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Nanotecnología
Representación
animada de un nanotubo de carbono.
La nanotecnología es la manipulación de la materia a escala
nanométrica. La más temprana y difundida descripción de la nanotecnología1 2 se
refiere a la meta tecnológica particular de manipular en forma precisa los
átomos y moléculas para la fabricación de productos a macroescala, ahora
también referida como nanotecnología molecular. Subsecuentemente una
descripción más generalizada de la nanotecnología fue establecida por la
Iniciativa Nanotecnológica Nacional, la que define la nanotecnología como la
manipulación de la materia con al menos una dimensión del tamaño de entre 1 a
100 nanómetros. Esta definición refleja el hecho de que los efectos mecánica
cuántica son importantes a esta escala del dominio cuántico y, así, la
definición cambió desde una meta tecnológica particular a una categoría de
investigación incluyendo todos los tipos de investigación y tecnologías que
tienen que ver con las propiedades especiales de la materia que ocurren bajo
cierto umbral de tamaño. Es común el uso de la forma plural de "nanotecnologías"
así como "tecnologías de nanoescala" para referirse al amplio rango
de investigaciones y aplicaciones cuyo tema en común es su tamaño. Debido a la
variedad de potenciales aplicaciones (incluyendo aplicaciones industriales y
militares), los gobiernos han invertido miles de millones de dólares en
investigación de la nanotecnología. A través de su Iniciativa Nanotecnológica
Nacional, Estados Unidos ha invertido 3,7 mil millones de dólares. La Unión
Europea ha invertido[cita requerida] 1,2 mil millones y Japón 750 millones de
dólares.3
Nano es un prefijo griego que indica una medida (10-9 = 0,000 000
001), no un objeto; de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un
campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la
escala de la materia con la que trabaja.
La nanotecnología definida por el tamaño es naturalmente un campo
muy amplio, que incluye diferentes disciplinas de la ciencia tan diversas como
la ciencia de superficies, química orgánica, biología molecular, física de los
semiconductores, microfabricación, etc.4 Las investigaciones y aplicaciones
asociadas son igualmente diversas, yendo desde extensiones de la física de los
dispositivos a nuevas aproximaciones completamente nuevas basadas en el
autoensamblaje molecular, desde el desarrollo de nuevos materiales con
dimensiones en la nanoescalas al control directo de la materia a escala
atómica.
Actualmente los científicos están debatiendo el futuro de las
implicaciones de la nanotecnología. La nanotecnología puede ser capaz de crear
nuevos materiales y dispositivos con un vasto alcance de aplicaciones, tales
como en la medicina, electrónica, biomateriales y la producción de energía. Por
otra parte, la nanotecnología hace surgir las mismas preocupaciones que
cualquier nueva tecnología, incluyendo preocupaciones acerca de la toxicidad y
el impacto ambiental de los nanomateriales,5 y sus potenciales efectos en la
economía global, así como especulaciones acerca de varios escenarios
apocalípticos. Estas preocupaciones han llevado al debate entre varios grupos
de defensa y gobiernos sobre si se requieren regulaciones especiales para la
nanotecnología.
Definición[editar]
La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación,
síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas
funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación
de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la
materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente
nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear
materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades
únicas.
Historia[editar]
Artículo principal: Historia de la nanotecnología
El ganador del premio Nobel de Física de 1965, Richard Feynman,
fue el primero en hacer referencia a las posibilidades de la nanociencia y la
nanotecnología en un discurso que dio en el Caltech (Instituto Tecnológico de
California) el 29 de diciembre de 1959, titulado En el fondo hay espacio de
sobra (There's Plenty of Room at the Bottom), en el que describe la posibilidad
de la síntesis vía la manipulación directa de los átomos. El término
"nanotecnología" fue usado por primera vez por Norio Taniguchi en el
año 1974, aunque esto no es ampliamente conocido.
Comparaciones de los tamaños de los nanomateriales.
Inspirado en los conceptos de Feynman, en forma independiente K.
Eric Drexler usó el término "nanotecnología" en su libro del año 1986
Motores de la Creación: La Llegada de la Era de la Nanotecnología (en inglés:
Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology), en el que propuso la
idea de un "ensamblador" a nanoescala que sería capaz de construir
una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria con un
nivel de control atómico. También en el año 1986, Drexler co-fundó The
Foresight Institute (en castellano: El Instituto de Estudios Prospectivos), con
el cual ya no tiene relación, para ayudar a aumentar la conciencia y
comprensión pública de los conceptos de la nanotecnología y sus implicaciones.
Así, el surgimiento de la nanotecnología como un campo en la
década de 1980 ocurrió por la convergencia del trabajo teórico y público de
Drexler, quien desarrolló y popularizó un marco conceptual para la
nanotecnología, y los avances experimentales de alta visibilidad que atrajeron
atención adicional a amplia escala a los prospectos del control atómico de la
materia.
Por ejemplo, la invención del microscopio de efecto túnel en el
año 1981 proporcionó una visualización sin precedentes de los átomos y enlaces
individuales, y fue usado exitosamente para manipular átomos individuales en el
año 1989. Los desarrolladores del microscopio Gerd Binnig y Heinrich Rohrer del
IBM Zurich Research Laboratory (en castellano: Laboratorio de Investigación
Zurich IBM) recibieron un Premio Nobel en Física en el año 1986.6 7 Binnig,
Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese
año.
Buckminsterfullereno C60, también conocido como buckybola, es un
miembro representativo de las estructuras de carbono conocidas como fullerenos.
Los miembros de la familiar del fullereno son una materia principal de
investigación que cae bajo el interés de la nanotecnología.
Los fullerenos fueron descubiertos en el año 1985 por Harry Kroto,
Richard Smalley y Robert Curl, quienes en conjunto ganaron el Premio Nobel de
Química del año 1996.8 9 Inicialmente el C60 no fue descrito como
nanotecnología; el término fue utilizado en relación con el trabajo posterior con
los tubos de grafeno relacionados (llamados nanotubos de carbono y algunas
veces también tubos bucky) lo que sugería aplicaciones potenciales para
dispositivos y electrónica de nano escala.
A principios de la década de 2000, el campo cosechó un
incrementado interés científico, político y comercial que llevó tanto a la
controversia como al progreso. Las controversias surgieron en relación a las
definiciones y potenciales implicaciones de las nanotecnologías, ejemplificado
por el informe de la Royal Society acerca de la nanotecnología.10 Los desafíos
surgieron de la factibilidad de las aplicaciones imaginadas por los proponentes
de la nanotecnología molecular, que culminó en un debate público entre Drexler
y Smalley en el año 2001 y el año 2003.11
Mientras tanto, la comercialización de los productos basados en
los avances de las tecnologías a nanoescala comenzaron a surgir. Estos
productos están limitados a aplicaciones a granel de los nanomateriales y no
involucran el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen a la
plataforma Nano Silver que utiliza nanopartículas de plata como un agente
antibacterial, los protectores solares transparentes basados en nanopartículas
y de los nanotubos de carbono para telas resistentes a las manchas.12 13
Los gobiernos se movieron a la promoción y el financiamiento de la
investigación en nanotecnología, comenzando por Estados Unidos con su
Iniciativa Nanotecnológica Nacional, que formalizó la definición de la
nanotecnología basada en el tamaño y que creó un fondo de financiamiento para
la investigación de la nanoescala.
Para mediados de la década del 2000 nueva y sería atención
científica comenzó a florecer. Proyectos emergieron para producir una hoja de
ruta para la nanotecnología14 15 que se centraba en la manipulación atómica
precisa de la materia y que discute las capacidades, metas y aplicaciones
existentes y proyectadas.
Otras personas de esta área fueron Rosalind Franklin, James Dewey
Watson y Francis Crick quienes propusieron que el ADN era la molécula principal
que jugaba un papel clave en la regulación de todos los procesos del organismo,
revelando la importancia de las moléculas como determinantes en los procesos de
la vida.
Pero estos conocimientos fueron más allá, ya que con esto se pudo
modificar la estructura de las moléculas, como es el caso de los polímeros o
plásticos que hoy en día encontramos en nuestros hogares. Pero hay que decir
que a este tipo de moléculas se les puede considerar “grandes”.
Hoy en día la medicina tiene más interés en la investigación en el
mundo microscópico, ya que en él se encuentran posiblemente las alteraciones
estructurales que provocan las enfermedades, y no hay que decir de las ramas de
la medicina que han salido más beneficiadas como es la microbiología,
inmunología, fisiología; han surgido también nuevas ciencias como la Ingeniería
Genética, que ha generado polémicas sobre las repercusiones de procesos como la
clonación o la eugenesia.
El desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología en América
Latina es relativamente reciente, en comparación a lo que ha ocurrido a nivel
global. Países como México, Costa Rica, Argentina, Venezuela, Colombia, Brasil
y Chile contribuyen a nivel mundial con trabajos de investigación en distintas
áreas de la nanociencia y la nanotecnología.16 Además, algunos de estos países
cuentan también con programas educativos a nivel licenciatura, maestría,
posgrado y especialización en el área.
Conceptos fundamentales[editar]
La nanotecnología es la ingeniería de sistemas funcionales a
escala molecular. Esto cubre tanto el actual trabajo como conceptos que son más
avanzados. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la habilidad
proyectada para construir elementos desde lo más pequeño a lo más grande,
usando técnicas y herramientas, que actualmente están siendo desarrolladas,
para construir productos completos de alto desempeño.
Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte, o 10−9, de un
metro. Por comparación, los típicos largos de enlaces
carbono-carbono, o el espacio entre estos átomos en una molécula, están
alrededor de los 0,12–0,15 nm y la doble hélice de un ADN tiene un diámetro de
alrededor de 2 nm. Por otra parte, la forma de vida célular más pequeña, la
bacteria del género Mycoplasma, tienen alrededor de 200 nm de largo. Por
convención, la nanotecnología es medida en el rango de escala de entre 1 a 100
nm de acuerdo a la definición usada por la Iniciativa Nanotecnológica Nacional
en Estados Unidos. El límite inferior está dado por el tamaño de los átomos (el
hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen un diámetro aproximado de
un cuarto de nm) dado que la nanotecnología debe fabricar sus dispositivos a
partir de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitrario pero
se encuentra alrededor del tamaño en que fenómenos que no pueden ser observados
en estructuras más grandes comienzan a ser aparentes y pueden ser usados en el
nanodispositivo.17 Estos nuevos fenómenos hacen que la nanotecnología sea
distinta de los dispositivos que son meramente versiones miniaturizadas de un
dispositivo macroscópico equivalente; tales dispositivos se encuentran a una
escala más grande y caen bajo la descripción de microtecnología.18
Para poner la escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un
nanómetro a un metro es lo mismo que el de una roca al tamaño de la Tierra.19
Otra forma de ponerlo: un nanómetro es la cantidad en que la barba de un hombre
promedio crece en el tiempo al que a este le toma levanta la afeitadora a su
cara.19
Se usan dos aproximaciones a la nanotecnología. En la aproximación
"desde el fondo hacia arriba", los materiales y dispositivos son
construidos a partir de componentes moleculares que se ensamblan por sí mismos
químicamente por los principios del reconocimiento molecular. En la
aproximación "desde arriba hacia abajo", los nano-objetos son
construidos a partir de entidades más grandes son un control a nivel atómico.20
Áreas de la física tales como la nanoelectrónica, la nanomecánica,
nanofotónica y la nanoiónica han evolucionado durante estás últimas pocas
décadas para proporcionar un fundamento científico básico a la nanotecnología.
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