¿Que es la Nanotecnología?

Definición, Historia, Implicaciones y Usos | Por Amelia OS

Publicado a las 03:32 PM CST en Set 19,2017 | Actualizado a las 10:40 AM CST en Oct 30,2017

Tabla de Contenidos

Concepto y Definición de Nanotecnolgía

Introducción

¿Que es la Nanotecnología?

¿Que es la Nanotecnología? es la ciencia que se encarga de modificar o adulterar la materia como existe, pero a diferencia de las ciencias comunes, la nanociencia lo hace a un nivel molecular e incluso supramolecular, esto es, a una escala menor a un micrómetro .

La modificación y alteración de la materia se realiza a un nivel de nanómetros. Un nanobot tan pequeño como 50 nm (nanómetros) sera mas o menos de 5 capas de moléculas o átomos (dependiendo de sus materiales de construcción).

Hecho interesante :Para saber el tamaño real de un nanómetro, debes tomar un milímetro y dividirlo en un millón de partes, una de esas partes , se considera un nanómetro.

Lo puedes hacer igual con un metro, pero entonces debes dividir ese metro en mil millones, y una de esas partes es un nanómetro. Así de pequeña es esta medida.

Esto se expresa como : 10-9

 

En realidad la palabra “Nano” es una medida y no una cosa. Nano es la distancia entre dos átomos. Esto quiere decir, que la Nanotecnologia abarca y comprende muchas disciplinas, que tienen en común la escala a la cual trabajan.

Como es una ciencia relativamente nueva, no se conoce todavía el impacto que tendrá sobre los materiales y sobre el medio ambiente, o la economía, o incluso especulaciones sobre diferentes escenarios apocalípticos, que hemos visto en diversas películas y series de ciencia ficción, lo cual ha llevado a un debate abierto de las partes interesadas (Grupos de defensa y Gobiernos) sobre si una regulación es necesaria, que tipo de regulación, y como aplicarla.

La Nanotecnología Hoy

El término se utiliza ahora para describir la investigación en la física correspondiente a los semiconductores y otros campos de la química, así como en áreas de ingeniería mecánica y tecnología de alimentos (nanoalimentos). Hablamos ahora de las “Nanotecnologías” así como las tecnologías a nano escala con muchos tipos de aplicaciones militares e industriales, por lo que muchos gobiernos han invertidos cuantiosas sumas de dinero en su investigación.

Los nanomateriales juegan ya un papel importante hoy en día: generalmente se producen por medios químicos o por métodos mecánicos. Algunos de ellos están comercialmente disponibles y se utilizan en productos comerciales.

La nanoelectrónica es increíblemente relevante hoy en día. Su afiliación con la nanotecnología no se ve uniformemente en la práctica de las políticas científicas y de investigación. Los efectos y la influencia de las partículas producidas artificialmente en el medio ambiente son poco claras e inexploradas en muchas áreas.

Una dirección de desarrollo de la nanotecnología puede verse como una continuación y expansión de la microtecnología (enfoque de arriba hacia abajo), pero una reducción adicional de las estructuras micrométricas suele requerir enfoques nuevos completamente no convencionales.

La química a menudo sigue el enfoque opuesto en nanotecnología: de abajo hacia arriba. Los químicos, empleados generalmente a nivel molecular, las dimensiones de los nanómetros se realizan a partir de un gran número de moléculas a nanoescala. Un ejemplo son los dendrímeros.

Una pequeña rama de la nanotecnología se ocupa de nanomáquinas o nanobots.

Con la Nanotecnología se podría ser capaz de crear nuevos materiales y dispositivos que pueden ser empleados de muchas maneras, en medicina, dando pie a la nanomedicina, o a la electrónica , convirtiéndola en nanoelectrónica.

Gracias a esta ciencia, desastres ambientales , enfermedades terminales y muchos otros problemas que enfrenta el planeta se podrán solventar a escala microscópica, es aquí cuando la ciencia ficción deja de serlo y la Nanociencia se convierte en la verdadera solución a todos los problemas de la humanidad.

Ya sabemos que es la Nanotecnolgia, pero y los nanomateriales?


Nanomateriales

Es todo material con componentes estructurados , osea que no son aleatorios , los cuales tienen al menos una dimensión inferior  a los 10 nm. ¿Pero que es una dimensión? Todos conocemos , el largo, ancho y alto de los objetos, pues si un material tiene una de estas dimensiones menor a los 100 nm , entonces se considera como un nanomaterial.

Dimensionalidad en nanomateriales

Los nanomateriales se pueden clasificar en nanomateriales 0D, 1D, 2D y 3D. La dimensionalidad desempeña un papel importante en la determinación de las características de los nanomateriales, incluidas las características físicas, químicas y biológicas. Con la disminución de la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación superficie-volumen. Esto indica que los nanomateriales dimensionales más pequeños tienen una mayor superficie en comparación con los nanomateriales 3D. Recientemente, los nanomateriales bidimensionales (2D) han sido ampliamente investigados para aplicaciones electrónicas, biomédicas, de administración de fármacos y biosensores. Lee la entrada principal : Los nanomateriales

Enfoques Principales – Formas de construcción de los nanomateriales

Dos enfoques principales se utilizan en la nanotecnología: una es un enfoque “de abajo hacia arriba” donde los materiales y dispositivos se construyen átomo por átomo, y el otro enfoque es de “arriba hacia abajo” donde los materiales son sintetizados o construidos mediante la eliminación del material existente de los componentes más grandes.


Orígenes e Historia de la nanotecnología

Richard Feynman: El Precursor

Richard Feynman es considerado como el padre de la nanotecnología , debido a su conferencia de 1959 titulada “Hay mucho espacio en la parte inferior” (There’s Plenty of Room at the Bottom) donde se explica la probabilidad de que los átomos puedan ser manipulados directamente. Feynman evoca un posible campo de investigación que entonces era inexplorado: lo extremadamente pequeño, el mundo de la nanoescala.

Basándose en el pequeño tamaño de los átomos, Feynman considera que es posible escribir grandes cantidades de información en superficies muy pequeñas: “Grandes volúmenes de información, bibliotecas enteras, en superficies tan pequeñas como la punta de una aguja”, mencionaba Freynman. Una afirmación que no fue específicamente señalada, y que ahora se cita amplia-mente (de hecho, lo que en ese momento era inviable, ahora parece perfectamente factible, gracias a los avances en las microtecnologías). Feynman quería ir más allá de las máquinas macroscópicas con las que vivimos: imagina un mundo donde los átomos serían manipulados uno a uno y dispuestos en estructuras coherentes de muy pequeño tamaño.

En si, el concepto de “nanotecnología” fue primeramente usado por el profesor Norio Taniguchi del la Universidad de Ciencia de Tokyo en el año 1974.

Así que, usando los estudios realizados por el premio nobel de Fisica en 1965, Richard Feyman, la nanotecnología se define como el cambio de materiales, ya sea átomo por átomo o molécula por molécula. Esto implica que las propiedades críticas de materiales o dispositivos pueden estar en el rango de nanómetros, y que estos materiales y dispositivos están construidos a partir de átomos o moléculas individuales. Hoy en día, sin embargo, la nanotecnología se utiliza rara vez en este sentido estricto. Como se ha mencionado anteriormente, la producción de nanomateriales está químicamente integrado en este concepto.


Las maquinas que permiten interactuar a nivel sub atómico : Los Microscopios

El desarrollo de nanociencias y nanotecnologías se basa en la invención de los instrumentos que permiten observar e interactuar con la materia en una escala atómica o sub-atómica. El primero de estos aparatos es el microscopio de túnel que fue inventado en 1981 por dos investigadores de IBM (Gerd Binnig y Heinrich Rohrer), y que permite recorrer superficies conductoras o semiconductoras utilizando un fenómeno cuántico denominado “el efecto túnel” , para determinar la morfología y densidad de estados electrónicos de las superficies que este explora.

El segundo es el microscopio de fuerza atómica, que es un derivado del microscopio de túnel, y que mide las fuerzas de interacción entre la punta del microscopio y la superficie explorada. A diferencia del microscopio de túnel, esta herramienta permite visualizar materiales no conductores. Estos instrumentos combinados con la fotolitografía permiten observar, manipular y crear nanoestructuras.

Fullerènes y nanotubos

En 1985, tres investigadores, Richard Smalley, Robert F. Curl (en la Universidad Rice en Houston) y Harold W. Kroto (Universidad de Sussex) descubrieron una nueva forma alotrópica del carbono, la molécula C60 que consta de 60 átomos de carbono dividida sobre los vértices de un poliedro regular formado de facetas hexagonales y pentagonales. Cada átomo de carbono tiene un enlace con otros tres. Esta forma es conocida como la Buckminsterfullereno o buckyball y lleva el nombre del arquitecto e inventor estadounidense Richard Buckminster Fuller quien creó varias cúpulas geodésicas cuya forma es similar a la C6014.

Más generalmente, los fullerenos de los cuales el C60 es solo una parte, son una nueva familia de compuestos del carbón. Estos no son equiláteros, su superficie consiste en una combinación de hexágonos y pentágonos como las facetas de un balón de fútbol. Esta disposición les da estructuras que están siempre cerradas en forma de jaula de carbono. Sin embargo, hubo que esperar hasta 1990 para que Huffman y Kramer, de la Universidad de Heidelberg, desarrollaran un proceso de síntesis para la obtención de estas moléculas en cantidades macroscópicas. Los nanotubos fueron identificados seis años después en un subproducto de la síntesis de fullereno.

La Vision de Drexler

Sin embargo fue Eric Drexler que en 1986 , hizo que el término “nanotecnología” fuera amplia mente conocido. Con su libro “Motores de la Creación“, inspiró a muchos médicos y científicos algunos muy conocidos, incluyendo Richard E. Smalley , para empezar a estudiar las diversas aplicaciones de esta nueva ciencia. La definición de Drexler es más estricta que la Taniguchis: esta se limita a la construcción de máquinas y materiales complejos a partir de átomos individuales.

Drexler, en 1986 , co-fundo El Instituto de Estudios Prospectivos, para promover el estudio y aplicación de la Nanotecnologia. Drexler ya no tiene relación con este instituto al día de hoy. Fue Drexler el que pavimento el camino para la popularización de la nanociencia que atrajeron mucha atención, especialmente de grandes empresas.

Drexler escribe que si el desarrollo de las nanotecnologías, aparentemente inevitable en el proceso evolutivo, nos llevara enormemente a grandes áreas, también es muy probable que estas tecnologías se vuelvan destructivas si no las dominamos completamente.

En este sentido, una de las preguntas que se pueden plantear es la fuerte capacidad de penetración de las nanopartículas en los tejidos celulares. De hecho, debido a su tamaño más pequeño que las células, ya que estas últimas están en el estado de partículas, pueden anular ciertas barreras naturales. Esta propiedad ya está explotada en la industria cosmética.

Así las leyes físicas que parecen insuperables hoy en día podrían ser anticuadas en un futuro cercano, los productos creados podrían ser menos costosos, más sólidos, más eficientes gracias a la manipulación molecular. Pero Drexler también previó lo que podría llamarse el otro lado de la moneda, ya que esas tecnologías capaces de reproducirse o al menos replicarse a sí mismas podrían ser simplemente cataclísmicas o apocalipticas ya que, por ejemplo, las bacterias creadas con algún interés oscuro podrían replicarse al infinito y causar estragos en la flora, pero también en la fauna e incluso en la humanidad.

La nanotecnología en si de hoy por hoy no cae en lo que Drexler considera lo que es la nanotecnología . A lo largo de los años noventa, Drexler repensó su concepto de esta ciencia como una de-limitación de la nanotecnología molecular (MNT), ya que el término se ha utilizado con frecuencia para describir todo el trabajo que se ocupa de las nanoestructuras, a pesar de que incluso se pueden usar la química ordinaria, métodos farmacéuticos o métodos físicos.

La otra versión de la Nanotecnología

De hecho, muchos científicos se oponen actualmente a la visión de Drexler de la nanotecnología. A pesar de que según los defensores de la MNT (nanotecnología molecular), los oponentes de la MNT no han logrado producir argumentos científicos convincentes contra la viabilidad de la MNT, muchos consideran que su viabilidad es poco probable; aunque Drexler y Nanosystems publicaron un libro de texto sobre MNT en 1991, que, sobre la base de su tesis doctoral en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), describe en términos científicos los pasos necesarios para su llevada a cabo.

A lo largo de los años, los supuestos de Drexler han sido confirmados experimentalmente, pero hay muchas reservas que se interponen en la forma de realización: incluso si fuera posible producir un nanomotor de metal, por ejemplo, no sería de larga duración sobre la superficie metálica , esta paralizaría el motor. Los metales tales como hierro, acero o aluminio forman una fina película de óxido en el aire que no interfiere con las piezas de trabajo ordinarias. Sin embargo, la oxidación de nanometales conduce usualmente a la conversión completa en óxido.

Un nanomotor de metal sería quemado completamente por el oxígeno en el aire. Por lo tanto, sólo se podría construir un motor que consista en una sustancia que no se oxide por el agua. Si las macromoléculas se movieran en el vacío o en el aire a una distancia de menos de unos pocos diámetros atómicos, se pegarían juntas por las fuerzas de Van-der-Waals. Sin embargo, si las macromoléculas están incrustadas en agua u otro líquido adecuado, el líquido asume las fuerzas de Van-der-Waals y las macromoléculas se pueden mover entre sí con poca fricción. De esta manera, las células vivas funcionan, y el flagelo de la bacteria alcanza 50 revoluciones por segundo.

También es difícil mantener o liberar los átomos o moléculas individuales mecánicamente por las fuerzas de Van-der-Waals, que se denominan como el “Problema del dedo pegajoso” (“Sticky Finger Problem”). Este problema, así como la producción puramente mecánica de enlaces covalentes, fue superado por la aplicación de una tensión eléctrica.

Física de la nanociencia

En el nivel de la nanoescala, el material tiene propiedades particulares que pueden justificar un enfoque específico. Por supuesto, hablamos de las propiedades cuánticas, pero también los efectos de la superficie, el volumen o los efectos del borde. Por lo tanto, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, una partícula puede adoptar un comportamiento ondulatorio en la nanoescala a expensas del comportamiento normal que conocemos de las partículas a nivel macroscópico. Esta dualidad onda-partícula es particularmente evidente en el experimento de las ranuras de Young. Un haz de partículas (luz, electrones, etc.) interfiere con una serie de ranuras estrechamente espaciadas y crea un patrón de interferencia, característico de un fenómeno ondulatorio. Esta particularidad doble onda-partícula de la materia, sigue siendo hasta el día de hoy una de las grandes cuestiones de la física que causará diversos fenómenos a nivel nanométrico, por ejemplo:

Cuantificación de la electricidad: en nanocables (o nanoalambre) se observó que la corriente eléctrica ya no está constituido por un flujo continuo de electrones pero es cuantificada, es decir que los electrones circulan por “paquetes” en el circuito;

Cuantificación del calor: similar mente en un circuito de tamaño nanométrico, se ha observado que el calor se propaga de una manera cuantificada.

Estos fenómenos fueron observados por primera vez en el año 2001, con la “cadena conductora eléctricamente” por su inventor, el termodinámico Hubert Juillet, que permitió confirmar las teorías de la mecánica cuántica en este campo. Este comportamiento cuántico nos obliga a revisar nuestro pensamiento: cuando queremos describir una partícula, ya no hablamos en términos de posición en un momento dado, sino más bien en términos de probabilidad de que se detecte la partícula en un solo lugar en vez de a otro.

El principal desafío de las nanociencias es, por tanto, comprender estos fenómenos, pero también y sobre todo beneficiarse de ellos al diseñar un sistema a nanoescala. Muchos laboratorios alrededor del mundo están trabajando en este tema.

El surgimiento de las nanotecnologías

Se han realizado varios estudios para comprender la evolución de las nanotecnologías y las nanociencias. Por lo tanto, considerando que las definiciones no se estabilizan, el componente común de los diversos métodos utilizados es medir la actividad de la nanotecnología desde tres ángulos distintos: publicaciones científicas (más bien para conocimiento básico), patentes (más bien para aspectos tecnológicos) , y posiblemente las instituciones y empresas afectadas o el capital invertido (para medir la actividad económica e industrial real). Ya sea para patentes o publicaciones científicas, los valores presentados en las siguientes tablas fueron insignificantes antes de los años noventa.

El cambio tecnológico de 1995 a 2003 en el mundo

Según el artículo publicado en la revista Nature Nanotechnology en 2006, se observa la siguiente evolución de las patentes presentadas ante la Oficina Europea de Patentes (EPO):

Año 1995 2000 2003
Número de patentes del año 950 1600 2600

Si bien estas cifras representan un cambio importante, también hay una estabilidad relativa para estos dos períodos. Sin embargo, esta evolución no tiene en cuenta el crecimiento más rápido (1997-1999) y las disminuciones (2000-2001).

En 2005, muchos centros de investigación comenzaron a estudiar los nanocables para tratar de producir los para las industrias, usando diversos procesos, principalmente mediante un proceso llamado “crecimiento”, un nanocable suficientemente largo y sólido tendría, como peculiaridad, los mismos efectos cuánticos que la cadena conductora de la electricidad.

Evolución del conocimiento fundamental entre 1989 y 2000 en el mundo

Para caracterizar la evolución de las publicaciones científicas, se utilizó un artículo que utilizó una metodología más completa que la utilizada en Nature Nanotechnology y que caracterizó la evolución de las publicaciones de nanotecnología:

Periodos 1989-1990 1991-1992 1993-1994 1995-1996 1997-1998 1999-2000
Publicaciones acumuladas 1000 10000 20000 35000 55000 80000
Nuevas publicaciones 1000 9000 10000 15000 20000 25000

Períodos de creaciones de las empresas afectadas por las NST

Siguiendo un informe emitido por la Comisión Europea con respecto a la estimación del desarrollo económico de las NST, podemos mirar las fechas de creación de empresas afectadas por esta actividad.

Periodos de Creación Antes de 1900 1900-1950 1951-1980 1981-1990 1991-2000
Número de empresas involucradas 20 60 45 75 230

Estas cifras se basan en un directorio particular de empresas que parece subestimar la fuerza de trabajo real. Ellos muestran una aceleración clara de las empresas de nanotecnología desde la década de 1990, pero otras fuentes, más completas las estima muy por encima de estas cifras. El sitio NanoVIP estimó que en el 2005 más de 1.400 empresas fueron identificadas como afectadas por las nanotecnologías. Más recientemente, se reporta más de 6.000 empresas para el 2006. Esta investigación se basa en un método de combinación de fuentes de información mediante la adición de varios marcadores de actividad del uso de la nanotecnología, como las patentes . En 2006, el 48% de las empresas que invierten en nanotecnologías están en Estados Unidos, mientras que en Europa (con 27 países asociados a la UE) representa el 30% y Asia el 20%.

Disciplinas fundamentales

El desarrollo actual de las nanociencias y las nanotecnologías moviliza y abarca un amplio espectro de dominios y disciplinas científicas.

Principales campos científicos

Desde el punto de vista del conocimiento científico , varias subdisciplinas son particularmente útiles para el desarrollo de los conocimientos básicos de la Nanotecnología. De hecho, un analisis detallado sobre la manera en que los artículos científicos sobre nanotecnologías y nanociencias se publican muestran la aparición de tres subcampos específicos:

  • – biociencias y farmacología: alrededor de la biología, laboratorios farmacéuticos y biotecnologías. Este campo puede calificarse como el de nanobiología;
  • – nanomateriales y síntesis química: alrededor de la química y los nanomateriales. Este campo puede calificarse como el de los nanomateriales;
  • – superconductividad y computación cuántica: esencialmente derivada de la microelectrónica, este campo puede calificarse como el de la nanoelectrónica.

Estos tres campos se articulan entre sí con más o menos intensidad . Tienen un gran impacto en la organización de la actividad industrial en la que se mueven. De hecho, la nanobiología se estructura esencialmente en torno a numerosas pequeñas empresas y grandes grupos farmacéuticos, mientras que las actividades industriales relacionadas con la nanoelectrónica se organizan principalmente en torno a grupos muy grandes y algunas pequeñas empresas .

Ingeniería Molecular

Engranaje molecular de una simulación de la NASA

 

La ingeniería molecular, posibilitada por la invención de un instrumento como el microscopio de tunelización, consiste en construir y desarrollar moléculas “personalizadas”.

Industria Médica

Las comunidades biológicas y médicas explotan las propiedades de los nanomateriales para una variedad de aplicaciones (agentes de contraste para imágenes de células, terapias para el control del cáncer, etc).

Las aplicaciones en este campo se agrupan bajo el término de nanobiología y nanomedicina. En Francia, Patrick Couvreur es el representante más antiguo de los investigadores de este tipo de Nanotecnología actual.

Las funciones que se le pueden dar a los nanomateriales interconectándolos con estructuras o moléculas biológicas son amplias. Por lo tanto, los nanomateriales son útiles para la investigación y aplicaciones en seres vivos e incluso in vitro. Esta integración permite la aparición de herramientas para el diagnóstico o la administración de fármacos.

Industria Energética

  • Podemos ver avances en almacenamiento, producción de energía y ahorro de energía.
    Las estructuras semiconductoras apiladas permiten obtener rendimientos mucho mejores para las células fotovoltaicas.
  • Las reducciones en el consumo de energía son posibles gracias a los sistemas de aislamiento térmico, una mejora de los materiales conductores. En el campo de la producción de luz, el uso de materiales derivados de nanotecnologías como los LEDs permite obtener un rendimiento muy interesante.
  • El uso de materiales nanoporosos para el almacenamiento de hidrógeno podría finalmente democratizar su uso, actualmente bloqueado por la pequeña cantidad de hidrógeno almacenada en depósitos convencionales que de otro modo están llenos de defectos (fugas, rendimientos pobres, pesado, caro, etc.)

Este hidrógeno podría utilizarse entonces en motores de combustión o pilas de combustible.

  • El uso de nanotubos de carbono en el campo del almacenamiento de electricidad podría conducir a la creación de una batería llamada supercapacitor, que se recargaría en segundos, siendo más ligero que una batería química y teniendo una vida util de unos 3.000 años.

Electrónica

Las estructuras de chips electrónicos o circuitos integrados ya están a escala nanométrica y se utilizan intensamente las nanotecnologías en su fabricación. El progreso continúa en las áreas de comunicaciones, almacenamiento de información e informática.

Durante mucho tiempo , la integración de componentes de dos micras, es decir, 2 * 10-6 m, sería considerada como el umbral absoluto de miniaturización para dispositivos semiconductores (el espesor de la línea en los circuitos de los primeros procesadores de Intel era del orden de 10 micrones. En ese momento se pensó que sería muy difícil superar la barrera de un micrón).

En 2004, las arquitecturas de 90 nanómetros (0,09 micras) son el común de los procesadores que ahora se producen en masa con una finura de 65 nanómetros desde el primer semestre del 2006. Los chips grabados en 45 nanómetros se liberaron a mediados del 2007, chips de 32 nanómetros fueron lanzados en el 2009, de 22 nanómetros en 2012 y 14 nanómetros en el 2013.

Pero hay un límite absoluto, al menos para una tecnología convencional heredada de la fotolitografía, incluyendo las evoluciones de las tecnologías actuales, tales como fotolitografía “UV extrema”, litografía de rayos X, grabado con haz de electrones, etc. La nanotecnología sugiere un nuevo enfoque más radical cuando las vías convencionales alcanzan sus límites.

Predominan dos grandes dificultades en la construcción de circuitos electrónicos basados ​​en la nanotecnología y, por lo tanto, en la aparición de la nano-computación:

  • A la escala del nanómetro, cada objeto es sólo un conjunto de los mismos ladrillos elementales: los átomos. A esta escala de una milionésima de un milímetro, las propiedades físicas, mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas dependen directamente del tamaño de las estructuras y pueden diferir fundamentalmente de las del material a nivel macroscópico que ha sido explotado hasta presente. Esto se debe a un conjunto de razones que incluyen el comportamiento cuántico, pero también la creciente importancia de los fenómenos de interfaz.
  • Hasta el día de hoy, es imposible controlar el montaje coordinado de un número muy grande de estos dispositivos de conmutación (por ejemplo, el transistor de nanotubos de carbono – CNFET para los circuitos electrónicos mono-moleculares híbridos “Transistor de efecto de campo de nanotubo de carbono” etc) en un circuito y aún menos a nivel industrial.

Investigación en la Actualidad

Nanomateriales (Lea nuestro artículo principal sobre los Nanomateriales)

La ciencia que estudia la dispersión ha llevado al desarrollo de diversos materiales con multitud de usos , por ejemplo las nanobarras , todos los fullerenos como los nanotubos de carbono y las nanopartículas .

El uso común en estos días es usar los nanomateriales en volumen.

Los nanomateriales tienen hoy por hoy un importante uso en la nanomedicina.

Los materiales de la nanoescala se utilizan a veces en las células solares de silicio que reducen el coste de las mismas.

Las nanoparticulas son usadas en la nanocomputación, dando pie para el desarrollo de mejores aparatos electrónicos. Vea nuestro articulo principal sobre la Nanocomputación.

La construcción y elaboracion de los nanomateriales tiene dos enfoques, de lo mas grande a lo mas pequeño y viceversa. Ver Nanomateriales.

Nanotubos de Carbono

De lo mas pequeño a los mas grande en Ingles Bottom-up

Es un proceso de construcción que funciona usando las mas pequeñas unidades de un material primero (en este contexto, los átomos) y los manipula uno a uno para dar vida a un producto mayor. Su fabricación es mucho mas barata que el método Top-Down

El enfoque “de lo mas pequeño a lo mas grande” , busca crear nanomateriales átomo por átomo o molécula por molécula en estructuras mas grandes.

En el estudio y la modificación del DNA , a partir de ácidos nucleicos se pueden esculpir otras estructuras buscando que componentes de una sola molécula se unan para formar moléculas mas grandes.

La nalolitografia se usa en la fabricación de circuitos integrados.

De lo mas grande a lo mas pequeño. Top-Down EN Ingles

Es un proceso de construcción en el que primero trabajamos a gran escala y luego se corta o se esculpe hasta que se tiene un producto más pequeño.

El proceso de fabricación usa grandes estructuras iniciales (macroscópicas), que pueden ser controlados externamente en el procesamiento de nanoestructuras.

Ejemplos típicos es el uso de la “molienda

Se comienza con un patrón generado en una mayor escala, para luego reducirlo a la a nanoescala.
Es un proceso caro y lento, haciendo que no sea conveniente usarlo en producción masiva.

Enfoques funcionales

Estos enfoques buscan desarrollar componentes con una funcionalidad deseada sin tener en cuenta cómo se podría montar.

La electrónica molecular busca desarrollar moléculas con propiedades electrónicas útiles. Entonces podría ser utilizadas como componentes de un dispositivo nanoelectrónico de la molécula. Como ejemplo el rotaxano.
Los métodos químicos sintéticos también se pueden utilizar para crear lo que se denominan motores moleculares sintéticos, como en el llamado nanocar o nanocoche como se le conoce en Español.

Biomateriales

La biomineralización (por ejemplo la petrificación) es bastante común en el mundo biológico y ocurre en bacterias, organismos unicelulares, plantas (madera petrificada, por ejemplo), y animales (invertebrados y vertebrados). Los minerales cristalinos formados en este tipo de ambiente tienen a menudo características mecánicas excepcionales (e.g. fuerza, dureza, tenacidad) y ellas tienden a formar estructuras jerárquicas que exhiben un orden microestructural sobre un gama de escalas longitudinales o espaciales.

biomineralización

Típicamente los minerales cristalizan de una atmósfera que está debajo de la saturación con respecto a ciertos elementos del metal tales como el silicio, calcio y fósforo, y que se oxidan inmediatamente en una posición al pH neutral y a baja temperatura (0-40 grados C) .

La formación del mineral puede ocurrir dentro o fuera de la pared celular de un organismo, y hay reacciones bioquímicas específicas para la deposición mineral que incluyen los lípidos, las proteínas y los carbohidratos. La importancia de la maquinaria celular no puede ser sobre enfatizada, y es gracias a los avances en técnicas experimentales en biología celular y la capacidad de imitar el ambiente biológico que actualmente están obteniendo avances significativos.

Los ejemplos incluyen silicatos en algas y diatomeas, carbonatos en invertebrados, y fosfatos de calcio y carbonatos en vertebrados. Estos minerales a menudo forman características estructurales como conchas de mar y huesos, mamíferos y aves. Estos organismos han estado produciendo esqueletos mineralizados hace casi 600 millones años.

Los biominerales más comunes son las sales de fosfato y carbonato de calcio que se utilizan en conjunción con polímeros orgánicos como el colágeno y la quitina para dar fuerza mecánica a los huesos y conchas. Otros ejemplos incluyen yacimientos de cobre, hierro y oro que involucran bacterias.

Además, la mayoría de los materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos cuyas propiedades mecánicas son a menudo excepcionales, teniendo en cuenta los componentes débiles a partir de los cuales se constituyen. Estas complejas estructuras, que han surgido de cientos de millones de años de evolución, son materiales que inspiran a los científicos interesados principalmente en el diseño de nuevos materiales con propiedades físicas excepcionales para ser duraderos en condiciones adversas.

Previsión o especulación

Se pretende anticipar lo que la National Nanotechnology Initiative: FY 2008 Budget & Highlights podrían llegar a producir e incluso trata de proponer una agenda o guía en la cual la investigación actual se base y avance siguiendo sus pautas. A menudo tienen una visión en perspectiva de la nanotecnología, con más énfasis en sus implicaciones para la sociedad que en los detalles de cómo se podrían materializar tales invenciones.

Por ejemplo, la nanotecnología molecular que consiste en manipular moléculas con precisión. Esto es más teórico que todo lo anterior y está más allá de las capacidades actuales de producción.

Nanorobots actuando en las celulas

La Nanorobotica se centra en máquinas autosuficientes con alguna funcionalidad operando en la nanoescala. Hay esperanzas de aplicar nanorobots en medicina, pero puede no ser fácil hacerlo debido a varias desventajas de estos dispositivos. Sin embargo, el progreso en materiales y métodos innovadores han demostrado con algunas patentes concedidas en los nuevos mecanismos de la nanofabricación para las aplicaciones comerciales futuras, que también contribuyen progresivamente en la manera hacia el desarrollo de nanorobots con el uso de conceptos nuevos como la nanobioelectronica.

La materia programable basada en átomos artificiales busca diseñar materiales cuyas propiedades puedan ser controladas de forma fácil, reversible y de manera externa.

Nanopartículas, nanomateriales y aplicaciones comerciales

Aunque ha habido un gran interés en las posibles aplicaciones de las nanotecnologías, gran parte de las aplicaciones comerciales se limitan al uso de una “primera generación” de nanomateriales pasivos. Esto incluye nanopartículas de dióxido de titanio en protectores solares, cosméticos y algunos productos alimenticios; nanopartículas de hierro en envases alimentarios; nanopartículas de óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, en revestimientos exteriores, pinturas y barnices de decoración; y nanopartículas de óxido de cerio que actúan como catalizadores para combustibles, etc.

Un proyecto, The Project on Emerging Nanotechnologies, identifica los diversos productos basados en nanopartículas . En el 2014, el proyecto identificó más de 500 productos de consumo basados en nanotecnologías. En el 2017, el informe de este proyecto nos dice que el principal sector afectado por los productos de consumo nanotecnológico es el de la salud y el deporte (ropa, complementos deportivos, cosméticos, cuidado personal, protección solar, etc.), con el 59% de los productos, seguido por la electrónica y la informática, que supone el 14% (audio y vídeo; cámaras y películas; equipos informáticos; dispositivos móviles y comunicación).

Enfoque ascendente y perspectivas

Además, las aplicaciones que requieren la manipulación o disposición de componentes a nanoescala (atomo por átomo) requieren más investigación antes de poder comercializarlos. De hecho, las tecnologías que en la actualidad están marcadas con el prefijo “nano” a veces no están muy estrechamente vinculadas y distan mucho de los objetivos finales anunciados por las nanotecnologías, especialmente en el contexto de la fabricación molecular, que es una idea siempre sugerida por el término. Por lo tanto, puede existir el peligro de que se forme (o se forme) una “nanoburbuja” como resultado del uso del término por científicos y empresarios para recaudar recursos financieros adicionales, a expensas del interés real en el potencial de cambio tecnológico a largo plazo.

La  burbuja de la nanotecnología

David M. Berube, en su  libro sobre la burbuja de la nanotecnología, también concluye en este sentido recordando que parte de lo que se vende como “nanotecnologías” es en realidad una reelaboración de la ciencia de los materiales. Esto podría llevar a que la nanotecnología estuviera representada por una industria basada principalmente en la venta de nanotubos y nanoalambres (alambres unidimensionales medidos en nanómetros), lo que limitaría el número de proveedores a unas pocas empresas que vendieran productos de bajo margen con volúmenes muy grandes.

Financiación actual

La investigación científica requiere una inversión significativa, a menudo en forma de grandes inversiones. En el caso de las nanotecnologías, en las que el objeto de estudio se especializa y requiere equipos específicos y costosos, las inversiones necesarias no pueden ser apoyadas por un solo equipo. Para continuar su investigación, los científicos e ingenieros son financiados por una amplia variedad de interesados que pueden agruparse en tres categorías:

Organismos públicos (Estados): Los gobiernos apoyan firmemente tanto la investigación aplicada como la investigación básica. Algunos países tienen sus propios sistemas de validación de patentes, así como un gran número de agencias y departamentos, que permiten promover los contratos o la protección de la propiedad intelectual. Por lo tanto, las organizaciones públicas desempeñan un papel importante en el despliegue de los mecanismos de coordinación que permiten mejorar la divulgación del conocimiento en la comunidad científica y estimular la interacción entre investigadores, organizaciones, universidades e instituciones.

Organizaciones sin fines de lucro: Las universidades son el núcleo de esta categoría, aunque para su investigación a menudo reciben financiación de fuentes externas, como el gobierno, pero también de importantes sectores industriales. Esta categoría también incluye una multitud de organizaciones del sector privado y otras entidades que apoyan la investigación científica sin objetivos financieros en forma directa.
Las empresas y el sector privado:

En la mayoría de los países desarrollados, el sector privado es responsable de aproximadamente las tres cuartas partes del gasto nacional en investigación y de desarrollo. La importancia del sector privado mas que todo se da en los Estados Unidos o la Unión Europea, que cuentan con gobiernos que invierten en las nanotecnologías proponiendo una política de investigación e innovación sólida, especialmente en las primeras etapas del desarrollo de nuevos sectores industriales.

Al tener en cuenta la inversión pública y privada en investigación y desarrollo en nanotecnología, es posible posicionar a los países en función del volumen de inversión realizado. Sin embargo, esta operación requiere precauciones, ya que por un lado el tamaño de las entidades comparadas es un factor y por otro lado, cada gobierno a menudo tiene su propio aparato y modalidades específicas de financiación en investigación.

En el año 2005, por ejemplo, el 48,1% de la investigación y el desarrollo de las nanotecnologías fue financiada por los gobiernos, el 46,6% por las empresas y el 5,2% por los capitales de riesgo, con una inversión total de 9.570 millones de dólares. Tras este desglose, el país líder es Estados Unidos (1.606 millones de dólares), seguido del Japón (1.100 millones de dólares), Alemania (413 millones de dólares), la Unión Europea (269 millones de dólares) y China (250 millones de dólares). Francia, por su parte, ocupa el octavo lugar, con un total de 103 millones de dólares asignados a la investigación y el desarrollo en nanotecnología.

En nuestra sección de Noticias, puedes encontrar multitud de investigaciones y asombrosos descubrimientos por los actores mas relevantes de la investigación en nanotecnología.


Estructura institucional e instituciones interesadas

Para Europa, el VII Programa Marco de Investigación y Desarrollo  es un importante factor en la organización de la investigación sobre Nanotecnologías a nivel continental. Este programa tiene su origen en la Estrategia de Lisboa, cuyos objetivos generales se decidieron en el año 2000, que define las orientaciones económicas y políticas para una economía competitiva y dinámica basada en el conocimiento en la Unión Europea: “Los objetivos generales del programa se han agrupado dentro de cuatro grandes categorías: la Cooperación, las Ideas, las Personas y las Capacidades. Hay un programa específico para cada uno de estos objetivos que corresponde a los principales ámbitos de la actuación comunitaria en materia de investigación.

La totalidad de los proyectos concretos trabajan conjuntamente para promover y fomentar la creación de centros de excelencia europeos (científicos)1 en el ámbito científico. La Unión Europea anuncia que los presupuestos asignados a los programas marco se duplicarán con creces, pasando de unos 20 000 millones de euros (entre 2002 y 2006) a 53 200 millones de euros (período 2007-2013)2.

Las nanotecnologías están, por tanto, bien situadas en la categoría de cooperación del PMID, que tiene como objetivo principal fomentar las asociaciones entre los diferentes equipos de investigación europeos (y los países socios) y desarrollar la investigación multidisciplinar y transversal2.

En línea con el Programa Marco de la Unión Europea, Estados Unidos ha definido la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI) que arrancará en 2001.

A diferencia de la Unión Europea, este programa federal de investigación y desarrollo se dedica específicamente a la nanotecnología, pero también tiene por objeto coordinar los esfuerzos de las numerosas agencias que trabajan en una nanoescala de ciencia y tecnología3. En 2008, el presupuesto asignado al NNI ascendería a 1.500 millones de dólares, más del triple del gasto estimado para 2001 (464 millones de dólares)4.

En cuanto al importe invertido, este tipo de programas influye fuertemente en la estructura de los espacios de investigación científica y en la naturaleza de las colaboraciones realizadas. De hecho, es a partir de los ejes iniciales de desarrollo que se definen objetivos concretos que conducen a la construcción de convocatorias de proyectos.

En nanotecnología, el tecnópolo de Grenoble es un importante centro de investigación e ingeniería en este campo, único en Europa. Los países emergentes, especialmente Marruecos, han creado áreas prioritarias para la investigación en nanotecnología.


Referencias &  Fuentes

 

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