Nanotecnología

En las últimas décadas, los avances en el estudio científico de la materia a escala atómica han permitido consolidar un nuevo conocimiento, la nanotecnología, de implicaciones sociales más profundas que las sucedidas con cualquier otra tecnología en los últimos dos siglos de Revolución Industrial.

La nanotecnología define la habilidad acumulada por el ser humano en la caracterización, diseño, producción y control de la materia, viva o no, a nivel atómico o molecular. Desde un punto de vista práctico, esta tecnología constituye un conjunto de técnicas diferentes, pero que tienen en común el tamaño a las que operan, la nanoescala (escala mil veces inferior a lo que permite operar la microtecnología).

Esta capacidad de manipular la materia a nivel atómico explica el interés transversal que despierta esta tecnología en otras tecnologías convergentes, y su rol integrador en varios campos del conocimiento, donde los elementos clave son nanoscópicos. Ejemplos de estos elementos son los genes para la Biotecnología, los nuevos dispositivos electrónicos para las tecnologías de la información, o los nanocomponentes base de los nuevos materiales para la Tecnología de Materiales, entre otras.

Nano, del latínnanus, prefijo que significa “enano”, es la manera de referirse con brevedad al nanómetro. Un nanómetro es tan pequeño que requerimos mil millones de ellos para completar la longintud de un (1) metro.

Nanómetro (abreviado nm): mil millonésima parte de un metro 1/1  000 000 000= 1x10-9

SER HUMANO(1,70 m): Los tamaños que nos rodean son de la escala de 1 metro.

HORMIGA(3 a 5 mm): Por más diminutas que parezcan las hormigas, estas son gigantes desde el punto de vista de la nanoescala. 1000 mm = 1 m

DIÁMETRO CABELLO HUMANO(100 µm): el tamaño del objeto más pequeño que se puede ver a simple vista es de unos 10 000 nm = 100 µm

CÉLULA (10 µm): en la escala de las millonésimas de metro encontramos la unidad básica de todo lo viviente, pero no es lo suficientemente pequeña para la nanociencia.1000  micrómetros (µm) = 1 mm

SALMONELA (2 µm): este nocivo microorganismo es más diminuto que una célula, pero enorme si queremos hacer nanotecnología.

VIRUS (60 nm): este agente infeccioso opera en la escala de los nanómetros.1000 nm = 1 µm

Datos:

  • La uña del meñique tiene aproximadamente 10 millones de nanómetros de diámetro.
  • La cabeza de un alfiler tiene un millón de nanómetros de ancho.
  • Un billete tiene 100 mil nanómetros de grosor.
  • Nanoobjetos: átomos y moléculas, nanopartículas, nanotubos de carbono, virus, ADN, liposomas, etc.

Es el estudio de los procesos fundamentales que ocurren en las estructuras entre 1 y 100 nanómetros, las cuales se conocen como nanoestructuras.

Es el área de investigación que estudia, diseña y fabrica materiales o sistemas a escalas nanoscópicas y les da alguna aplicación práctica.

El comportamiento de la materia cambia a escala nanométrica, estos cambios en el comportamiento de los materiales se debe a dos efectos:

  1. Efecto cuántico: hace que los materiales en tamaño nano tengan propiedades ópticas, eléctricas, térmicas, mecánicas (resistencia/flexibilidad) y magnéticas diferentes.
  2. Efecto de superficie: cuanto menor es el tamaño, mayor es la superficie externa y, por tanto, mayor la reactividad con los átomos de los materiales vecinos.

Cuando el volumen de un material se divide, la relación SUPERFICIE/VOLUMEN aumenta
  • El carbono en forma de grafito (mina de lápiz) es suave y maleable, mientras que a escala nanométrica el mismo elemento carbono puede ser más fuerte que el acero y seis veces más liviano.
  • El óxido de zinc, que se presenta blanco y opaco en la escala de micrones, es transparente a escala nano.
  • Un fragmento nanoscópico de oro no es dorado. Una nanopartícula de oro puede ser roja, naranja, morada o hasta verdosa dependiendo de su tamaño.

Para la identificación de un material se pueden utilizar diversos instrumentos que permiten obtener información sobre sus propiedades físicas, químicas, estructurales, entre otras. Las técnicas mayormente empleadas para la caracterización de materiales son la microscopía óptica y electrónica, microscopía de efecto túnel y lasespectroscopías.

Un microscopio es un instrumento que nos permite ver objetos que son demasiado pequeños para ser observados a simple vista.

La mayoría de los Microscopios Ópticos (MO) poseen por lo menos dos lentes y su funcionamiento se basa en la refracción o cambio de dirección que sufre la luz al pasar por las lentes. El objetivo está cerca de la muestra que se estudia, recoge la luz reflejada por ella y la aumenta. El ocular es la lente por medio de la cual la persona observa y agranda de nuevo la imagen. Un microscopio óptico puede aumentar una imagen hasta mil veces. Con el MO podemos observar objetos con un tamaño comprendido entre aprox. 100µm y 10µm como por ejemplo células de plantas y animales.

Cuando el tamaño del objeto estudiado es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, no podemos observarlo usando un microscopio óptico y debemos usar los microscopios electrónicos. Los microscopios electrónicos utilizan electrones en lugar de luz para analizar la muestra, lo que permite una resolución miles de veces mejor que la de un microscopio óptico. Con los microscopios electrónicos podemos observar materiales con tamaños menores a los 10µm como por ejemplo virus, ADN, nanopartículas.

El Microscopio Electrónico de Transmisión (MET) funciona de la siguiente manera: la fuente de electrones, ubicada en la parte superior del microscopio, emite electrones que viajan a través del vacío que se encuentra en la columna del microscopio (es necesario tener un vacío casi total en el interior del microscopio debido a que los electrones pueden ser desviados por las moléculas de aire); en lugar de lentes de vidrio que enfocan la luz, el MET utiliza lentes electromagnéticas para enfocar los electrones en un haz muy delgado hacia la muestra; dependiendo de la densidad del material, algunos electrones son dispersados. En la parte inferior del microscopio los electrones que no son dispersados chocan con una pantalla fluorescente donde se genera la imagen.El microscopio electrónico de transmisiónpermite examinar la estructura interna de los materiales (por ejemplo, el núcleo de una célula) utilizando los electrones primarios que atraviesan la muestra a caracterizar. Un MET puede aumentar un objeto hasta un millón de veces.

Bacilos en división

60.000X MET, Mitocondria

Con el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) se puede tener una idea muy buena de la forma que tienen los objetos estudiados. En un MEB el haz de electrones no está fijo en un solo lugar, sino que barre la muestra punto por punto. De la interacción entre los electrones incidentes y los átomos que componen la muestra se generan señales las cuales son captadas con detectores y observadas en una computadora. Los microscopios de barrido pueden aumentar una imagen hasta 10 000 veces.

Glóbulo rojo

Glóbulo blanco

Si tenemos un objeto y queremos saber su forma, podemos “verlo”, tocándolo con la mano, para sentir sus diferentes contornos, de esta manera utilizamos nuestra mano como sonda para estudiar el objeto; de manera similar funcionan los microscopios de efecto túnel: acercan una sonda a la superficie para medir alguna propiedad física como el voltaje, la corriente, el campo magnético, etc., la cual revela la estructura de la superficie. Esta es la base de una variedad de nuevos microscopios como el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA), el cual mide la fuerza ejercida sobre una punta cuando se mueve sobre la superficie. Este tipo de microscopios tienen resolución atómica, es decir, puede separar un átomo del siguiente, las imágenes que se obtienen no necesariamente muestran los átomos; lo que se “ve” es la forma como se distribuyen los electrones al interactuar la punta del microscopio con la superficie que se estudia.

La espectroscopía se define como el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia y se emplea para estudiar algunas propiedades de las nanoestructuras. Básicamente se hace incidir radiación electromagnética sobre una muestra y de detecta la radiación saliente. Dependiendo de la radiación utilizada, se obtienen diferentes tipos de espectroscopía, como lo son, la espectroscopía infrarroja, espectroscopíaRaman, rayos X, electrones Auger, etc.

Otra forma de estudiar las nanoestructuras y los fenómenos que ocurren en las dimensiones nanoscópicas es a través de cálculos teóricos y simulaciones numéricas por computadora. Utilizando computadoras, los científicos y los ingenieros realizan simulaciones de estructuras y fenómenos en la escala nanoscópica. Estas simulaciones ayudan no solamente a entender y usar mejor las teorías, sino también a interpretar mejor los experimentos.

La fabricación y el uso de nanopartículas no es algo nuevo. En la Edad Media los artesanos que hacían los vitrales mezclaban polvo o diluciones de metales con el vidrio y obtenían diferentes colores. Hoy sabemos que el color de los vitrales se debe a la formación de pequeñas nanopartículas de metales como oro y plata con diámetros menores a los 100 nm.

   

En Mesoamérica, se usaba con frecuencia el azul maya para pintar murales. Por mucho tiempo fue un misterio el origen de este color y su gran durabilidad a través del tiempo. Hoy se sabe que dicha pintura está formada por una mezcla de colorante índigo (azul) con una arcilla, la cual tiene cavidades de tamaños nanoscópicos. Las moléculas de índigo quedan atrapadas en dichas cavidades formando una estructura estable.

Muchos objetos en la naturaleza deben sus propiedades a la estructura nanométrica con la que están formados, como el coral o nuestros huesos. El color iridiscente de las alas de la mariposa o del nácar se debe a que su superficie está formada por componentes de tamaño nanométrico. Asimismo, las hojas de la planta de loto y las alas de algunos insectos muestran una gran repulsión al agua. Este fenómeno también se explica atendiendo a las estructuras de tamaño nanométrico que aparecen en su superficie.

Las patas de la lagartija tienen nano-pelos tan pequeños que facilitan que las fuerzas de atracción entre las moléculas las peguen a superficies verticales desafiando la gravedad. En muchos casos la nanotecnología se inspira en la propia naturaleza para copiar funciones.

En construcción
En construcción

... “nanómetro es lo que crece la barba de un hombre en el tiempo que le toma levantar la hoja de afeitar y acercarla a su rostro.”

... “todo lo que nos rodea se sustenta de nanopartículas, entes que el ojo humano no percibe a simple vista...”

“Dar valor agregado a la producción del laboratorio, llevándola a escala industrial con bajos costos y de calidad, para que los productos finales lleguen al alcance de todos los grupos sociales.”

“Aquí me tienen, con el poco pelo que me queda en la cabeza. Se me cayó casi todo en una semana, después de la quimioterapia. Hace 20 años, cuando ni siquiera existía este brutal tratamiento, yo ya estaría muerto. Pero en otros 20 años, habrá misiles a nanoescala que atacarán las células cancerosas del cuerpo humano y dejarán el resto del cuerpo en santa paz. Probablemente no viva para presenciarlo, mas estoy seguro de que sucederá”.... estas palabras fueron pronunciadas el 22 de junio de 1999 por Richard Smaley pionero de la nanotecnología. El 28 de octubre de 2005 el Químico de profesión y premio Nobel, murió de linfoma no-Hodgkin.

“las cosas pequeñas son parte de la gran realidad”

  • Programa EXPLORA CONICYT
  • Π NANO Programa Interdisciplinario Nanociencia
  • Revista Oficial deNationalGeographicSociety,  NationalGeographic en español, Junio 2006. Vol 18. No. 6. Pag. 88-107
  • Takeuchi, Noboru (2009). Nanociencia y Nanotecnología: la construcción de un mundo mejor átomo por átomo. Colección La Ciencia para Todos; 222. FCE, CNyN-UNAM, SEP, CONACYT, 2009
  • Foladori Guillermo, InvernizziNoela, Bejarano Fernando (2012). Implicaciones sociales y ambientales del desarrollo de las nanotecnologías en América Latina y el Caribe. Red Latinoamericana de Nanotecnología y Sociedad.
  • Nanociencia y Nanotecnología: entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. 2008.