Nanotecnología (página 2)

1.3. NANO

Una milésima parte de un millón

II QUÍMICA DEL CARBONO

2.1 CONCEPTO

El carbono está ampliamente distribuido en la naturaleza pese a no ser un elemento especialmente abundante. En la corteza terrestre es el duodécimo elemento en orden de abundancia, siendo la misma la milésima parte de la de oxígeno y sólo vez y media mayor que la del manganeso.

Sólo se conocen unas cincuenta mil sustancias en cuya composición no interviene el carbono, y pasan de 2 millones el número de compuestos de carbono conocidos.

Al final del siglo XVII, los científicos dividían las sustancias naturales en tres grupos según su origen: sustancias vegetales, sustancias animales y sustancias minerales.

Al final del siglo XVIII y gracias a los trabajos de Lavoisier, se llegó a la conclusión de que no existían diferencias en cuanto a la naturaleza de  sustancias animales y vegetales. A partir de entonces se clasificaron las sustancias en dos grupos: las producidas por seres vivos u orgánicas, y las que no procedían de seres vivos o inorgánicas.

A principios del siglo XIX, Berzelius aún creía en la existencia de una razón básica que fuese responsable de las marcadas diferencias que se encontraban entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos. La causa de las diferencias se achacaba a la vis vitalis (fuerza vital), de misteriosa naturaleza y que sólo actuaba en los seres vivos, por lo que los compuestos orgánicos no podrían nunca prepararse artificialmente.

La derrota de la teoría de la vis vitalis se atribuye a Friedrich Wöhler, quien en 1828 sintetizó urea (sustancia que se encuentra en la orina de los animales, siendo el principal producto nitrogenado del metabolismo de las proteínas). La síntesis tuvo lugar, sin intervención de organismos vivos, según:

La síntesis efectuada por Kolbe en 1845 (síntesis del ácido acético) y la de Berthelot (síntesis del metano), así como otras que les siguieron, corroboraron las conclusiones de Wöhler, determinando el definitivo y total rechazo de la teoría de la fuerza vital.

Poco a poco fue diluyéndose en la mente de los científicos la barrera entre Química Orgánica y Química Inorgánica. Sin embargo, se conservaron estos términos debido a que:

• Todos los compuestos considerados como orgánicos contienen carbono.
• Los compuestos de carbono son mucho más numerosos que los compuestos conocidos del resto de los elementos.
• Los compuestos con un esqueleto carbonado no parecen ajustarse a las reglas de valencia a que se ajustan los compuestos minerales.
• Los compuestos orgánicos presentan propiedades generales muy distintas de las que presentan los compuestos minerales. Así, los compuestos orgánicos se descomponen con facilidad por la acción del calor, son combustibles en su gran mayoría, tienen puntos de fusión y ebullición bajos, de ordinario reaccionan con lentitud, etc.

2.2 FORMAS ALOTRÓPICAS

Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran variedad materiales de carbón. 

Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2 , lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y sp3.  

 Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo. 

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito. 

Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las láminas son por fuerzas de Van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento ABCABC.

Estructuras del grafito hexagonal (ABAB)   y del grafito romboédrico(ABCA)

Hibridación sp3, forma alotrópica del diamante. 

El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.

Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse  formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,…C100, etc. Los nanotubos de carbono  prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas).

Diversas estructuras de nanotubos de carbono

Carbones y sus diferentes estructuras microscópicas

III QUÍMICA DEL SILICIO

3.1 ESTRUCTURA QUÍMICA

Es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común en la Tierra después del oxígeno. Su número atómico es 14 y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla periódica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en 1823 por el químico sueco Jöns Jakob barón de Berzelius.

Propiedades y estado natural

Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar al vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.

El silicio se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (véase Flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio es insensible al aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que ya no reacciona más. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio respectivamente.

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre elemental, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, las variedades del cuarzo (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfiboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina

3.2 SILICIO EN LA MEMORIA

En 1959, Richard Feynman predijo que todas las palabras escritas en la historia del mundo podrían ser contenidas en un cubo de material cuyo lado fuera una 2/100 parte de una pulgada, siempre y cuando dichas palabras estuviesen escritas con átomos. Poco más de 40 años después, científicos de la University of Wisconsin-Madison han creado una memoria a escala atómica utilizando átomos de silicio en vez de los 1s y 0s empleados por los ordenadores de hoy en día para almacenar datos.

Se trata de un paso corto pero crucial hacia una memoria a escala atómica práctica, donde los átomos representarán los bits de información que a su vez forman las palabras, imágenes y códigos leídos por los ordenadores.

El trabajo, encabezado por Franz Himpsel, es muy interesante. Aunque la memoria creada por él y sus colegas se encuentra en dos dimensiones, a diferencia del cubo pronosticado por Feynman, proporciona una densidad de almacenamiento un millón de veces mayor que la de un CD-ROM.

El átomo representa, de momento, el "muro" infranqueable de la miniaturización tecnológica. Parece un límite natural. Aunque divisible, es una unidad fundamental de la naturaleza. Son las partículas más pequeñas de un elemento químico: un único grano de arena, por ejemplo, puede contener 10 billones de átomos.

La nueva memoria fue construida sobre una superficie de silicio que automáticamente forma surcos dentro de los cuales se alinean filas de átomos de silicio, descansando como pelotas de tenis en un canalón. Utilizando un microscopio STM (scanning tunneling microscope), los científicos levantaron átomos individuales de silicio con su punta, creando espacios que representan los 0s del almacenamiento de datos, mientras que los átomos que permanecen en su lugar representan los 1s.

Como la memoria convencional, el dispositivo a escala atómica puede ser inicializado, formateado, escrito y leído a temperatura ambiental. Para su fabricación no se empleó litografía sino que se evaporó oro sobre una pastilla de silicio, proporcionando una estructura de pistas (surcos) muy precisa. Evaporando después silicio sobre la oblea tratada, se pueden difundir los átomos a lo largo de la estructura, donde se alinearán y permanecerán dentro de las pistas como los huevos en una huevera. Los átomos de silicio representarán los bits de información.

La alineación es tan precisa que permite su manipulación y extracción con el STM sin perturbar a los átomos que no deben tocarse (de lo contrario podrían formarse enlaces indeseados).

La tecnología requerirá aún años, sino décadas, para alcanzar el punto de madurez necesario para su uso práctico. Las manipulaciones con el STM en una situación de vacío son impedimentos que deberán resolverse.

La densidad de memoria alcanzada es comparable a la elegida por la naturaleza cuando almacena información en las moléculas de ADN. La memoria de silicio a escala atómica usa 20 átomos para almacenar un bit de datos. El ADN utiliza 23 átomos.

IV TIPOS DE NANOTECNOLOGÍA

4. 1 Nanotecnología Húmeda

• Esta tecnología se basa en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético, membranas, encimas y otros componentes celulares.
• También se basan en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evolución, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas. 

4. 2 Nanotecnología Seca

• Es la tecnología que se dedica a la fabricación de estructuras en carbón, Silicio, materiales inorgánicos, metales y semiconductores.
• También está presente en la electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos.
• Auto ensamblaje controlado por computadora.
• Es también confundida con la microminiaturización.

4.2 Nanotecnología Seca y Humeda

• Las ultimas propuestas tienden a usar una combinación de la nanotecnología húmeda y la nanotecnología seca
• Una cadena de ADN se programa para forzar moléculas en áreas muy específicas dejando que uniones covalentes se formen sólo en áreas muy específicas.
• Las formas resultantes se pueden manipulas para permitir el control posicional y la fabricación de nanoestructuras.

4.3 Nanotecnología computacional

• Con esta rama se puede trabajar en el modelado y simulación de estructuras complejas de escala nanométrica.
• Se puede manipular átomos utilizando los nanomanipuladores controlados por computadoras.

V NANODIAMANTES

El diamante, el material natural más duro y resistente, se espera que con el uso de la nanotecnología amplíe y mejore sus aplicaciones. Así los nanodiamantes podrían conducir a la detención de contaminantes bacterianos en agua y alimentos; y a producir nanodispositivos electrónicos, que como en el caso de los nanotubos del carbón que están siendo desarrollandos y estudiados, presenten mayores ventajas que los actuales en silicio. Es decir, será posible hacer diamantes o las películas de diamante en diferentes formas y tamaños, asi como también mejorar su costo. La nanotecnología ha permitido sintetizar películas de nanodiamantes con las características físicas, químicas y biológicas mejoradas para ser aplicado en áreas tecnológicas muy diferentes.9-12 Estos nanodiamantes crecidos en diversos substratos tienen una capacidad particular para el estudio electroquímico ofreciendo alta sensibilidad, buena precisión y alta estabilidad en comparación con otros materiales como el carbón vítreo y el platino.

Además de las características naturales del diamante, tales como alta conductividad térmica, alta dureza e inercia química también presenta un amplio intervalo de potencial electroquímico en medios acuosos y no acuosos, capacitancia muy baja y estabilidad electroquímica extrema. Por otra parte, se desarrollan nuevas superficies que permiten el fijar compuestos como proteínas o moléculas más simples que permitirán obtener mayor afinidad a líquidos específicos para su estudio mejorando las propiedades biológicas de dichos materiales. Mientras que todas estas características promueven nuevas aplicaciones en campos como el electroanálisis, otras incluyen el uso de estas películas en la fabricación de los revestimientos duros que poseen coeficiente friccional bajo y características excelentes de desgaste,13 dispositivos emisores de electrones11 y cubiertas resistentes a altos impactos.14, 15 La nanocristalinidad de estas películas es el resultado de un nuevo tipo de crecimiento y mecanismos de nucleación, dando por resultado un nivel de nucleación alrededor de 1,010 cm-2s-1; gracias al uso de diversas técnicas de deposición, por ejemplo, del plasma asistido por microondas, descarga a baja presión, plasma inducido por laser, filamento caliente y otras técnicas.6 Típicamente, la mezcla gaseosa usada para la sintésis del diamante microcristalino o nanocristalinos es formada de hidrógeno y metano.1, 2 Sin embargo, en el logro de nano-películas, se han utilizado otras composiciones formadas de argón, hidrógeno y metano16, 17 o de helio, hidrógeno y metano;9, 10 obteniendo nanodiamantes con características específicas y con nuevas propiedades; como una mayor conductividad eléctrica, conductividad térmica y mayor área superficial potencialmente utilizable.

Algunos ejemplos de nanodiamantes pueden ser observados en las figuras 1, 2, 3 y 4; que son fotos

Fig. 1. A) Foto de un soporte carbonoso realizada mediante

microscopía electrónica de barrido (conocido por sus

siglas en inglés, SEM.

Fig. 2. B) Foto del soporte de carbono con un depósito

de nanodiamantes realizada mediante Microscopía

electrónica de barrido. El depósito de nanodiamantes se

realizó con un nivel de drogado en boro de 1018 partes

por cm-3. Reimpreso de Diamond & Related Materials 14

(2005) 1673 – 1677, con permiso de Elsevier.18

Fig. 3. Imágenes de MicroscopÍa electrónica de barrido

del electrodo del diamante/soporte de carbono con un

nivel de drogado con boro de 5000 ppm. (a) Morfología;

(b) Sección representativa que evidencia la fibra interna.

VI NANOTUBOS DE CARBÓN

6.1 Definición

Los nanotubos de carbono se consideran una gran promesa debido a sus propiedades mecánicas excepcionalmente fuertes, su habilidad para transportar de modo eficaz altas densidades de corriente eléctrica, y otras propiedades eléctricas y químicas.

Los nanotubos, que son aproximadamente 10.000 veces más delgados que un cabello humano, pueden fabricarse casi perfectamente rectos en cámaras especiales de plasma gaseoso. Son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre

El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo-panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas al lado, Por esto se utiliza en lápices – porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito.

En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc.

Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

Los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal. Esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben también ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo pueda ser un semiconductor o un metal.

VII NANOMEDICINA

En la nanomedicina se han clasificado tres partes principales para poder atender a una persona: el nanodiagnóstico, la liberación controlada de fármacos y la medicina regenerativa.

Nanodiagnostico.- El objetivo del nanodiagnostico es de identificar la aparición de una enfermedad en sus primeros estadios a nivel celular o molecular e idealmente al nivel de una sólo célula. Para posteriormente dar un buen tratamiento en base al diagnostico que se le da.

Nanomateriales usados:

Nanobiosensores de reconocimiento celular o molecular

Liberación controlada de fármacos.- El objetivo de la liberación controlada de fármacos como su nombre bien lo describe, es que una vez dada el diagnostico al paciente, se le suministre el medicamento de tal manera que este llegue a su destino y recién ahí empiece a reaccionar con la zona tratada. Para esto se utiliza tecnología para que en el transcurso del medicamento a través del organismo no se desperdicie el fármaco. Esto ayudara al paciente ya que se le suministrara menor cantidad de drogas pero que esto no influya en la eficacia del mismo. Liberándose cuando este en la zona requerida y no antes.

Nanomateriales usados:

Diferentes nanosistemas empleados para la dosificación controlada de fármacos

Medicina regenerativa.- El objetivo principal de esta area es el de regenerar o reemplazar los tejidos u organos afectados, órganos mediante la aplicación de métodos procedentes de terapia génica, terapia celular, dosificación de sustancias bioregenerativas e ingeniería tisular.

Nanomateriales usados:

Crecimiento de células de fibroblasto sobre un sustrato nanoestructurado,

Pero estos no solo son los unicos materiales para una terapia, ya que hay diversos nanomateriales que cada dia se desarrolan, con el objetivo de darle a la humanidad una mejor calidad de vida.

7. 1 Nanotubos en terapia genética

Gracias a los últimos avances científicos en la medicina, se han logrado identificar muchos de los genes relacionados con ciertas enfermedades, y actualmente investigaciones utilizan estos nuevos conocimientos para desarrollar nuevos tratamientos para dichas enfermedades.

Se cree que se podría reemplazar genes defectuosos o ausentes a través de la implantación en células humanas desde el exterior del mismo tipo de gen. Este proceso no resulta sencillo porque, como el ADN no puede traspasar las membranas células, se requiere la ayuda de un transportador. Ejemplos de este tipo de transportador incluyen un virus, un lisosoma o péptido especial. Un equipo europeo de investigadores ha desarrollado un nuevo método para introducir el ADN en células de mamíferos a través de nanotubos de carbón modificados.

Los nanotubos de carbón son estructuras diminutas con forma de aguja y fabricados con átomos de carbón.

Para utilizar nanotubos como transportador de genes, era necesario modificarlos. El equipo de investigadores logró enlazar al exterior de los nanotubos de carbón varias cadenas hechas de átomos de carbón y oxígeno cuyo lateral consiste en un grupo de aminos cargados positivamente (– NH3+). Esta pequeña alteración hace que los nanotubos sean solubles. Además, los grupos cargados positivamente atraen a los grupos de fosfatos cargados negativamente en el esqueleto del ADN. Al utilizar estas fuerzas electrostáticas atractivas, los científicos lograron fijar de forma sólida plasmidos al exterior de de los nanotubos. Luego contactaron los híbridos de nanotubo-ADN con su cultivo celular de células de mamífero.

El resultado fue que los nanotubos de carbón, junto con su cargamento de ADN, entraron dentro de la célula. Imágenes de microscopio electrónico mostraron la forma en la que los nanotubos penetraron la membrana celular.

Los nanotubos no dañan a las células porque, a diferencia de los anteriores sistemas de transporte genética, no desestabilizan la membrana al penetrarla. Una vez dentro de la célula, los genes resultaron ser funcionales. El uso de nanotubos de carbón como transportador no se limitará al transplante de genes. Nuevos avances científicos lograrán que sea posible el transporte de medicamentos y el desarrollo de otras nuevas técnicas médicas.

7. 2 Nanotubos en Medicina

Según los resultados de una investigación llevada a cabo por un equipo de científicos de la Universidad de California, la fuerza, flexibilidad y poco peso de nanotubos de carbón hace que podrían servir como andamios capaces de suportar a los huesos y ayudar a víctimas de osteoporosis y huesos rotos. Los científicos describen su descubrimiento en un artículo publicado por la revista Chemistry of Materials de la American Chemical Society. Los resultados podrían suponer mayor flexibilidad y fuerza de huesos artificiales y prótesis, además de avances en el tratamiento de la enfermedad osteoporosis. Según el director de la revista, la investigación es importante porque indica un posible camino para la aplicación de nanotubos de carbón en el tratamiento médico de huesos rotos.

Actualmente, las estructuras de hueso artificial se fabrican utilizando una gran variedad de materiales, tales como polímeros o fibras de péptido, pero tienen la desventaja de carecer de fuerza y el riesgo de ser rechazados por el cuerpo humano. Sin embargo, los nanotubos de carbón son excepcionalmente fuertes, y existe menos posibilidad de rechazo por su carácter orgánico.

El tejido óseo es un compuesto natural de fibras de colágeno y hidroxiapatita cristalina, un mineral basado en fosfato de calcio. Los investigadores han demostrado que los nanotubos de carbón pueden imitar la función de colágeno y actuar como un andamio para inducir el crecimiento de cristales de hidroxiapatita. Al tratar los nanotubos químicamente, es posible atraer iones de calcio lo que fomenta el proceso de cristalización y mejora la biocompatibilidad de los nanotubos al aumentar su hidrosolubilidad.

7. 3 Nano-robots

7.3;a) Definición

Aunque todavía no se han fabricado nanorobots, existen múltiples diseños de éstos, incluso no pueden ser del todo robots es decir pueden hasta ser modificaciones de células normales llamadas también células artificiales. Las características que éstos deben de cumplir, entre las que se pueden mencionar:

7.3;b) Tamaño

Como el nombre lo indica, los nanorobots deben de tener un tamaño sumamente pequeño, alrededor de 0.5-3 micras ( 1micra=1*10-6) más pequeños que los hematíes (alrededor de 8 micras.

7.3;c) Componentes

El tamaño de los engranes o los componentes que podría tener el nanorobot seria de 1-100 nanómetros (1nm=1*10-9) y los materiales variaría de diamante como cubierta protectora, hasta elementos como nitrógeno, hidrógeno, oxigeno, fluoruro, silicón utilizados quizás para los engranes

7.3;d) Nano-robots inmunológicos

El sistema inmune de nuestro cuerpo es el encargado de proporcionar defensas contra agentes extraños o nocivos para nuestro cuerpo, pero como todos los sistemas éste siempre no puede con todo. Entre estas deficiencias se encuentra que muchas veces no responde (como es el caso con el SIDA) u tras veces sobreresponde (en el caso de enfermedades autoinmunitarias). Cabe decir que los nanorobots estarán diseñados para no provocar una respuesta inmune, quizás las medidas que tienen estos bastaran para no ser detectados por el sistema inmune. La solución que ofrece la nanomedicina es proporcionar dosis de nanorobots para una enfermedad especifica y la subsecuente reparación de los tejidos dañados, substituyendo en medida a las propias defensas naturales del organismo.

7.3;e) Nano-robots en la piel

Parece que con billones de nanorobots que se implantan en el cuerpo humano y que recopilan información del estado de todo nuestro cuerpo, órganos, músculos, huesos, corazón, etc. para disponer de mucha información y poder hacer un análisis en tiempo real de alto nivel.

Como nos citan en Xataka: "Para mostrar el análisis, algunos de estos nanorobots se colocarían sobre la mano o el antebrazo, a unas 200 o 300 micras por debajo de la piel, y alimentándose a partir de la glucosa y el oxígeno de nuestro propio cuerpo (menudos parásitos) formarían un pequeño rectángulo de unos 5×6 centímetros. podrían lucir en diversos colores gracias a una especie de diodos que vendrían integrados con los nanorobots, pero cuando se "apagasen" la piel volvería a lucir su color normal."

VII. 3 Tratamiento contra el cáncer

El equipo de Nanospectra ha logrado desarrollar nanopartículas de cristal bañadas en oro capaces de invadir un tumor y, cuando se calientan a través de un sistema remoto, capaces de destruirlo.

La clave del alto grado de efectividad de este nuevo avance se deriva de las dimensiones de las partículas. Las nanopartículas tienen un diámetro de 150 nanómetros, que según el equipo de Nanoespectra, es el tamaño ideal para que puedan atravesar los vasos sanguíneos agujereados de un tumor. Esto podría permitir que las partículas se acumulasen en el tumor más que en otros tejidos. Cuando se dirigen rayos de luz infrarrojos a la localización del tumor, bien desde el exterior, o bien a través de una sonda, las partículas absorben la luz y se calientan. El resultado es que los tumores se calientan más que los otros tejidos alrededor, y se mueren.

En el primer estudio realizado por la empresa, los tumores en ratones injertados con las nanopartículas desaparecieron a los seis días después de aplicarles el tratamiento de los rayos infrarrojos.

Aunque la aplicación de rayos infrarrojos de luz ha sido utilizada en el campo de la medicina como una herramienta para mostrar imágenes, este nuevo avance científico supone la primera vez que se aplican rayos infrarrojos para calentar a los tejidos.

En teoría, este nuevo avance tecnológico podría ayudar a eliminar aquellos tumores que caracterizan el cáncer de pecho, próstata y pulmón. La nanotecnología se sumaría así a otros tratamientos contra los cánceres más convencionales como la quimioterapia y la radioterapia. Y, según el presidente de Nanospectra Donald Payne, este nuevo método sería una "herramienta mucho menos tóxica para la caja de herramientas de los cirujanos".

VII. 4 Análisis o estudio de ADN por "microarrays"

Un microarreglo de ADN (del inglés DNA microarrays) es una superficie sólida a la cual se unen una serie de fragmentos de ADN. Las superficies empleadas para fijar el ADN son muy variables y pueden ser vidrio, plástico e incluso chips de silicio. Los arreglos de ADN son utilizados para averiguar la expresión de genes, monitorizándose los niveles de miles de ellos de forma simultanea.

La tecnología del microarreglo es un desarrollo de una técnica muy usada en biología molecular que es Southern Blot

. Con esta tecnología podemos observar de forma casi instantánea la expresión de todos los genes del genoma de un organismo. De tal forma que suelen ser utilizados para identificar genes que producen ciertas enfermedades mediante la comparación de los niveles de expresión entre células sanas y células que están desarrollando ciertos tipos de enfermedades.

Los microarreglos son fabricados usando una gran variedad de tecnologías. El gran desarrollo de esta técnica ha llegado debido al uso de Robots que son los que realizan el trabajo de alinear cada uno de los genes en puntos que se separan unos de otros por distancias microscópicas.

Los microarreglos de ADN se pueden usar para detectar ARN, que pueden o no ser traducidas a proteínas. Los científicos se refieren a esta clase de análisis como "análisis de expresión". En los cuales pueden ser analizados desde diez a miles de genes, pero cada experimento de microarreglo debe llevar adjunto los análisis genéticos en paralelo. Los microarreglos han acelerado de todas formas muchas investigaciones.

El uso de microarreglos para estudiar la expresión de diversos genes fue publicado en 1995, en la prestigiosa revista científica Science y el primer organismo eucariota con todo el genoma (Saccharomyces cerevisiae) dispuesto en un microarreglo fue publicado en 1997 en la misma revista.

Microarrays de dos canales

En este tipo de microarreglos (en inglés Spotted microarrays) las pruebas son oligonucleótidos, ADN copia (ADNc) o pequeños fragmentos de PCR, que corresponden con ARN mensajero(ARNm). En este tipo de microarreglo se hibrida el ADNc de dos condiciones que son marcados, cada uno de esas condiciones con dos fluoróforos diferentes. Las condiciones son mezcladas e hibridadas en el mismo microarreglo. Una vez realizado este primer paso se procede al escaneo del resultado y a la visualización del mismo. De esta forma se pueden observar genes que se activan o se reprimen en distintas condiciones. La contrapartida de estos experimentos es que no se pueden observar niveles absolutos en la expresión.

Microarreglos de oligonucleótidos

En los Microarreglos de oligonucleótidos o micromarreglos de canal único, las pruebas son designadas a partes de una secuencia conocida o un ARNm predicho. Estos microarreglos dan estimaciones del nivel de expresión, pero distintas condiciones no pueden ser observadas en una misma matriz, por lo que por cada condición se ha de utilizar un chip.

Microarreglos para Genotipificación

Los microarreglos de ADN pueden ser utilizados para "leer" las secuencias de un genoma particular en determinadas posiciones.

Los SNP microarrys con un tipo particular de matrices que son usadas para identificar variaciones individuales y a través de poblaciones. Oligonucleótidos pequeños son capaces de identificar polimorfismos de un solo nucleótido (en inglés SNPs, single nucleótido polymorphisms) que podrían ser los responsables de variaciones genéticas dentro de una población, la fuente de susceptibilidad a distintas enfermedades genéticas e incluso a ciertos tipos de cáncer. En general, la aplicación de estas técnicas de genotipado son usadas con aplicaciones forenses ya que son rápidas en descubrir o medir la predisposición de enfermedades o incluso permitir el uso de ciertos medicamentos para tratar ciertas enfermedades según tu propio ADN. Los microarreglos de SNPs son también utilizadas para identificación de mutaciones somáticas en cáncer, sobre todo la perdida de heterocigosis, la amplificación o la delación de regiones de ADN en el genomio individual de pacientes afectados, es decir la detección de aberraciones cromosómicas.

VIII NANOTECNOLOGÍA MOLECULAR Y SENSORES

La nanotecnología es la manipulación de materiales a una escala molecular. Muchos científicos utilizan hebras artificiales de ADN para lograrlo. Technology Review publica que investigadores de la Universidad de Dortmund han descubierto la forma de hacer que ADN pegue y separe nanopartículas de oro a medida. Se podría aplicar este método a sensores que detectan sustancias y actividades biológicas en el laboratorio y en el cuerpo humano. También se podría aplicar a materiales programables cuyas propiedades se pueden cambiar al añadir un trozo de ADN.

ADN consiste en cuatro bases químicas – adenina, guanina, citosina y timina – unidas a un esqueleto de fosfato-azúcar. Las hebras de ADN se unen cuando las secuencias de bases se aparean – adenina con timina y citosina con guanina. Con el nuevo avance científico desarrollado por el equipo alemán, es posible lograr que hebras artificiales cortas de ADN formen estructuras, y luego se puede manipularlas para que se peguen a otros materiales y a continuación, es posible organizar estos otros materiales dentro de una estructura. En esta investigación, los científicos utilizaron dos secuencias de hebras sencillas de ADN que se pegan a una nanopartícula de oro y una tercera hebra con tres secciones. Las primeras dos secciones de la tercera hebra aparean con cada una de las hebras de nanopartículas, pegándolas para que las nanopartículas de oro que llevan se posicionan cerca. Se puede separar las nanoparticulas utilizando un tercer tipo de hebra ADN que es igual que la hebra pegada de ADN. Esta hebra se adhiere primero a la tercera sección, la que está libre, de la hebra adhesiva de ADN y tira hasta que toda la hebra se despegaue.

IX NANOTECNOLOGÍA BASADA EN ADN

La nanotecnología comprende básicamente un conjunto de técnicas con aplicaciones potenciales en la mayoría de los sectores industriales existentes en la actualidad, y con el potencial de ayudar a crear nuevas industrias. Estas técnicas comparten el objetivo de hacer cosas cada vez más pequeñas, más pequeñas de hecho que los límites físicos establecidos en los microchips (100 nanometros, o 100 millonésimas de un milímetro) aunque más grandes, naturalmente, que el átomo individual (0,1 nanometros). A menudo se distinguen dos enfoques: la miniaturización de arriba a abajo de microtecnologías y la construcción controlada de abajo a arriba de materiales y dispositivos a partir de átomos y moléculas individuales.

La nanotecnología puede utilizarse para investigación en ciencia de los materiales, física, química, biología y medicina. Además, a veces se considera como una opción futura para el desarrollo, o incluso en ciertos casos ya en uso, en I&D en materiales y producción industrial (tecnología de ultra precisión), catálisis, electrónica, productos farmacéuticos (fármacos inteligentes), tecnologías biomédicas, (órganos artificiales), energía (nuevos materiales fotovoltaicos, baterías) y detección ambiental. Algunos productos están ya o van a estar próximamente en el mercado. Estos productos son principalmente nuevos materiales nanoestructurados e instrumentos y técnicas para su fabricación. Los ejemplos incluyen láseres en reproductores de CD, espejos y lentes de alta calidad e incluso lápices de labios

Lograr dirigir el movimiento atómico dentro de la molécula de ADN  permite generar sistemáticamente cada molécula al menos dos estados, cada uno puede representar, ora 0, ora 1. Esta fue la hipótesis de la que se partió y los éxitos aunque modestos de apariencia han sido rotundos.

Esa tesis permitió organizar computadoras que ofrecen reducciones del tamaño de los equipos porque son intrínsecamente pequeños: una milésima del tamaño de los transistores del semiconductor utilizados hoy como puertas cuyo diámetro ronda la micra, o sea, una millonésima de metro. De hecho, un ordenador biomolecular podría ser la quincuagésima parte (cincuenta veces menor) de un ordenador actual de semiconductores que contuviera similar número de elementos lógicos.

La reducción del tamaño de las puertas desemboca en dispositivos más veloces; los ordenadores de base proteínica podrán, operar a velocidades mil veces mayores que los ordenadores modernos. Hasta ahora, nadie propone un ordenador puramente molecular. Es mucho más probable, al menos en un futuro cercano, que se utilice una tecnología híbrida, que combine moléculas y semiconductores. Tal proceder debería proporcionar ordenadores cincuenta veces menores que los actuales y centuplicar su velocidad.

Las moléculas biológicas confieren así el control necesario para crear puertas que funcionen de acuerdo con los requerimientos de una aplicación. Parece razonable pronosticar que la técnica híbrida, que conjuga microcircuitos semiconductores y moléculas biológicas, pasará bastante pronto del dominio de la fantasía científica a las aplicaciones comerciales. La pantallas de cristal líquido ofrecen un espléndido ejemplo del sistema híbrido que ha triunfado. Casi todos los ordenadores portátiles de nuestros días se basan en pantallas de cristal líquido, que combinan dispositivos semiconductores con moléculas orgánicas para controlar la intensidad de la imagen en la pantalla. Son varias las moléculas biológicas que se podrían utilizar con vistas a su utilización en componentes informáticos, pero de todas ellas, es una proteína bacteriana, la bacteriorrodopsina la que suscita mayor interés.

9. 1 Material de construcción

En el año de 1980, nació la idea de utilizar las moléculas de ADN como material de construcción a nanoescala. La idea se basa en utilizar variantes estables de intermediaros bifurcados de la recombinación genética (Cruces de Holliday), como elementos básicos para materiales a nanoescala. Al combinar estas moléculas bifurcadas con extremos cohesivos, se pueden producir redes periódicas que puedan actuar como anfitrionas hacia macromoléculas huéspedes en experientos cristalográficos macromoleculares. La idea básica ha sido expuesta por casi un cuarto de siglo, sin embargo, aún esta en su infancia.

9.1 a) Extremos Cohesivos (Sticky Ends)

El origen de los extremos cohesivos se remonta a inicios de los años 70, cuando las técnicas de manipulación genética in vitro fueron realizadas inicialmente apilando moléculas de ADN con estos extremos cohesivos.

Un extremo cohesivo es una corta hebra de ADN que existe como una pequeña protuberancia al final de una molécula de doble hélice de ADN.

La ventaja de los extremos cohesivos es que dos moléculas de ADN con extremos cohesivos complementarios (es decir, sus. extremos cohesivos poseen el arreglo complementario de bases de nucleótidos adenina, citosina, guanina y tirosina) se unen para formar una molécula de ADN más compleja.

Los extremos cohesivos son sin duda el mejor ejemplo de reconocimiento molecular programable: hay significativamente, una gran variedad de extremos cohesivos, y el producto formado debido a la cohesión es siempre la clásica doble hélice del ADN.

Además, la conveniencia de la síntesis de ADN basado en soportes sólidos hace n mas facil programar diversas secuencias de extremos cohesivos en las hebras de ADN.

Por lo tanto, los extremos cohesivos ofrecen un predecible y controlado asociamiento intermolecular con una geometría impredecible con el punto de cohesión. Posiblemente se puede obtener afinidades similares entre las interacciones antigeno- anticuerpo, pero en contraste con los extremos cohesivos de ADN, la orientación tridimensional de las interacciones Antigeno- anticuerpo no van a ser predecibles entre cada par. Es decir, cada interacción Antigeno- anticuerpo e va a comportar de diferente manera, siendo casi imposible predecir una geometría determinada que englobe dicha interacción.

Los ácidos nucleicos parecen ser únicos en estas propiedades, ofreciendo un sistema programable y diverso, con un remarcable control sobre las interacciones intermoleculares.

A pesar de que los extremos cohesivos resultaron una gran alternativa para definir por primera vez a la programación molecular, las moléculas de ADN aun carecían de una propiedad importante para ser utilizadas como material de construcción a nanoescala. Y es que formando moléculas de ADN lineales. Pero para producir materiales interesantes a partir de ADN, la síntesis era requerida en múltiples dimensiones, para este puposito moléculas bifurcadas de ADN eran requeridas.

9.1 b) El Cruce Holliday ( Holliday juction)

Moléculas bifurcadas de ADN ocurren naturalmente en sistemas vivos, como intermediarios efímeros formados durante el proceso de recombinación celular. Este es un fenómeno que ocurre en todos los organismos, desde bacterias hasta humanos. Hebras alienadas de ADN se rompen y entrecruzan una a otra, formando estructuras llamadas "cruce de Holliday". Este proceso lleva a la diversidad genética en organismos.

9.1c) Formación de un Cruce de Holliday

El cruce de holliday contiene cuatro hebras de ADN (cada par de cromosomas homólogos alineados esta compuesto de 2 hebras de ADN) enlazadas entre ellas para formar un brazo de cuatro dobles enlaces.

El punto de bifurcación en el cruce de holliday puede reubicarse debido a la simetría de las secuencias. En contraste, complejos sintéticos de ADN pueden diseñarse para formar bifurcaciones que imiten el cruce de holliday sin que este pueda poseer centros de simetría

9.1d) Un Cruce bifurcado de Holliday inmovilizado

El cruce d holliday esta compuesto de 4 hebras de ADN, marcados con números árabes. El termino 3 de cada molécula esta indicado por flechas.

Cada hebra esta enlazada con otras dos hebras para formar brazos de doble hélice, los brazos están enumerados con números romanos. Lo enlaces de hidrogeno de los pares de bases que forman la doble hélice están indicados por los puntos entre las bases. La secuencia de este cruce ah sido optimizada para minimizar las simetrías y las faltas de pares complementarios. Debido a que no hay simetría C2 flanqueando el centro de bifurcación, este cruce no puede sobrellevar reacciones de isomerización que permitan la migración del punto de bifurcación. La molécula ah sido diseñada para minimizar secuencias simétrica; esto significa que todos los segmentos de secuencias cortos son únicos. En la parte de arriba del brazo 1, dos de los 52 tetrámeros en el complejo están marcados, estos son CGCA y GCAA en la esquina de la hebra 1, la secuencia CGTA esta marcada también. Esta es una de las 12 secuencias en l complejo que forman el cruce. El complemento de cada una de estas 12 secuencias no esta presente en el complejo, lo que no les va a permitir formar doble hélices. Mientras que los otro elementos tetrameritos si poseen sus complementos y forman los brazos de doble hélice.

Cruce de Holliday sintetizado

La síntesis de este complejo no va a permitir poseer un cruce bifurcado de holliday inmóvil. Esta síntesis es de gran importancia, ya que seria el "bosquejo" de la molécula de ADN que buscamos para que funcione como una unidad estructural de futuros compuestos en escala manométrica.

Por lo tanto, la prescripción para usar el ADN como elemento básico para la formación de materiales mas complejos a una escala manométrica es simple: tomar molécula sintéticas de ADN con bifurcaciones y programarlas con extremos cohesivos, para permitirán autoensamblaje a la estructura deseada, el cual puede ser objeto cerrado a un medio cristalino.

9.2 AVANCES DE LA NANOTECNOLOGIA BASADA EN ADN

Desde la idea originar de utilizar las moléculas de ADN como base para la formación de elementos mas complejos y de los estudios sobre los extremos cohesivos y el cruce de holliday, se han creado elementos basados en esta técnica, como el cubo hecho de ADN, los arreglos cristalinos bidimensionales de ADN, y el primer dispositivo manométrico.

9.2 a) Un Cubo hecho de ADN

El primer gran éxito de la nanotecnologia basad en ADN fue la construcción de una molécula de ADN con los ejes de sus hélices conectados como los lados de una figura cúbica. Este objeto consiste d seis hebras de ADN cíclicas, una para cada cara del poliedro. Cada vértice del cubo consiste de dos vueltas de la doble hélice.

9.2 b) Doble entrecruzamiento del ADN (DX-Double Crossover)

La idea que siguió a la formación del cubo basado en ADN, fue la construcción de arreglos periódicos de ADN y aprovechar a los extremos cohesivos para que puedan autoensamblarse. Sin embargo, los cruzamientos de Holliday resultaron algo flexibles y muy inestables al momento de producir arreglos en dos dimensiones, por lo tanto, se busco otro motivo de ADN que tengo menor flexibilidad y mayor dureza. Este nuevo motivo no estuvo muy lejano al ya conocido cruce de holliday, mas bien, fue una estructura similar llamada doble entrecruzamiento de holliday que también es análoga a un intermediario formado durante la meiosis. Este nuevo motivo molecular contiene do dobles hélices conectadas una a otra en dos ocasiones a través de dos puntos de entrecruzamiento.

9.2 c) Arreglo del doble entrecruzamiento del ADN

En la parte superior del dibujo mostrado se presentan a las dos moléculas de doble entrecruzamiento A y B, que se muestran esquemáticamente.

Arreglos con doble entrecruzamiento del ADN

El carácter complementario entre sus extremos cohesivos es representado por una complementariedad geométrica. Las moléculas b contienen orquilla de ADN que se proyectan fuera del plano de las hélices; estas horquillas actúan como marcadores topográficos en el microscopio de fuerza atómica que es el instrumento donde se visualizan. Las dos moléculas son de aproximadamente 4 nm de ancho, 16 nm de largo y 2 nm de espesor. Cuando estas 2 moléculas son mezcladas en solución, forman los arreglos bidimensionales que tienen varios micrones de largo y cientos de nanometros de ancho. La filia que proyectan las orquídeas aparecen como líneas blancas la ser visualidades por AFM. Estas líneas están separadas 32 nm como era de esperarse, al haber una molécula A de 16 nm de largo entre dos moléculas de A de 16 nm de largo entre dos molécula de B.

9.2 d) Triple entrecruzamiento del ADN (Triple Crossover)

Además de la molécula de doble cruzamiento de ADN, se sintetizó una molécula entrecruzada con tres dobles hélices.

Triple entrecruzamiento de heras de ADN

Esta molécula consiste de 4 oligonucleótidos hibridizados para formar tres dobles hélices de ADN que se recuestan en el plano y que permanecen unidas por intercambios de hebras en cuatro puntos inmovibles de entrecruzamiento.

9.2 e) Arreglo del triple entrecruzamiento del ADN (TX)

De la misma manera que para las moléculas de doble entrecruzamiento, moléculas TX son también robustas y pueden ser fácilmente usadas para el diseño de arreglos cristalinos en dos dimensiones.

Arreglo con triple Entrecruzamiento del ADN

Nuevamente, hacemos uso de los extremos cohesivos para programar las uniones entre las moléculas. Una ventaja importante de las moléculas de TX en comparación a otros motivos de ADN, es q poseemos grandes espacios dentro del arreglo cristalino, que nos va poder permitir llenarlas con otros nanodispositivos o incluso permitir la incorporación de componentes altamente estructurados y fuera del plano bidimensional; es decir, un posible acercamiento a los tan esperados arreglos en tres dimensiones.

Arreglo en ADN

9.2 f) Primer dispositivo nanomecánico basado en ADN

La rigidez de las moléculas antiparelelas de doble entrecruzamiento ha permitido usarlas como componentes de dispositivos nanomecanicos basados en ADN. Este dispositivo trabaja utilizando la transición B-Z de las moléculas de doble hélice del ADN. Lo que se ha logrado, es conectar dos moléculas de doble entrecruzamiento (regiones rojas y azules) con un segmento puente que contiene una región donde B-ADN se puede convertir en Z-ADN. Este segmento convertible se muestra en el dibujo con color amarillo.

X POTENCIALES DE LA NANOTECNOLOGÍA

1. Potenciales aplicaciones médicas:
2. • Servir como un sistema auto inmune potenciado.
   • Buscar y destruir virus, colesterol, excesos de grasa, células cancerígenas y marcadores genéticos.
   • Eliminar la necesidad de cirugía.
   • Evitar el "sacrificio" de materia viva natural.
   • Borrar los procesos de envejecimiento
3. Potenciales aplicaciones militares:

• Dispositivos inteligentes demasiado pequeños para ser descubiertos
• Armas biológicas/químicas computarizadas
• Escudos de defensa activos
• Blancos seleccionados sin posibilidad de error

C. Potenciales aplicaciones energéticas.

• Se usa aproximadamente una diezmilésima parte de la energía solar que llega a la Tierra.
• Se usa combustibles fósiles porque es más conveniente
• Distribución de energía a través de "canales" de energía.
• Colectores solares (en órbita alrededor de la Tierra) reemplazarán a los combustibles fósiles.

1. Potenciales aplicaciones espaciales.

• Máquinas moleculares y computadoras de tamaño subcelular.
• • Bases de lanzamiento de gran altitud (baja gravedad). 
• Vehículos y estaciones espaciales livianas y superresistentes.
• Naves con velas propulsoras posibilitarán los viajes interestelares (probablemente no para individuos pero sí para generaciones).

1. Potenciales aplicaciones ambientales.    

• Dietas "normales" sin matar animales.  
• Todas las máquinas podrían ser "libres de contaminación ambiental".  
• Materiales con estructura de diamante permitirán reemplazar a los actuales materiales.
• Nanomáquinas que obtengan su energía de la contaminación ambiental
• Reducir el uso de fuentes de energía, tradicionales, finitas y polusivas.

BIBLIOGRAFÍA

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• http://www.nanotecnologica.com/
• http://nextwave.universia.net/salidas-profesionales/nano/nano1.htm
• http://www.uned.es/cristamine/fichas/grafito/grafito.htm
• http://www.nanotechproject.org/
• http://es.wikipedia.org/wiki/Tabla_peri%C3%B3dica_de_los_elementos

Edwin Vidal López Ochoa

Fecha de nacimiento: 19 de octubre de 1989, Ica, Perú.

Estudiante de la Universidad Inca Garcilaso de la Vega.

25 junio del 2007

Lima – Perú