mejor camuflaje. Las nanopartículas de pigmento móviles inyectadas en el material pueden producir un camuflaje más eficaz. ^{[ 10 ]} Estas partículas de pigmento móviles podrían cambiar el color de los uniformes según la zona en la que se encuentren los soldados. Aún se están realizando numerosas investigaciones sobre este camuflaje auto-cambiante.

La nanotecnología puede mejorar el camuflaje térmico . Este camuflaje ayuda a proteger a los soldados de quienes utilizan tecnología de visión nocturna. Las superficies de diversos artículos militares pueden diseñarse de manera que la radiación electromagnética contribuya a reducir la firma infrarroja del objeto sobre el que se encuentra dicha superficie. ^{[ 10 ]} Las superficies de los uniformes de los soldados y de los vehículos militares son algunos ejemplos de superficies que pueden diseñarse de esta forma. Al reducir la firma infrarroja tanto de los soldados como de los vehículos militares que utilizan, se proporciona una mayor protección contra armas guiadas por infrarrojos o sensores de vigilancia infrarroja.

Existe una forma de utilizar nanopartículas para crear hilos de polímero recubiertos que se pueden tejer en los uniformes de los soldados. ^{[ 11 ]} Estos hilos de polímero podrían utilizarse como medio de comunicación entre los soldados. El sistema de hilos en los uniformes podría configurarse para emitir diferentes longitudes de onda de luz, eliminando la posibilidad de que alguien más intercepte la comunicación. ^{[ 11 ]} Esto reduciría el riesgo de que personas no autorizadas intercepten la comunicación.

Se puede crear un sistema de vigilancia médica para soldados utilizando nanotecnología. Este sistema podría monitorear su salud y niveles de estrés. Los sistemas podrían reaccionar ante situaciones médicas liberando medicamentos o comprimiendo heridas según sea necesario. ^{[ 10 ]} Esto significa que si el sistema detectara una herida sangrante, podría comprimirla hasta que se recibiera atención médica adicional. El sistema también podría liberar medicamentos en el cuerpo del soldado por razones de salud, como analgésicos para una lesión. El sistema podría informar a los médicos en la base sobre el estado de salud del soldado en todo momento mientras lo esté usando. La energía necesaria para transmitir esta información a la base se produciría a través de los movimientos corporales del soldado. ^{[ 10 ]}

Nanoarma es el nombre que se le da a la tecnología militar actualmente en desarrollo que busca explotar el poder de la nanotecnología en el campo de batalla moderno . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

• Personas como agencias estatales, criminales y empresas podrían usar nanorobots para espiar conversaciones mantenidas en privado. ^{[ 10 ]}
• Baba gris : una nanomáquina o robot autorreplicante e incontrolable.
• Las nanopartículas utilizadas en diferentes materiales militares podrían representar un peligro para los soldados que los visten, si se permite que el material se desgaste. A medida que los uniformes se desgastan, es posible que el nanomaterial se desprenda y entre en el cuerpo de los soldados. ^{[ 15 ]} La entrada de nanopartículas en el cuerpo de los soldados sería muy perjudicial para la salud y podría causarles graves daños. No existe mucha información sobre el daño real que sufrirían los soldados, pero se han realizado estudios sobre el efecto de las nanopartículas en peces a través de su piel. Los estudios mostraron que los diferentes peces del estudio sufrieron diversos grados de daño cerebral. Si bien el daño cerebral sería un efecto negativo grave, los estudios también indican que los resultados no pueden tomarse como un ejemplo preciso de lo que les sucedería a los soldados si las nanopartículas entraran en sus cuerpos. ^{[ 16 ]} Existen regulaciones muy estrictas para los científicos que fabrican productos con nanopartículas. Gracias a estas regulaciones, se puede reducir considerablemente el peligro de que las nanopartículas se desprendan de los materiales y entren en el organismo de los soldados. ^{[ 17 ]}

Se están realizando numerosos análisis del hormigón a nivel nanométrico para comprender su estructura. Dichos análisis emplean diversas técnicas desarrolladas para el estudio a esa escala, como la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía electrónica de barrido (SEM) y el haz de iones focalizado (FIB). Si bien esto ha surgido como un beneficio secundario del desarrollo de estos instrumentos para el estudio de la nanoescala en general, la comprensión de la estructura y el comportamiento del hormigón a nivel fundamental constituye un uso importante y muy apropiado de la nanotecnología. Uno de los aspectos fundamentales de la nanotecnología es su naturaleza interdisciplinaria, y ya se han realizado investigaciones transversales entre el modelado mecánico de huesos para la ingeniería médica y el del hormigón, lo que ha permitido el estudio de la difusión de cloruros en el hormigón (que causa la corrosión del refuerzo). El hormigón es, en definitiva, un macromaterial fuertemente influenciado por sus nanopropiedades, y su comprensión a este nuevo nivel está generando nuevas vías para la mejora de la resistencia, la durabilidad y la monitorización, como se describe en los siguientes párrafos.

La sílice (SiO2) está presente en el hormigón convencional como parte de la mezcla normal. Sin embargo, uno de los avances logrados mediante el estudio del hormigón a nanoescala es que el empaquetamiento de partículas en el hormigón puede mejorarse mediante el uso de nanosílice, lo que conduce a una densificación de la micro y nanoestructura, resultando en mejores propiedades mecánicas. La adición de nanosílice a los materiales a base de cemento también puede controlar la degradación de la reacción fundamental CSH (silicato de calcio hidratado) del hormigón causada por la lixiviación de calcio en el agua, así como bloquear la penetración de agua y, por lo tanto, conducir a mejoras en la durabilidad. En relación con el mejor empaquetamiento de partículas, la molienda de alta energía del clínker de cemento Portland ordinario (OPC) y arena estándar produce una mayor disminución del tamaño de partícula con respecto al OPC convencional y, como resultado, la resistencia a la compresión del material refinado también es de 3 a 6 veces mayor (a diferentes edades). ^{[ 23 ]}

Estudios recientes han explorado el uso de técnicas de visión artificial para detectar cambios estructurales en hormigón ligero modificado con nanopartículas. Estos enfoques permiten la evaluación no destructiva de la heterogeneidad microestructural y los procesos de degradación en materiales avanzados a base de cemento. ^{[ 25 ]}

El acero es un material ampliamente disponible que desempeña un papel fundamental en la industria de la construcción. El uso de la nanotecnología en el acero contribuye a mejorar sus propiedades físicas. La fatiga, o fallo estructural del acero, se debe a la carga cíclica. Los diseños actuales de acero se basan en la reducción de la tensión admisible, la vida útil o el régimen de inspección periódica. Esto repercute significativamente en los costes del ciclo de vida de las estructuras y limita el uso eficaz de los recursos. Los concentradores de tensión son responsables de iniciar las fisuras que dan lugar a la fatiga. La adición de nanopartículas de cobre reduce la irregularidad superficial del acero, lo que limita el número de concentradores de tensión y, por consiguiente, el agrietamiento por fatiga. Los avances en esta tecnología mediante el uso de nanopartículas conllevarían una mayor seguridad, una menor necesidad de inspecciones periódicas y materiales más eficientes, libres de problemas de fatiga, para la construcción. ^{[ 22 ]}

Los cables de acero pueden reforzarse utilizando nanotubos de carbono. Los cables más resistentes reducen los costos y el tiempo de construcción, especialmente en puentes colgantes, ya que los cables se extienden de un extremo a otro del tramo. ^{[ 22 ]}

El uso de nanopartículas de vanadio y molibdeno mejora los problemas de fractura retardada asociados con los pernos de alta resistencia. Esto reduce los efectos de la fragilización por hidrógeno y mejora la microestructura del acero al reducir los efectos de la fase de cementita intergranular. ^{[ 22 ]}

Las soldaduras y la zona afectada por el calor (ZAC) adyacente a ellas pueden ser frágiles y fallar sin previo aviso al someterse a cargas dinámicas repentinas. La adición de nanopartículas, como magnesio y calcio, reduce el tamaño de grano de la ZAC en el acero laminado. Esta adición de nanopartículas aumenta la resistencia de la soldadura. El aumento de resistencia reduce el consumo de recursos, ya que se requiere menos material para mantener las tensiones dentro de los límites admisibles. ^{[ 22 ]}

La nanotecnología representa una gran oportunidad para que la industria maderera desarrolle nuevos productos, reduzca sustancialmente los costos de procesamiento y abra nuevos mercados para materiales de base biológica.

La madera también está compuesta de nanotubos o nanofibrillas; es decir, elementos lignocelulósicos (tejido leñoso) que son dos veces más resistentes que el acero. La extracción de estas nanofibrillas daría lugar a un nuevo paradigma en la construcción sostenible, ya que tanto la producción como el uso formarían parte de un ciclo renovable. Algunos desarrolladores han especulado que la incorporación de funcionalidades a superficies lignocelulósicas a nanoescala podría abrir nuevas oportunidades para aplicaciones como superficies autoesterilizantes, autorreparación interna y dispositivos electrónicos lignocelulósicos. Estos sensores a nanoescala, activos o pasivos y no intrusivos, proporcionarían información sobre el rendimiento del producto y las condiciones ambientales durante su uso, mediante el monitoreo de cargas estructurales, temperaturas, contenido de humedad, hongos de pudrición, pérdidas o ganancias de calor y pérdida de aire acondicionado. Sin embargo, actualmente, la investigación en estas áreas parece limitada.

Debido a su origen natural, la madera es pionera en la investigación interdisciplinaria y las técnicas de modelado. BASF ha desarrollado un recubrimiento altamente hidrófugo basado en las propiedades de la hoja de loto, como resultado de la incorporación de nanopartículas de sílice y alúmina y polímeros hidrofóbicos. Se han adaptado estudios mecánicos de huesos para modelar la madera, por ejemplo, en el proceso de secado. ^{[ 23 ]}

Se están realizando investigaciones sobre la aplicación de la nanotecnología al vidrio, otro material importante en la construcción. Las nanopartículas de dióxido de titanio (TiO₂ ₎ se utilizan para recubrir el vidrio debido a sus propiedades esterilizantes y antiincrustantes. Estas partículas catalizan reacciones potentes que descomponen contaminantes orgánicos, compuestos orgánicos volátiles y membranas bacterianas. El TiO₂ _es hidrófilo (atrae el agua), lo que le permite atraer las gotas de lluvia que luego arrastran las partículas de suciedad. De esta manera, la introducción de la nanotecnología en la industria del vidrio incorpora la propiedad de autolimpieza del vidrio. ^{[ 22 ]}

El vidrio ignífugo es otra aplicación de la nanotecnología. Esto se logra mediante el uso de una capa intumescente transparente intercalada entre paneles de vidrio (una capa intermedia) formada por nanopartículas de sílice (SiO₂ ₎ , que se convierte en un escudo ignífugo rígido y opaco al calentarse. La mayor parte del vidrio en la construcción se encuentra en la superficie exterior de los edificios. Por lo tanto, es necesario impedir que la luz y el calor entren al edificio a través del vidrio. La nanotecnología puede proporcionar una mejor solución para bloquear la luz y el calor que entran por las ventanas. ^{[ 22 ]}

Los recubrimientos constituyen un área importante en la construcción, ya que se utilizan ampliamente para pintar paredes, puertas y ventanas. Deben proporcionar una capa protectora adherida al material base para obtener una superficie con las propiedades protectoras o funcionales deseadas. Además, deben poseer capacidad de autorreparación mediante un proceso de autoensamblaje. La nanotecnología se aplica a las pinturas para obtener recubrimientos con capacidad de autorreparación y protección contra la corrosión bajo aislamiento. Estos recubrimientos son hidrofóbicos y repelen el agua de las tuberías metálicas, protegiendo también el metal del ataque del agua salada. ^{[ 22 ]}

Los sistemas basados ​​en nanopartículas pueden proporcionar una mejor adhesión y transparencia. El recubrimiento de TiO₂ _captura y descompone contaminantes atmosféricos orgánicos e inorgánicos mediante un proceso fotocatalítico, lo que permite un mejor uso ambiental de las carreteras. ^{[ 22 ]}

La resistencia al fuego de las estructuras de acero se suele proporcionar mediante un recubrimiento aplicado por pulverización con cemento. El nanocemento tiene el potencial de crear un nuevo paradigma en este campo de aplicación, ya que el material resultante puede utilizarse como un recubrimiento resistente, duradero y de alta temperatura. Proporciona un buen método para aumentar la resistencia al fuego y es una opción más económica que el aislamiento convencional. ^{[ 22 ]}

En la construcción, los nanomateriales se utilizan ampliamente, desde ventanas autolimpiables hasta paneles solares flexibles y pintura que bloquea la señal wifi. El hormigón autorreparable, los materiales que bloquean la radiación ultravioleta e infrarroja, los revestimientos que absorben la contaminación y las paredes y techos emisores de luz son ejemplos de los nuevos nanomateriales en la construcción. La nanotecnología promete hacer realidad el "hogar inteligente". Los sensores con tecnología nanotecnológica pueden monitorizar la temperatura, la humedad y las toxinas en el aire, lo que requiere baterías mejoradas basadas en nanotecnología. Los componentes del edificio serán inteligentes e interactivos, ya que el sensor utiliza componentes inalámbricos y puede recopilar una amplia gama de datos. ^{[ 22 ]}

Si los nanosensores y los nanomateriales se convierten en parte cotidiana de los edificios, como ocurre con las casas inteligentes , ¿cuáles son las consecuencias de estos materiales para los seres humanos? ^{[ 22 ]}

1. Efecto de las nanopartículas en la salud y el medio ambiente: Las nanopartículas también pueden ingresar al cuerpo si el suministro de agua de los edificios se filtra a través de nanofiltros disponibles comercialmente. Las nanopartículas en el aire y en el agua ingresan a través de los sistemas de ventilación y aguas residuales de los edificios. ^{[ 22 ]}
2. Efecto de las nanopartículas en cuestiones sociales: A medida que los sensores se vuelven comunes, la interacción de los usuarios con componentes de edificios cada vez más inteligentes puede generar una pérdida de privacidad y autonomía. ^{[ 22 ]}