¿Que hace de la Nanotecnología algo especial?

Por Ana Díaz VN |

Químicos tratan con naturalmente con nanopartículas todo el tiempo. Piense en las moléculas o virus. Los toxicólogos se han ocupado de las nanopartículas que son el resultado de la vida humana moderna, como las partículas de carbono en los gases de escape de los motores de combustión.

Sin ser conscientes de ello, los fabricantes de neumáticos utilizaron nanopartículas – conocido como “Carbon black”  o negro de carbón , como se le conoce en Español – para mejorar el rendimiento de los neumáticos ya por allá de la década de 1920. Artistas medievales utilizaron nanopartículas de oro para lograr el color rojo brillante en las ventanas de la iglesia (las partículas de oro en la nanoescala son rojas, no doradas). Incluso podría decirse que estamos rodeados y hechos de nanoestructuras – átomos e incluso las moléculas son objetos a nanoescala después de todo. ¿Por qué tanto alboroto, de repente?

La búsqueda continua de la miniaturización ha dado lugar a herramientas como el microscopio de fuerza atómica (AFM) o el microscopio de barrido de túneles (STM). Combinados con procesos refinados como la litografía por haz de electrones, estos instrumentos permiten la manipulación y fabricación deliberada de nanoestructuras (“AFM de alta velocidad permite la nanofabricación en tiempo real “). Algo que antes no era posible.

Con las nuevas herramientas surgieron nuevos conceptos y resultó que las reglas mecánicas que gobiernan el nanomundo son muy diferentes a nuestra experiencia cotidiana del macromundo. Las caracteristicas de las fuerzas extremadamente pequeñas que están presentes a nivel de la nanoescala también condujo a un mayor desarrollo de los instrumentos de medicion. Hace poco más de una década, la posibilidad de que uno pudiera medir directamente las fuerzas que actuaban entre moléculas parecía remota.

El advenimiento de la nanotecnología ha cambiado dramáticamente esta percepción. Hasta el dia de hoy, existen una serie de herramientas que pueden utilizarse para caracterizar la nanomecánica de las interacciones biomoleculares y celulares. Algunos ejemplos son las pinzas ópticas y el microscopio de barrido.

Originalmente el AFM se utilizaba para visualizar la topografía de las superficies, pero modificando la punta es posible medir otras magnitudes (por ejemplo, propiedades eléctricas y magnéticas, potenciales químicos, fricción, etc.) y también realizar varios tipos de espectroscopia y análisis.

Los nanomateriales diseñados -ya sea por medio de un enfoque descendente (un material a granel se reduce en tamaño al patrón o estructura de nanoescala) o un enfoque ascendente (las estructuras más grandes son construidas o cultivadas un átomo por atomo o una molécula a la vez)- van más allá de un paso adicional en la miniaturización.

Para una discusión sobre la nanotecnología de arriba abajo versus de abajo hacia arriba, lea nuestro articulo sobre los Nanomateriales .

Las propiedades a granel de los materiales a menudo cambian drásticamente cuando se reducen a dimensiones de la nanoescala. A partir de aproximadamente 100 nanómetros y por debajo, los materiales rompen una barrera de tamaño por la cual la cuantización de energía para los electrones en los sólidos se vuelve relevante.

Efectos Cuánticos

El llamado efecto de tamaño cuántico describe la física de las propiedades de los electrones en sólidos con grandes reducciones en el tamaño de las partículas.

Este efecto no entra en juego al pasar de macro a microdimensiones. Sin embargo, se vuelve dominante cuando se alcanza el rango de tamaño del nanómetro. Es aqui, cuando El efecto cuántico empieza a dominar como se comporta de la materia , entre mas pequeño, mas efecto tiene, afectando el comportamiento magnético óptico y eléctrico de los compuestos y materiales.

Se pueden producir materiales de nanoescala en una sola dimensión (por ejemplo, revestimientos superficiales muy finos), luego, en 2 dimensiones ( nanotubos , nanocables etc) o en 3 dimensiones (nanopartículas y puntos cuánticos).

Las causas de estos cambios drásticos provienen del extraño mundo de la física cuántica. Las propiedades de cualquier material son meramente el promedio de todas las fuerzas cuánticas que afectan a todos los átomos que componen el material.

A medida que usted hace las cosas cada vez más pequeñas, eventualmente alcanza un punto donde el promediado ya no funciona y se tiene que lidiar con el comportamiento específico de los átomos o moléculas individuales – comportamiento que puede ser muy diferente al de cuando estos átomos son agregados en un material a granel.

Los materiales reducidos a la nanoescala pueden mostrar de repente propiedades muy diferentes en comparación con lo que muestran en la macroescala. Un ejemplo de esto son las sustancias que son opacas se vuelven transparentes (cobre); los materiales que son inertes se convierten en catalizadores (platino); los materiales que son estables se convierten en combustibles (aluminio); los sólidos se convierten en líquidos a temperatura ambiente (oro); los aislantes se convierten en conductores (silicio) etc.

Área de la superficie

Otro aspecto importante de los nanomateriales es la superficie. En comparación con la misma masa de material a granel, los materiales a nanoescala tienen una superficie relativamente mayor. Esto puede hacer que los materiales sean químicamente más reactivos (en algunos casos, los materiales que son inertes a granel son reactivos cuando se producen en su forma de nanoescala) y afectan su resistencia o propiedades eléctricas.

Para entender el efecto del tamaño de partícula en la superficie, considere una moneda ; una moneda de un dollar compuesta de plata. Este dólar de plata contiene 31 gramos de plata y tiene una superficie total de aproximadamente 3000 milímetros cuadrados.

Si la misma cantidad de plata de moneda se dividiera en partículas diminutas -digamos 10 nanómetros de diámetro- la superficie total de esas partículas sería de 7000 metros cuadrados (lo que equivale al tamaño de un campo de fútbol – o más grande que el espacio del suelo de la Casa Blanca, que es de 5100 metros cuadrados).

En otras palabras: cuando la cantidad de plata de la moneda contenida en un dólar de plata se convierte en partículas de 10 nm, la superficie de esas partículas es más de 2 millones de veces mayor que la superficie del dólar de plata!

La fascinación por la nanotecnología proviene de estos fenómenos cuánticos y superficiales únicos que la materia exhibe en la nanoescala, posibilitando nuevas aplicaciones y materiales interesantes.

Nanotecnologías evolucionarias versus las revolucionarias

Sin embargo, es evidente la necesidad de diferenciar entre dos tipos de nanotecnologías. Una está sucediendo ahora mismo y la otro es la ciencia ficción que todos conocemos por las películas de Hollywood.

Lo que estamos tratando actualmente es la nanotecnología evolucionaria. El objetivo de la misma es mejorar los procesos, materiales y aplicaciones existentes mediante la reducción de su escala o tamaño , en última instancia, explotar plenamente los fenómenos cuánticos y superficiales únicos que la materia exhibe en la nanoescala.

Esta tendencia está impulsada por la constante búsqueda de las empresas para mejorar los productos actuales usando componentes más pequeños y materiales de mas calidad que rindan mucho mas, todo ello a un menor coste de operaciones.
Tomemos el ejemplo de la industria informática u electrónica – debido a que las estructuras del diseño de chips han roto el rango de los 100 nanómetros, la industria de chips está en camino de convertirse en una industria de nanotecnología.

Piense en ello: cuando se fabricaron los primeros chips o transistores, estos tenían más de 1 centímetro de tamaño, los transistores más pequeños hoy por hoy son menos de 30 nanómetros de largo – mas o menos unas 300.000 veces inferior.

Esta hazaña equivaldría a reducir la torre Burj Khalifa (la mas grande actualmente), al tamaño de un grano de arroz de 1,6 milímetros de altura. Así pues, la fabricación avanzada de semiconductores ya está muy avanzada en el ámbito de las nanotecnologías; y cuando alcancemos los transistores de una molécula única habrá sido el fin de la miniaturización gradual de los componentes electrónicos.

Primer transistor de la historia
El transistor mas pequeño de la actualidad

Debido a esta tendencia continua de “más pequeño, es mejor y más barato”, el número de empresas que son, por la misma definición,”empresas de nanotecnología” (porque utilizan ingredientes alimentarios nanoformulados; recubrimientos de nanopartículas; tecnología nanoestructurada de superficies; electrónica basada en nanotubos de carbono; etc.) crecerá muy rápido y pronto constituirá la mayoría de las empresas de muchas de las industrias actuales – y tendrán nombres familiares como Kraft, L’ Oreal.

En cambio, una nanotecnología verdaderamente revolucionaria contempla un enfoque ascendente en el que los dispositivos funcionales y los sistemas de fabricación completos se construyen atómicamente (sólo para ser claros, no estamos hablando de autoensamblado y síntesis química de nanomateriales, sino de maquinaria funcional).

A menos que usted recurra a escenarios de ciencia ficción será imposible hacer conjeturas incluso educadas en cuanto a lo que ese futuro podría traer.

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Ana Díaz Villanueva

Doctora en Educación por la Universidad de Chile en el año 2010. Subdirectora del Departamento Interfacultativo de Psicología Evolutiva y de la Educación. Experto profesional en E-learning 2.0: educación por internet y formación on-line; impartido con metodología on-line por la UCLA . Master en Programación Web con metodología presencial; impartido por el Centro de Estudios Informáticos en 2016.  

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