El comienzo de la andadura nanotecnológica tuvo lugar en 1959 en el instituto de tecnología de california, donde el físico Richard Feyman, especialista en mecánica cuántica, pronuncio un famoso discurso. Feyman trato su conferencia del problema de manipular objetos a pequeña escala, deslumbrando que podría haber muchas oportunidades tecnológicas jugando con átomos y moléculas. En aquel momento su discurso no tuvo una gran repercusión. De hecho la palabra nanotecnología no aparece en dicho discurso. En realidad el termino nanotecnología fue acuñado en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la universidad de ciencia de Tokio en un artículo titulado "on the basic concept of nanotechnology", que se presento en una conferencia de la sociedad japonesa de ingeniería de precisión. En dicho artículo se hablaba de la nanotecnología como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.
Aunque Feyman, en 1959 fue el primero en sugerir de manera clara esta posibilidad, hubo que esperar hasta 1986 para que sus ideas se concretaran. En ese año, E. Drexler publico en su libro "Engines of creation" en el que describe como la nanomáquina serán capaces de construir desde ordenadores hasta maquina pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo. Los encargados de realizar ese ensamblaje serán nanorobots ensambladores, un funcionamiento parecido al que, desde siempre han realizado los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo. Estos robots harían su trabajo auto-reparándose y constituyéndose a sí mismos. La descripción realizada por Drexler se corresponde con el funcionamiento de los motores moleculares, desarrollados posteriormente, en los que se crea un engranaje de moléculas donde unas hacen moverse a otras, logrando así un verdadero efecto mecánico. Drexler también vislumbro la posibilidad de desarrollar nanosubmarinos que podrían desplazarse por las venas buscando antígenos, como lo hacen los leupositos. En definitiva a través de las páginas de "Engine of creation", Drexler los hace soñar con objetos imaginados, de la misma manera que Julio Berne hizo soñar a nuestros abuelos con paisajes a la luna o viajes al centro de la Tierra.
Pero, al igual que el hombre finalmente piso la luna, aunque nunca llegara al centro de la tierra, es posible que algunos de los objetos escritos y patentados por Drexler entren a formar parte de nuestras vidas mientras que otros muchos pasen a la historia como mera imaginación o especulación.
Desde que Feyman y Drexler asentaron los pilares de la nanotecnología ha habido un fuerte desarrollo experimental en los laboratorios. Muchos centros de investigación han partido de estas ideas para diseñar no tanto dispositivos concretos sino experimentos que demuestren las posibilidades de desarrollar esa "nueva" tecnología. Esto ha desembocado en la puesta punto a punto de diferentes programas de investigación así como de diversas iniciativas para fomentar que los conocimientos generados por la ciencia tuviesen una traducción en la tecnología, generando aplicaciones reales intangibles. Así como poco a poco, vamos resumiendo cuales son los límites entre lo posible y lo imposible en esta nueva ciencia, que va definiéndose día a día con nuevos y sorprendentes hallazgos. Este es el trabajo continuo, callado y largo que se realiza en diferentes laboratorios y grupos de investigación en todo el mundo. Gracias a ellos la ciencia pasará a ser tecnología, los experimentos y prototipos de laboratorio entraran en nuestros hogares, y lo que hoy parece ser ciencia ficción se irá haciendo realidad en este futuro que viene. (FECYT)
1.2 FORMAS DE CLASIFICAR A LA NANOTECNOLOGIA.
Varias tecnologías han explorado la fabricación de las nanoestructuras y los nanomateriales. Estas técnicas se pueden agrupar de diferentes maneras, una de las formas es agrupándolas de acuerdo a su media de crecimiento.
1.-fase de crecimiento de vapor, incluye la reacción laser pirolisis para la síntesis de nano partículas
2.-fase liquida de crecimiento, incluye procesos coloidales para la formación de nanopartículas al igual que sus capas.
3.-fase solida de crecimiento, incluye segregación de la fase para hacer que las partículas metálicas en un recipiente de vidrio y 2 fotones inducidos por la polimerización para la fabricación de cristales fotònicos en 3 dimensiones.
4.-crecimiento hibrido, incluye vapor-liquido-sólido crecimiento de nanocables.
Otra forma es clasificándolos de acuerdo a como se forman los productos:
1.-Nanoparticulas por procesos coloidales, combustión flamable y segregación de fases
2.-Nanorods o nanocables por soluciones liquidas-solidas, y por crecimiento anisotrópico espontaneo
3.-Films delgados por deposición atómicas de las capas.
4.-materiales de masa nanoestructurada, como por ejemplo nanopartículas. (Edelstein)
1.3 Sistemas Nanoelectromecanicos (NEMS).
Los sistemas nanoelectromecanicos suponen un paso previo a los motores moleculares. Realmente podemos definirlos como piezas o engranaje cuyo tamaño mínimo es de aproximadamente 100nm. Estos dispositivos suelen fabricarse mediante técnicas de ataque químico, eléctrico, o fotonico sobre un apilamiento de diferentes materiales como polímeros o silicio. De especial relevancia son los llamados dispositivos micromecánicos, ya que pueden ser integrados con las tecnologías actuales basadas en silicio. A la hora de diseñar estos dispositivos, el"nanoingeniero" tiene que tener en cuenta que para ciertos tamaños los efectos llamados "de superficies" empiezan a ser importantes. Así, por ejemplo, la presión, la inercia térmica o el potencial electrostático local son algunas de las magnitudes que no es posible escalar directamente respecto a una pieza del mismo material con la misma forma pero con dimensiones cercanas al cm. (FECYT)
CAPITULO 2:
2.1 NUEVOS MATERIALES PARA UN NUEVO SIGLO.
Disponer de nuevos y mejores materiales ha sido siempre una necesidad de las sociedades a lo largo de la historia de la humanidad. El hombre desde la edad de bronce fue superado por la edad del hierro y los romanos ganaron muchas batallas gracias a la fortaleza de sus espadas. El acero permitió construcciones más recientes y seguras, así como construir nuevas maquinas que posibilitaron la revolución industrial. Los aceros pesados han sustituido al aluminio y polímero en los automóviles. Las fibras sintéticas han remplazado los tejidos naturales en multitud de aplicaciones. Los plásticos mejoraron el cartón; y así sucesivamente hasta hoy. (FECYT)
2.2 Los Fullerenos.
Recientemente se han descubierto nuevas formas de carbono que son muy prometedoras para la nanotecnología. Comenzaremos por describir la primera de ellas. El llamado C60, fullereno o bucki-ball. Para ello imaginemos un balón de futbol. El balón está formado por 12 pentágonos y 20 hexágonos, si contamos las intersecciones de las costuras veremos que hay 60. Ahora bien, imaginemos que ese mismo balón lo reducimos 100 millones de veces y que en cada una de las intersecciones colocamos un átomo de carbono. Tendremos entonces una molécula en la que 60 átomos de carbono presentan una hibridación esencialmente tipo SP2. La figura geométrica que forman dichos atomos se denomina icosaedro truncado. Para que nos hagamos una idea de cómo de pequeña es esta molécula podemos imaginarnos que la mimsa relación de tamaño hay entre la tierra y el balón de futbol que entre el balón y el fullereno.
Los fullerenos o buckyballs recibieron estos nombres en honor al arquitecto Richard Buckminster Fuller, quien diseño capsulas geodésicas basadas en hexágonos y pentágonos.
Aunque la síntesis controlada de los fullerenos requieren complicadas técnicas, tales como la vaporización del grafito o la pirolisis laser (técnicas que consisten en calentar sustancias mediante un laser de alta energía para formar otra), la formación sin mas de este tipo de estructura se produce más fácilmente de lo que podemos imaginar, pues son una de las principales integrantes de la carbonilla y se generan abundantemente en cualquier combustión. Las aplicaciones nanotecnológicas se pueden derivar del uso de esta molécula que están todavía en base de estudio en muchos laboratorios del mundo y son muy variadas. Sin embargo, ya se han sintetizado más de 1000 nuevas moléculas basadas en fullereno y hay ms de 100 patentes internacional registradas. Por una parte, son un componente fundamental de lo que se llama electrónica molecular ya que poseen propiedades rectificadoras interesantes para la fabricación de nuevos dispositivos.
Por otra parte, se han hecho predicciones acerca de sus posibles aplicaciones en la biomedicina al ser una molécula rígida otras biomoleculas como por ejemplo fármacos inhibidores del virus del sida podrían unírsele sin deformar su estructura y ser transportadas por el organismo hasta encontrar el virus.
Además, como los follerenos están huecos pueden encerrar en su interior pequeñas moléculas o incluso átomos como por ejemplo gadolineo. Este elemento, gracias a sus propiedades magnéticas, aumenta la señal en los estudios de resonancia magnética nuclear utilizados en la detección del cáncer.
2.3 Nanotubos de carbono: el hilo mágico.
Si el descubrimiento del C60 fue un hito importante para la nanotecnología el de los llamados nanotubos de carbono la ah superado con creces, ya que debido a sus excelentes propiedades que presentan y a lo fácil y económico que resulta fabricarlos, nos encontramos ante un material con unas aplicaciones realmente prometedoras. Imaginemos que disponemos de un material que es 10 veces más ligero que el acero y 100 veces más resistente y a la vez 10 mil veces más fino que un cabello. A estas interesantes propiedades mecánicas se les añade unas relevantes propiedades eléctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes. Así, por ejemplo, podremos disponer de un cable para fabricar circuitos electrónicos con diámetros, no de 0.1 micras como los circuitos integrados actuales sino inferiores a 10 nm, es decir, entre 10 y 100 veces más pequeño.
Los nanotubos de carbono fueron descubiertos de manera accidental en 1991 por S. Ijina, cuando este investigador estudiaba el depósito de carbono que se obtiene en una escala eléctrica de grafito. Al realizar el análisis se encontró unos filamentos de unos pocos nanómetros de diámetro y algunas micras de largo. Estos filamentos resultaron ser muchos más interesantes de lo que al principio parecían, es decir un simple deshecho pulverizado de carbono. Imaginemos un plato atómico de grafito, y supongamos que ese plano lo enrollamos sobre si mismo como si se tratase de un mantel o un poster. La forma de plegarlo puede ser recta o con un cierto ángulo, obteniéndose un tubo tan largo como queramos. Pues bien aquí aparece ya una de las propiedades curiosas de los nanotubos: según como enrollemos el poster, obtendremos un nanotubo que puede conducir la corriente eléctrica, ser semiconductor o ser aislante. En el primer caso, los nanotubos de carbono son muy buenos conductores a temperatura ambiente pudiendo transportar elevadas densidades de corriente. Hoy en día si queremos transportar una corriente eléctrica elevada necesitamos utilizar cables de cobre muy gruesos y caros. Esto podría hacerse en el futuro mediante nanotubos. Por otra parte, si introducimos defectos en la estructura podremos generar moléculas semiconductoras y así formar diodos con transistores: los dispositivos fundamentales de los aparatos electrónicos. Un diodo formado por una sola molécula es algo asombroso en cuanto a las posibilidades de integración que abre en la industria de la electrónica. Los nanotubo de carbono permitirán unir el mundo de la electricidad (en el que es necesaria potencia y grandes corrientes eléctricas para mover motores) con el de la electrónica (pequeños voltajes, pequeños dispositivos). Decíamos que los nanotubos poseen importantes propiedades mecánicas. Y esto no podría ser de otra manera, ya que están formados por átomos ligeros (carbono), pero que se encuentran unidos entre si por fuertes enlaces. Como consecuencia directa de esta estructura este material es 100 veces más resistente que el acero, a la vez que 10 veces menos denso. Tienen una lata capacidad para doblarse pero sin romperse, manteniendo inalterada su estructura interna. En cuanto a dureza destacar que los nanotubos descritos hasta el momento son muy duros.
Y esta dureza puede sr incluso si, en lugar de un nanotubo de pared sencilla lo que tenemos es un nanotubo de pared múltiple (varias laminas enrolladas sobre sí mismas introducidas unas dentro de otras a la manera de las antiguas antenas de coche, los bastones telescópicos que usamos en las montañas o las matrioskas rusas). Por otra parte son muy eficientes conductores de calor, tal vez los mejores conocidos hasta hoy y la a vez presentan un bajísimo coeficiente térmico de expansión. Debido a todas estas fascinantes propiedades, se ha potenciado enormemente la investigación relativa a su utilización así, por ejemplo, si los "mezclamos" con matrices poliméricas, podremos dotar a éstas con las magnificas propiedades de estos hilillos mágicos. Los nanotubos de carbono son por tanto una de las grandes apuestas de la nanotecnología actual, haciéndonos soñar con que un futuro no muy lejano, estos materiales estén presentes en numerosos campos como pueden ser los circuitos electrónicos o el de la construcción. (FECYT)
2.4 Top-down y bottom up.
Las estrategias de investigación utilizadas para el desarrollo en este tema se enfocan en los métodos "Top Down" y "Bottom Up". El primero, traducido como "de arriba hacia abajo", refiriéndose a la generación de productos a partir de macro estructuras y el segundo, "de abajo hacia arriba", que considera el ensamble a partir de átomos o moléculas.
Se utiliza para construir los diferentes dispositivos, componentes básicos muy variados tales como átomos ácidos nucleicos, proteínas, nanoparticulas o nanotubos.
La necesidad de esta compleja instrumentación implica otra de las características fundamentales que acompañan ala nanociencia y la nanotecnología:
Su interdisciplinariedad. Pero no solo las necesidades de combinar expertos en distintas técnicas y áreas del conocimiento lo que origina la interdisciplinariedad de la nanociencia. Se trata también de que al reducir el tamaño de los objetos para estudiarlos, llega a un momento en que todos están constituidos por átomos y moléculas. Y así, por ejemplo, para construí un dispositivo biosensor, el biólogo deber saber de física cuántica, y el físico de biología si quieren que ese nuevo dispositivo funcione. Así pues el desarrollo de esta nueva ciencia requiere no solo la utilización de técnicas de fabricación, visualización y caracterización muy precisas, sino también una aproximación multidisciplinar que reúna a físicos, químicos, biólogos, tecnólogos y teóricos trabajando juntos y utilizando el mismo lenguaje. De hecho, para todos ellos los átomos y moléculas son los ladrillos constituyentes de los objetos que estudian. La nanoescala es su punto de encuentro.
En una primera impresión, pensar que podemos ser capaces de desarrollar toda la tecnología que nos rodea ensamblando molécula a molécula, partícula a partícula, parece un sueño o una película de ciencia ficción. Pero si lo meditamos un poco veremos que para comprender como se pueden construir dispositivos de orden superior partiendo de sus constituyentes solo tenemos que mirar a nuestro alrededor. (FECYT)
CAPITULO 3:
Aspecto global de la nanotecnología
3.1 Principales países contribuyentes.
En el ámbito internacional, el desarrollo de esta tecnología es dominado por los Estados Unidos, Japón y Alemania quienes aportan anualmente casi el 52% de la inversión total mundial, equivalente a los 12,400 millones de dólares. De ésta, el 51% corresponde a los gobiernos, el 43% a las empresas y el 6% a capital de riesgo. Destaca el crecimiento en la inversión gubernamental realizada en el mundo para el apoyo de la investigación y desarrollo en nanotecnología al pasar de 432 millones de dólares en 1997 a 6,400 millones de dólares en 2006, casi 15 veces el monto originalmente considerado.
El mercado mundial por tipo de producto se centra actualmente en los nanomateriales (86%), en tanto la factibilidad de su aplicación a la gran mayoría de los productos de los diferentes sectores industriales sin modificar significativamente procesos y equipos. Las nanoherramientas y nanodispositivos representan el 14% de ese mercado. El 67% de las empresas de base nanotecnológica son originarias de Estados Unidos, mientras que el 18% son de la Unión Europea y un 8% se ubica en los países de Asia y Medio Oriente. Por su parte, la operación de las empresas internacionales del sector de nanotecnología en el mercado global se encuentra principalmente en Estados Unidos con el 57% de las mismas, mientras que Alemania, Inglaterra y Suiza conjuntan el 21% y Japón el 4%.
A pesar del dinámico crecimiento de la investigación, desarrollo e innovación de la nanotecnología en el mundo, es hasta hace pocos años cuando se empiezan a analizar de manera seria las implicaciones sociales, medioambientales, éticas y de salud del desarrollo de productos nanoestructurados así como la regulación en esta materia.
Por otra parte, a través de la exposición de tres casos específicos, se demuestra el comportamiento de los costos y beneficios económicos de la transición entre las tecnologías tradicionales y la nanotecnología, demostrando con ello las ventajas de la incorporación de la nanotecnología en procesos y productos. El primero, relativo a la utilización de nanopartículas de plata que adquiere relevancia en tato nuestro país es el primer productor a nivel mundial de plata; el segundo trata de la utilización de nanotubos de carbón para fabricar fibras súper resistentes y su uso en la industria del blindaje corporal. El tercero se refiere a la conveniencia de sustituir los cables convencionales de aluminio reforzados con acero por fibras de nanotubos de carbón, para la transmisión de energía eléctrica.
3.2 Impacto del uso de la nanotecnología sobre los costos de producción.
La evolución de las tecnologías tradicionales, utilizadas en la manufactura de componentes y artículos cada vez más eficientes, más pequeños, más funcionales, más económicos, etc. ha llevado a tocar los límites de lo visible para transponer la frontera hacia lo intangible. Este cambio de escala, representa un reto para el intelecto humano, puesto que ya no es posible medir, manipular, construir y ensamblar materiales y componentes en la misma forma en que lo hemos hecho hasta ahora, y en este sentido, la nanotecnología es una disciplina emergente que deberá resolver estos aspectos.
Debido al desarrollo incipiente de la nanotecnología, en donde no se tienen muchos elementos de juicio, tal vez parezca ocioso el hacer comparaciones entre esta disciplina y las tecnologías tradicionales, sin embargo, los ejemplos siguientes pueden servir como guía para hacer predicciones y proyecciones del comportamiento de los costos y beneficios económicos en la transición entre las tecnologías tradicionales y la nanotecnología.
El primer ejemplo muy significativo, dado que nuestro país detenta el primer lugar a nivel mundial en la producción de plata, a la cual se le podría dar un gran valor agregado mediante la nanotecnología. El segundo trata de la utilización de nanotubos de carbón (CNT) para fabricar fibras superresistentes y su uso en la industria del blindaje corporal. Esta opción representa un importante nicho de mercado debido a las condiciones de inseguridad y conflictos bélicos en los que se encuentran inversos una gran cantidad de países
El tercero trata de la conveniencia de sustituir los cables convencionales de aluminio reforzado con acero para la transmisión de energía eléctrica por fibras de nanotubos de carbón. Los ahorros debidos a la eficiencia de las fibras CNT son considerables y de gran valor estratégico en estos momentos de crisis energética mundial. (Avanzados, 2008)
3.3 Implicaciones sociales, medioambientales, éticas, laborales, de salud y en materia de regulación.
La investigación de la nanotecnología es actualmente llevada a cabo tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo, solo que los niveles de inversión, el acceso de la infraestructura científica y la colaboración entre sectores varía de manera importante.
Uno de los aspectos relacionados con la nanoteconologia que a corto plazo inquieta a los gobiernos, instituciones y población de estos países, es el relacionado con la toxicidad hacia las personas y el medio ambiente.
Derivado de la nanotecnología es un área novedosa dentro del desarrollo de la ciencia y la tecnología, no se han estudiado a fondo todas las implicaciones que pudiera tener en materia de salud y medio ambiente, tema en el cual se han identificado 2 grandes preocupaciones:
La peligrosidad de las nanoparticulas
Riesgo a su exposición
La primera se refiere a los efectos biológicos y químicos de las nanoparticulas en el cuerpo humano o en los ecosistemas naturales mientras que la segunda se refiere al efecto que la fuga, circulación y concentración de nanoparticulas pudieran tener en los organismos o ecosistemas.
Los últimos descubrimientos relacionados con el comportamiento de las nanoparticulas llevan a cambiar la pregunta original de si la nanotecnología es segura o por otra que cuestione que se puede hacer para que la nanotecnología sea segura. Por medio de la cooperación y coordinación internacional, los científicos deben no solo anunciar el descubrimiento o la creación de una nanoparticula, sino también los requerimientos necesarios para que esta sea tanto o más segura que otros materiales utilizados para el mismo propósito.
Los impactos ecológicos y al medio ambiente son también difíciles de definir derivado de la complejidad natural de los ciclos económicos y la imposibilidad de experimentación directa con el ambiente natural. Existe poco conocimiento acerca del peligro y los riesgos de la exposición de las nanoparticulas a la ecología.
En los países en vías de desarrollo, los riesgos asociados al a nanotecnología son mayores debido a que las reglas y regulaciones tienden a ser menos demandantes y rigurosas.
Gobiernos, universidades y empresas alrededor del mundo están compitiendo para comercializar nanotecnologías y nanomateriales. Actualmente, cientos de productos contienen nanomateriales que son fabricados utilizando nanotecnologías. Al mismo tiempo, existen evidencias que indican que estos nuevos materiales contienen riesgos importantes para la salud, la seguridad y el medio ambiente y que pueden provocar profundos cambios en el campo social, económico y ético. A raíz de lo anterior han surgido diversos grupos sociales en el mundo que han realizado trabajos pendientes a puntualizar dichos riesgos, sus implicaciones y las acciones que deben ser tomadas en cuenta para el desarrollo confiable de la nanotecnología. (Avanzados, 2008)
3.4 Organismos e instituciones que apoyan el desarrollo de la nanotecnología
En México, es básicamente el CONACYT institución que en el ámbito nacional ha impulsado en alguna medida el desarrollo de la nanotecnología a través de proyectos aprobados mediante las diversas convocatorias, incluidas las emitidas a finales del 200: "Apoyos Complementarios para el Establecimiento de Laboratorios Nacionales e Infraestructura Científica o Desarrollo Tecnológico 2006" mediante la cual se apoyo la creación de laboratorios nacionales de nanotecnología en Chihuahua y San Luis Potosí y la "Convocatoria para Presentación de Ideas para la Realización de Megaproyectos de Investigación Científica o Tecnológica 2006" mediante la cual se apoyara 4 proyectos a través de su integración en la Red Temática de Nanociencia y Materiales Avanzados.
De igual manera, a través de convenios se cuenta con apoyo e instituciones y organismos extranjeros como es el caso de la Universidad Estatal de Arizona con quien el CONACYT firmo un acuerdo de entendimiento para establecer un "Cluster de Nanotecnología en América del Norte" que involucra recursos conjuntos por 16 millones de dólares en 5 años. (Avanzados, 2008)
CAPITULO 4:
Aplicaciones de la nanotecnología en sectores tradicionales
4.1 Introducción.
Las industrias de los sectores tradicionales se enfrentan en los últimos años a una situación cada vez más compleja y difícil, marcada por un entorno abierto, globalizado y competitivo, con la entrada masiva de economías emergentes, al mismo tiempo que la sociedad demanda productos de mejores presentaciones, más seguros y sostenibles.
Esta situación está exigiendo una adaptación y reestructuración de muchos sectores industriales para desarrollar procesos más eficientes y de menor impacto medioambiental, y productos que satisfagan las expectativas de los consumidores.
El uso de la nanotecnología para desarrollar productos con nuevas y mejores propiedades está despertando grandes expectativas por su potencial capacidad para dar origen a innovaciones radicales que se pueden traducir en productos de alto valor añadido para nuevos nichos de mercado. (Industrial)
4.2 Nanotecnologías en el transporte.
Los futuros vehículos de transporte serán más ligeros y eficientes, con bajo consumo de combustibles y mínimas emisiones, inteligentes y con altos niveles de seguridad y confort de uso, y además, mucho más reciclables. La aplicación de las nanotecnologías a todos estos objetivos será, con toda probabilidad, de gran relevancia y, de facto, ya se están utilizando algunas aplicaciones como catalizadores, recubrimientos, materiales nanoestructurados y nanocompuestos, sensores, etc.
En la actualidad, todo indica que los futuros vehículos de transporte seguirán incorporando las mismas clases de materiales que se utilizan hoy en día, pero su distribución y características variaran a favor de un uso creciente de materiales más ligeros frente a los de mayor densidad gracias a la aplicación de las nanotecnologías. Las versiones "avanzadas" –nanoestructuradas y/o nanoreforzadas- con alta resistencia y bajo peso, de los actuales aceros y materiales férreos, de las aleaciones ligeras de Al, Mg y de Ti, de los plásticos y materiales compuestos, etc., en combinación con nuevos recubrimientos, autorizaran reducciones crecientes de peso sea por las mayores propiedades especificas de cada material, sea mediante la sustitución del material del componente por otros más ligeros. Las mejoras realizadas permitirían alcanzar en el futuro reducciones de hasta el 20-30% del peso en aviones y automóviles. Sin embargo, el enorme potencial de los nuevos materiales avanzados solo podrá ser realmente explotado en la medida que faciliten nuevos diseños (diseño multi-material y materiales multi-funcionales, caracterización para modelización y predicción de comportamiento, evaluación, etc.) y se desarrollan nuevos métodos y tecnologías de fabricación de gran cedencia y bajo costo capaces de retener los beneficios por el material de base y de eludir los riesgos inherentes al uso de los nanomateriales. (Industrial)
4.3 Nanotecnologías en la energía y el medio ambiente
En estas áreas, la incidencia de las nanociencias y las nanotecnologías está basada en el control de propiedades, principalmente químicas, eléctricas y ópticas, de materiales a nivel nanometrico. Esto permite abordar la aplicación de características y nuevas propiedades que resultan fundamentales para la administración de los mecanismos de transducción física y/o química a eléctrica en sus aspectos relacionados con la producción y uso eficiente y racional de la energía. En consecuencia, procesos como los fotovoltaicos, termoeléctricos, fotoquimicos, de emisión de campo eléctrico, de combustión, transmisión-absorción o aquellos relacionados con la catálisis o fotocatálisis, junto con materiales nanoestructurados ofrecen un nuevo marco de soluciones para áreas de aislamiento, iluminación, combustión limpia, pilas de combustibles, almacenamiento de energía, supercapacidades, baterías, células solares, termoelectricidad, medida y control del impacto ambiental, etc.
Así mismo, ciertas propiedades mecánicas de los nanomateriales también inciden en el área energética permitiendo nuevos materiales compuestos, recubrimientos, fibras, etc., fundamentales para los nuevos sistemas de producción, transporte, almacenamiento y distribución de la energía. (Industrial)
4.4 Nanotecnologias en las TIC y la Electrónica
En la actualidad nos estamos acostumbrando a tener fácil acceso al trabajo y a servicios de información general. El hecho de que la información esté disponible en cualquier lugar y en cualquier tiempo depende de las comunicaciones así como de la posibilidad de conectarse a ellas. Hoy en día, la conexión es generalmente inalámbrica (teléfono móvil, red wifi, etc.). En un futuro, estos sistemas de comunicación serán incluso de más fácil uso, hasta el punto de sr transparentes al usuario. La información fluirá a su destino mediante cualquiera de los canales de comunicación disponibles. Así mismo, el ancho de banda de estos sistemas se ampliará considerablemente de acuerdo con la cantidad de datos a transmitir (voz, fotografías, videos, ficheros, etc.),que deberá ser mucho más segura frente a hackers o cualquier tipo de intrusismo.
En este sentido, se necesitara de la nanoelectronica no solamente para lograr la miniaturización de los dispositivos de comunicación, sino para lograr una mayor funcionalidad en términos del número de canales de comunicación. Los dispositivos multibanda y multimodo que de ella surgirán serán la clave para discernir la comunicación requerida entre la cuantiosa comunicación que por ellos pueda fluir, anunciando una nueva era de comunicaciones sin precedente. A su vez, los canales de comunicación inalámbricos funcionaran a frecuencias más altas con objeto de incrementar la velocidad de transmisión de datos.
Por consiguiente, se requerirá incrementar la integración de MEMS de radiofrecuencia y de arquitecturas RF que permitan compartir los circuitos entre diferentes canales de RF y esquemas de modulación.
Por otro lado, la mayor funcionalidad de los sistemas portátiles de comunicación requerirá el mínimo consumo, requerimiento que devendrá aun mas critico. Además, la necesidad de mantener activados a estos dispositivos durante largos periodos de tiempo entre recargas de las baterías o incluso autónomos en términos de fuentes de alimentación, se necesitaran dispositivos de recolección de energía (energy scavening) que adquieran y almacenen energía del medio ambiente local.
4.5 Nanotecnologias en la salud y la biotecnología
Dada la escala nanometrica inherente a las interacciones a nivel celular, es inevitable que la nanotecnología también se aplique a la biotecnología. Asi, la nanotecnologías básicas provenientes de la física y la química se integra con la biología molecular para desarrollar u nuevo campo de investigación e innovación denominado nanobiotecnología.
La nanobiotecnología está empezando ya a mostrar su prometedor impacto en las ciencias de la salud, un término amplio que incluye el diagnostico y el tratamiento de enfermedades, así como el desarrollo de fármacos y su administración al cuerpo humano.
La nanobiotecnología aplicada al a medicina, se fundamenta en una mejor comprensión de los procesos biológicos mediante la utilización de las herramientas "nano", para desarrollar nuevos sistemas de diagnostico (diagnostico molecular) o terapias (nanofármacos o medicina regenerativa). Estas aplicaciones son las que se conocen actualmente como nanomedicina, que según documentos elaborados por la plataforma española de nanomedicina, miembro de la plataforma tecnológica europea, se puede identificar como aquellas practicas medicas, incluyendo prevención, diagnostico y terapia, que requieren tecnologías basadas en interacciones entre el cuerpo humano y materiales, estructuras o dispositivos cuyas propiedades se definen a escala nanométrica .
En paralelo, los desarrollos obtenidos por la nanobiotecnología permiten desarrollar aplicaciones en otros ámbitos como la seguridad alimentaria o cosmética. El uso de las nuevas tecnologías resulta también esencial en la industria alimentaria y puede ser una de las claves en los productos innovadores.
Las nanotecnologías proveen las herramientas para implantar en la producción de alimentos sensores que verifiquen el óptimo estado del alimento, así como que prueben su gusto y aroma.
También las nanobiotecnologías pueden ayudar en la preparación de determinadas biomoleculas para favorecer su absorción por el cuerpo humano (por ejemplo mejorar la absorción de los lycopenas, sustancias que dan a los tomates su color rojo y que poseen un rol crucial en el cáncer de próstata).
La nanobiotecnología ofrece nuevas herramientas para la detección del cáncer asi como para su prevención y tratamiento.
La nanotecnología también permite la mejora de biomateriales no-reabsorbibles y un mejor control de las interacciones biológicas a nivel nanométrico, que aumentan la funcionalidad y longevidad de los materiales implantados. La aplicación de recubrimientos bioactivos o nanoparticulas en la superficie de los implantes, hará posible sujetar de forma más natural el implante a los tejidos adyacentes y prolongar significativamente la vida útil del mismo. Del mismo modo cabe la posibilidad de rodear el implante de tejido con una barrera nanofabricada que ayuda a la activación de los mecanismos de rechazo lo que permitirá una mayor utilización de las donaciones de órganos. (Industrial)
4.6 Nanotecnología en la milicia
Al igual que con los demás avances científicos, los militares han visto rápidamente las posibilidades de la nanotecnología. De hecho, son muy pocas las potenciales aéreas de aplicación en las que no están implicados los militares, ya sean relativas al transporte, salud, comunicaciones o informática. Aparentemente, las aplicaciones civiles interesan a los militares a tres niveles. En primer lugar, y de una forma totalmente prosaica, como importantes empleadores de personal y de equipo, los militares forman comunidades dentro de la sociedad con necesidades logísticas y personales similares a las de cualquier gran compañía, como por ejemplo energía más barata o formas de transporte y asistencia médica más eficaces. En segundo lugar, puede adoptar la tecnología desarrollada en los laboratorios universitarios o privados para sus propios fines. En efecto, si bien el Departamento de Defensa norteamericano tiene el compromiso de mantener un importante programa científico propio que le garantice la superioridad sobre sus potenciales enemigos, en realidad depende cada vez más de su asociación de los sectores empresariales y académicos para mantener el liderazgo tecnológico. Los ejemplos de uso dual pueden ser tan simples como la adopción de la ropa impermeable inicialmente desarrollada para uso de excursionistas o granjeros, o más sofisticados, como ver qué provecho se puede obtener en la mejora de la velocidad y la maniobrabilidad de los vehículos blindados reduciendo el peso de los mismos y mejorando simultáneamente la protección que proporcionan a los soldados. En tercer lugar, los militares tienen sus propios intereses especiales en la nanotecnología, incluida la mejora de los sistemas armamentísticos existentes y el desarrollo de nuevas armas. (Sheller, 2006)
En el 2004 el Pentágono dedicaba más de 300 millones de dólares al año a la investigación de la nanotecnología, y previa a un aumento en esa partida del presupuesto. Pero el cruce entre los usos aparentemente civiles y los militares de la investigación y el desarrollo incrementa considerablemente la presencia de los militares en este campo. Los militares patrocinan, se asocian o trabajan mano a mano con los investigadores gubernamentales, universitarios o de empresas privadas, y en última instancia constituyen un mercado potencial enorme para las empresas que trabajan en este campo. El ejército norteamericano es uno de los buscadores de patentes más agresivos en lo relativo a descubrimientos nanotecnológicos.
El programa Moldice ha sido especialmente diseñado para combinar las funciones sensoras de los sistemas biológicos y de una circuitería de silicio para transmitir información al controlador.
Teóricamente, las mismas propiedades que permiten a las partículas nanoscopicas identificar virus en el cuerpo humano pueden permitirles advertir al mando militar de la presencia de fuerzas enemigas o de un determinado tipo de armamento. El campo de batalla del futuro estará cubierto por una fina capa de sensores que permitirán identificar todo tipo de amenazas. (Por supuesto, este tipo de detector de información solo funciona si el enemigo no es consciente de que está siendo usado, pues en este caso puede volverlo en contra de quien lo utiliza introduciendo datos falsos en el sistema). En el 2003, el Congreso norteamericano no fue informado de que el departamento de defensa está trabajando en un tipo de "polvo inteligente" formado por diminutos robots de tamaño de un insecto o incluso más pequeños.
Aunque no son propiamente nanotecnológicos, millones de estos dispositivos más pequeños, de tipo nanotecnológico, es aún mayor.
Según el Ministerio de Defensa del Reino Unido, "es posible utilizar nubes de partículas nanotecnológicas especialmente diseñadas para producir interferencias en los sistemas electrónicos, poner al descubierto las plataformas voladoras que las crucen y perturbar el funcionamiento de los sistemas de comunicación y detección ".
Un componente clave de la "seguridad nacional" es la protección no solo de edificios si no de varios tipos de estructuras e instalaciones. Hay muy poca diferencia, o ninguna, entre el estado actual de la nanotecnología y otro en el que todas las instalaciones estén equipadas de un modo estándar con alfombras, muros o ventanas capaces de detectar sustancias químicas o bacterias indeseables del mismo modo que hoy lo están con alarmas antihumo.
La evolución del soldado norteamericano le aproxima cada vez más al reino de la nanociencia, especialmente gracias al Instituto de Tecnología para Soldados (IST), del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
El IST está financiado por el ejército norteamericano y trabaja en asociación con empresas como Raytheon y DuPont. Y su misión es:
Usar la nanotecnología para mejorar espectacular mente la supervivencia de los soldados. El objetivo es crear un traje de combate del siglo XXI que combine las características propias de un artículo de alta tecnología con una mayor ligereza y confort. Imagínense u traje a prueba de balas, no más grueso que un traje normal de fibras sintética, capaz de controlar el calor, curar heridas, transmitir información y posiblemente dotar a su portador de capacidades sobrehumanas.
La aplicación de la nanotecnología en el procesamiento de la información y las comunicaciones es una de las aéreas que más interés suscita entre los militares.
La agencia DARPA prosigue con su programa de investigación en computación biomolecular con el objetivo de desarrollar dispositivos moleculares capaces de autoensamblarse químicamente y de adoptar la arquitectura requerida en cada caso. Estos ordenadores nanoscopicos, lo bastante pequeños como para instalarse en la punta de un cabello humano, proporcionaran ventajas enormes en capacidad de memoria, podrán desplegarse fácilmente en cualquier lugar, serán baratos y en parte al menos, autoensamblables. También podrán tener la ventaja de no ser tan venerables a las emisiones electrónicas o a al radiación como los ordenadores electrónicos tradicionales, una propiedad sumamente útil en el campo de batalla.
Los militares también están mostrando interés en el campo de la computación óptica, en el que los datos se transforman de impulsos eléctricos en pulsos de luz. Este otro campo de la nanotecnología tiene mucho que ofrecer a medio y a largo plazo.
Hay quien ha mostrado su preocupación por el hecho de que la revolución en asuntos militares que promueve la nanotecnología puede extenderse más allá de la mejora de las prestaciones en el campo de batalla e invadir el territorio de la estrategia militar.
Según la opinión expresada por el boletín interno de la Universidad de la Defensa Nacional del gobierno norteamericano:
En términos convencionales, sería posible diseñar bionanobots que, al ser ingeridos desde el aire por las personas, analizaran el código de su ADN y se autodestruirán en el lugar apropiado (probablemente en el cerebro) en aquellas personas cuyos códigos hubiesen sido programados al efecto. Estos nanobots podrían atacar determinadas clases de metales, lubricantes o caucho y destrozar armamento convencional a base de consumirlo. (Sheller, 2006)
El impulso a la nanociencia y la nanotecnología, en México, pudiera significar para el país la oportunidad para mejorar su posición competitiva y la disminución de la brecha tecnológica con respecto a otros países, así como la mejora en las condiciones de vida de la población. Para ello, se cuenta con elementos básicos y una serie de ventajas que posibilitan su inclusión en esta megatendencia mundial, siempre y cuando se elaboren e implementen las estrategias necesarias para aprovechar nuestras fortalezas y oportunidades y se contrarresten las debilidades internas que pudiesen poner en riesgo el éxito de este desarrollo.
La nanociencia y la nanotecnología constituyen la próxima revolución científico-tecnológica en proceso de despliegue, con características de tecnología disruptiva, en tanto que los conceptos de manufactura, diseño y conocimiento serán transformados radicalmente.
Su impacto descansa en su carácter multidisciplinario que conduce a sinergias interdisciplinarias y en las iniciativas tomadas por gobierno, empresas y sectores industriales.
El mercado potencial de la nanotecnología es amplio y creciente. Actualmente existen en el mundo alrededor de 2500 compañías involucradas en la nanotecnología, con ingresos del orden de 50 mil millones de dólares en 2006, cantidad que según la proyección más conservadora, crecerá a 250 mil millones de dólares en los próximos 10 años. El segmento más lucrativo, rentable y con mayor participación en el mercado mundial de la nanotecnología es en la actualidad el de los nanomateriales y las nanoparticulas.
De acuerdo con estimaciones previas, el uso de la nanotecnología impacta favorablemente en los costos de producción, respecto del uso de materiales o tecnologías tradicionales.
En general los empleados en micro y nanotecnología están bien pagados y tienen un alto nivel educativo.
Tanto en los países desarrollados como muchos de los que se encuentran en vías de desarrollo han implementado políticas y estrategias dirigidas s fomentar la investigación, desarrollo e innovación de la nanotecnología como una alternativa de crecimiento económico que permita incrementar su competitividad global. En las economías emergentes de Asia, la nanotecnología ha sido liderada principalmente por las políticas y estrategias gubernamentales.
De igual manera, los giros industriales con altas posibilidades de proyectos y uso de la nanotecnología son:
a) Industria química
b) Industria del plástico y del hule
c) Industria del petróleo
d) Fabricación de equipo de generación eléctrica y aparatos eléctricos
e) Fabricación de equipo de computación, comunicación, medición y equipos, componentes y accesorios
f) Fabricación de productos a base de minerales no metálicos (vidrio, cemento, cerámicos, refractarios, abrasivos)
g) Industrias metálicas básicas (hierro, acero, ferroaleaciones, aluminio, refinación, cobre, fundición, moldeo.
h) Industria alimentaria
La consideración de la nanotecnología como motor de la próxima revolución industrial o como tecnología estratégica para la futura economía mundial, responde a una percepción global de su enorme potencial y del alcance que poseen sus desarrollos para los retos actuales y futuros de la sociedad. Prueba de ello el esfuerzo investigador mundial en este ámbito no deja de crecer exponencialmente en busca de ese dominio científico-tecnológico necesario para un correcto posicionamiento industrial y económico.
Las nanotecnologías engloban un vasto conjunto de conocimientos y tecnologías en rápida evolución que requieren de una aproximación sistemática pero también, de una identificación tan precoz como sea posible de los nuevos retos y tendencias, de las capacidades necesarias y de las disponibles, en fin , de los nuevos avances y de sus campos de aplicación potencial con interés para las expectativas del país.
Es evidente que la nanotecnologías aplicadas a la biomedicina y conocidas como nanobiotecnología o nanomedicina es uno de los ámbitos de mayor proyección de futuro. Sin embargo, es necesario destacar que para una correcta evaluación del sector son muy importantes considerar no solo los aspectos científicos sino también las consideraciones relacionadas con la seguridad y la regulación de productos y tecnologías médicas.
1) Nanomateriales "Síntesis, Propiedades y Aplicaciones", A.S Edelstein, R.C Cammarata, Institute of Physics Publishing Bristol and Phildelphia
2) Nanostructured Material and Nanotechnology, Hari Singh Nalwa, Editorial CONCISE, S. Diego CA, EUA. 2002.
3) Nanociencia y Nanotecnologia "Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro", Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT)
4) Aplicaciones Industriales de las Nanotecnologías en el Horizonte 2020 "Estudio de Prospectiva", Fundación OPTI: Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial.
5) Diagnostico y Prospectiva de la Nanotecnologia en México, Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C (CIMAV), Chihuahua, Chihuahua. 2008.
6) Nanotecnologia "Nuevas Promesas, Nuevos Peligros", Toby Shelley, Editorial El Viejo Topo, 2006, España.
Autor:
Fernando Quezada Villarreal
Francisco Olivas Sosa
Omar López Montañez
Hugo Prieto Galindo
Ingeniería Electromecánica
Instituto Tecnológico de Chihuahua
Chihuahua, Chihuahua. a 6 de Diciembre del 2010
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