La nanotecnología - Resumen de las generalidades, historia, antecedentes, definiciones, aplicaciones, - Nanochemistry PDF

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Resumen de las generalidades, historia, antecedentes, definiciones, aplicaciones, beneficios y la nanotecnologia en Mexico...

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LA NANOTECNOLOGÍA DICIEMBRE 2020

LA NANOTECNOLOGÍA: UN MUNDO EN MINIATURA Resumen Las ideas y conceptos de la nanociencia y nanotecnología iniciaron con la conferencia “Hay mucho espacio en el fondo” del físico Richard Feynman, hablando sobre cómo controlar, manipular y fabricar objetos de dimensiones muy pequeñas. La nanotecnología es la tecnología y ciencia de manipular la materia a escala atómica y molecular, es decir, a tamaños extremadamente pequeños para la resolución de problemas en beneficio a la sociedad. Con la nanotecnología, los científicos pueden observar y estudiar propiedades inusuales de los materiales a una escala muy pequeña, ya que estos no se comportan como los átomos de los que están hechos. Esta tecnología a nano escala tiene aplicaciones industriales, como son en la nanobiotecnología, nanomedicina, nanomateriales, nanoelectrónica, sensores, actuadores, instrumentación, metodología y en mecatrónica, donde su principal objetivo es reducir el tamaño de los chips/biochips, ampliar las memorias, diseñar pantallas más brillantes, livianas y eficientes en el uso de energía. La nanotecnología ofrece grandes beneficios a la vida humana, pero se necesitan tomar en cuenta los efectos negativos que involucra; las propiedades especiales que poseen los dispositivos nanométricos pueden traer riesgos a la salud y al medio ambiente. En México existen 17 centros académicos que realizan investigación en nanociencia y nanotecnologías, principalmente en nuevas estructuras, nanopartículas, nano-películas y polímeros nanoestructurados. Estas instituciones tienen como objetivo usar las nanotecnologías para solucionar problemas sociales y que permite promover la colaboración multidisciplinaria para generar proyectos de investigación en nanociencia optimizando el uso de recursos humanos y materiales. Abstract The ideas and concepts of nanoscience and nanotechnology began with the lecture "There is a lot of space in the background" by physicist Richard Feynman, talking about how to control, manipulate and manufacture objects of very small dimensions. Nanotechnology is the technology and science of manipulating matter at the atomic and molecular scale, that is, at extremely small sizes for problem solving for the benefit of society. With nanotechnology, scientists can observe and study unusual properties of materials on a very small scale, as they do not behave like the atoms they are made of. The nanoscale technology has industrial applications, such as in nano-biotechnology, nanomedicine, nanomaterials, nanoelectronics, sensors, actuators, instrumentation, methodology and in mechatronics, where its main objective is to reduce the size of chips/biochips, expand memories, design brighter, lighter and more energy-efficient screens. Nanotechnology offers great benefits to human life, but the negative effects that it involves need to be considered; the special properties that nanometric devices possess can bring risks to health and the environment.

In Mexico there are 17 academic centers that carry out research in nanoscience and nanotechnologies, mainly in new structures, nanoparticles, nano-films, and nanostructured polymers. These institutions aim to use nanotechnologies to solve social problems and to promote multidisciplinary collaboration to generate research projects in nanoscience optimizing the use of human and material resources. Introducción La evolución de la tecnología ha demostrado que el hombre es capaz de crear herramientas que proporcionan grandes innovaciones en el mundo de la ciencia. Un crecimiento científico, económico y social está relacionado con el uso correcto de los recursos que se encuentran en el entorno, sin embargo, no estamos aprovechando al máximo estas herramientas. ¿Qué pasaría si lo hiciéramos? Los científicos han descubierto una nueva forma de manipular el nano mundo y los nanomateriales a fin de mejorar en las distintas áreas de la ciencia. En el presente hay una cantidad enorme de investigaciones en el mundo para perfeccionar, afinar y descubrir técnicas experimentales que produzcan nanoestructuras, y la nanotecnología se ha convertido en una idea revolucionaria para realizar estos grandes proyectos a escala nanométrica, enriqueciendo y mejorando el desarrollo de ellos para traer beneficios importantes a la sociedad, a la industria y al medio ambiente, sin dejar a un lado los impactos negativos. Objetivo general Analizar el concepto de nanotecnología, sus aplicaciones y los impactos tanto positivos como negativos que ha tenido en la sociedad. Objetivos específicos − Conocer la historia y evolución de la nanotecnología. − Identificar los sectores de la ciencia en los que la nanotecnología ha tenido mayor impacto. − Describir cómo ha influido la nanotecnología en la sociedad mexicana. Marco teórico El prefijo nano proviene del griego νάνος que significa enano. Designa, en este caso, a una mil millonésima parte de un metro (10-9 m). Por otro lado, la palabra tecnología proviene de τεχνολογος que significa arte, estudio, relato o tratado . Entonces, la nanotecnología es la técnica o arte que trata de la mil millonésima parte. Las ideas y conceptos de la nanociencia y nanotecnología iniciaron con una conferencia llamada “Hay mucho espacio en el fondo” del físico Richard Feynman en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en el Instituto de Tecnología de California el 29 de diciembre de 1959. Richard Feynman fue un físico teórico estadounidense ganador del Premio Nobel de Física en 1965 por sus valiosos aportes en la electrodinámica cuántica, hablaba ese día del mundo a escala molecular y atómica. Feynman participó en su juventud en el proyecto de creación de la Bomba Atómica, por lo cual es considerado uno de los padres de esta .

Un nuevo mundo de posibilidades se abrió en ese momento y es en dicha conferencia donde habló sobre cómo controlar, manipular y fabricar objetos de dimensiones muy pequeñas. Se preguntaba y reflexionaba sobre el futuro y la dirección hacia donde quería llevar su ciencia y las posibilidades de crear nanotecnología basada en la manipulación de átomos. Feynman (1959) afirma: “No me asusta considerar la pregunta final de sí, próximamente, en el futuro, podemos colocar los átomos como queramos: ¡Los verdaderos átomos, aquellos que están al fondo! Y ¿cuáles serían las propiedades de los materiales si pudiéramos verdaderamente colocarlos como quisiéramos? No puedo saber exactamente qué pasaría, pero no tengo la menor duda de que si llegáramos a controlar la colocación de objetos a una pequeña escala, tendríamos acceso a un amplio rango de propiedades que los materiales pueden presentar y podríamos hacer una gran cantidad de cosas”. Evolución de la Nanotecnología Si bien, Feynman fue el primero en tocar el tema y hablar sobre nanotecnología en 1959, no fue hasta 1986 que sus ideas se concretaron. Ese mismo año, E. Drexler publicaría su libro “Engines of Creation” en el cual describe cómo las nanomáquinas serán capaces de ensamblar desde computadoras hasta maquinaria pesada, en este contexto propuso el término de “plaga gris”, para referirse a lo que sucedería si un nanobot auto replicante fuera liberado en el ambiente. Además de Drexler, el científico japonés Norio Taniguchi utilizó por primera vez el término nanotecnología en el año 1974, en la que define a la nanotecnología como el procesamiento, separación y manipulación de materiales átomo por átomo. La invención del microscopio de efecto túnel en el año 1981 proporcionó una visualización sin precedentes de los átomos y enlaces individuales, y fue usado exitosamente para manipular átomos individuales en el año 1989 Los fullerenos fueron descubiertos en el año 1985 por Harry Kroto, Richard Smalley y Robert Curl, quienes en conjunto ganaron el Premio Nobel de Química del año 1996. Inicialmente el C60 no fue descrito como nanotecnología; el término fue utilizado en relación con el trabajo posterior con los tubos de grafeno relacionados (llamados nanotubos de carbono y algunas veces también tubos bucky) lo que sugería aplicaciones potenciales para dispositivos y electrónica de nano escala. En 1997 se fabrica la guitarra más pequeña del mundo del tamaño aproximado de una célula roja de sangre, además de la creación del iPod de Apple por combinación de microchips y microdiscos duros. La comercialización de los productos basados en los avances de las tecnologías a nano-escala comenzaron a surgir a partir de la década de 2000. Estos productos están limitados a aplicaciones a granel de los nanomateriales y no involucran el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen a la plataforma Nano Silver que utiliza nanopartículas de plata como un agente antibacterial, los protectores solares transparentes basados en nanopartículas y de los nanotubos de carbono para telas resistentes a las manchas.

Para mediados de la década del 2000 nueva y sería atención científica comenzó a florecer. Proyectos emergieron para producir una hoja de ruta para la nanotecnología que se centraba en la manipulación atómica precisa de la materia y que discute las capacidades, metas y aplicaciones existentes y proyectadas. En 2001 James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo y, en 2010, los físicos Geim y Novoselov ganan Premio Nobel por la síntesis del grafeno en el 2004. Otras personas de esta área fueron Rosalind Franklin, James Dewey Watson y Francis Crick quienes propusieron que el ADN era la molécula principal que jugaba un papel clave en la regulación de todos los procesos del organismo, revelando la importancia de las moléculas como determinantes en los procesos de la vida. Pero estos conocimientos fueron más allá, ya que con esto se pudo modificar la estructura de las moléculas, como es el caso de los polímeros o plásticos que hoy en día encontramos en nuestros hogares. ¿Qué es la nanotecnología? La nanotecnología es la tecnología y ciencia de manipular la materia a escala atómica y molecular, es decir, a tamaños extremadamente pequeños (entre uno y 100 nanómetros) para la resolución de problemas. Es aplicada al desarrollo y fabricación de dispositivos y productos en diversos campos como la ingeniería, biología, química, informática y medicina, comprendiendo una amplia gama de materiales, procesos de creación y nuevas tecnologías que se usan para producir y mejorar muchos productos que usamos diariamente. Un nanómetro son 10-9 metros, o sea, 0.000000001 metros. La molécula de ADN mide cerca de dos nanómetros y medio de diámetro. Con la nanotecnología, los científicos pueden observar y estudiar propiedades inusuales de los materiales a una escala muy pequeña, ya que estos no se comportan como los átomos de los que están hechos o como el material de gran volumen con el que estamos familiarizados. Además de las propiedades visuales, como el color, los nanomateriales pueden adquirir otras características que no se observan en materiales de mayor tamaño. Los materiales químicamente inertes como el oro pueden convertirse en catalizadores a nano-escala, mientras que otros pueden conducir la electricidad con más eficiencia que las formas no nano. La nanotecnología está relacionada con la nanociencia, que tiene como finalidad entender los fenómenos que ocurren en la nano-escala, las propiedades de los materiales y las estructuras que tienen tamaños nanométricos y cómo interactúan entre ellas o con entidades de mayor tamaño. El Dr. Antonio Correia, fundador y presidente de la Fundación Phantoms y coordinador de la Red Española de Nanotecnología explica que “la nanociencia radica en estudiar la materia a escala nanométrica, mientras que la nanotecnología se ocupa del desarrollo de aplicaciones y dispositivos basados en las propiedades que presentan los materiales a esa escala de tamaños”. Para trabajar en el nano-mundo y entenderlo se necesitan herramientas especiales para observar y medir sus propiedades, con esto se desarrollan métodos para fabricar

nanoestructuras y nano-objetos con las formas, tamaños y composiciones que deseemos. En el nano-mundo nos encontramos con nanopartículas, nano-hilos, nanotubos, nano-láminas, etc., que pueden estar formadas por materiales metálicos, cerámicos, orgánicos, semiconductores, etc., y estas nanoestructuras pueden combinarse entre sí para formar entidades más complejas. Muchos de estos nano-objetos han saltado a la fama en los últimos años como ocurre con los fullerenos, los nanotubos de carbono, o el grafeno. Aplicaciones Industriales – Nano-biotecnología y nanomedicina: Liberación de fármacos, ingeniería de tejidos, síntesis de fármacos, biomimetismo, diagnosis, agentes para imagen e implantes. – Nanomateriales: Defensa aeronáutica, cosmética, bienes de consumo, impresión, empaquetado, catalizadores, energía, construcción y automoción. – Nanoelectrónica: Computación cuántica, almacenamiento de datos, espintrónica, fotónica, nano-hilos, nanotubos, grafeno, dispositivos de un solo electrón, paneles solares y pantallas. – Sensores y actuadores: Polución, automóviles, dispositivos médicos y electrónica de consumo. – Instrumentación y metodología: Dimensión crítica, análisis químico, medidas de espesor y control de calidad. En el presente hay una cantidad enorme de investigaciones en el mundo para perfeccionar, afinar y descubrir técnicas experimentales que produzcan nanoestructuras. Para generar materiales nanoestructurados se distinguen dos alternativas: – Descendentes o top-down: Se parte de sistemas de gran tamaño para conseguir sistemas con partes nanométricas mediante técnicas de molienda, ataque, corte, pulido, litografía, pirólisis, etc. Técnica que desarrolla las nanoestructuras “grabando” un bloque de material. – Ascendentes o bottom-up: A partir de pequeñas unidades -átomos, moléculas o diversas nanoestructuras- se ensamblan sistemas enrevesados capaces de realizar diversas funciones de una complejidad creciente. Técnica en la que los materiales nanoestructurados se producen a partir de “nano-bloques” de átomos o moléculas. Esta estrategia es propia de la biología, que es una gran fuente de inspiración para la nanotecnología. Aplicaciones en la Mecatrónica La nanotecnología está tan avanzada que ya existen robots a tamaño nano, un nano-bot puede tener unos 50 nanómetros, de manera que la nanotecnología se caracteriza por trabajar con objetos a nano-escala. Una de las principales influencias de la nanotecnología es en la electrónica, rama de la ingeniería mecatrónica, donde su principal objetivo es reducir el tamaño de los chips/biochips, ampliar las memorias, diseñar pantallas más brillantes, livianas y eficientes en el uso de energía. Actualmente, hay tecnología avanzada que ofrece imágenes más brillantes, dispositivos más livianos, menor consumo energético y ángulos de visión más amplios como los vemos en

dispositivos de empresas como Samsung y Apple. En 2005, Toshiba presentó modelos de reproductores MP3 capaces de funcionar sin pilas ni baterías gracias a las nano-células de combustible. Esta tecnología se aplica también en teléfonos móviles y computadoras portátiles. La nanotecnología promete innovaciones revolucionarias en diversas partes de la ciencia y la ingeniería para el desarrollo de nanomateriales que puedan servir en un futuro y permitan un progreso en las diferentes ramas de la mecatrónica. Sectores que ha beneficiado la Nanotecnología La comunidad científica lleva años investigando e interactuando con átomos, moléculas, nanotubos de carbono, nanopartículas, grafeno, nano-hilos, cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN), proteínas, liposomas, virus, anticuerpos, etc. con el objetivo final de poder implementarlos en un gran número de industrias. Actualmente existen múltiples aplicaciones nanotecnológicas en distintos ámbitos sectoriales y en los cuales ha traído los beneficios más relevantes: – Textil: Fabricación de nanomateriales para su incorporación en el equipamiento de trabajo, como tejidos que protegen contra el fuego, repelen el agua y gestionan el control térmico. – Automotriz: Desarrollo de microfibras basadas en carbono y cien veces más fuertes que el acero en la producción de motores; lunas más resistentes; agentes reforzantes en neumáticos; productos de caucho; recubrimientos anticorrosión; o uso de fibra de carbono en el desarrollo de piezas para aligerar el peso de la carrocería. – Construcción: Los nanomateriales se pueden aplicar a productos como el cemento, mortero y hormigón, pinturas, revestimientos, materiales aislantes y vidrio, contribuyendo a la reducción de peso o mejorando sus funcionalidades (durabilidad, fortaleza, ligereza, resistencia al fuego, estabilidad térmica, autolimpieza y/o propiedades foto catalíticas). – Medicina: Se está investigando en nanosensores que son capaces de detectar una sola célula cancerígena en sangre y marcarla con nanopartículas magnéticas, de forma que es posible saber con detectores externos en qué lugar se encuentra para aplicar una terapia focalizada. También se han desarrollado técnicas de detección de glucosa en sangre mucho más precisas y no invasivas, así como implantes, prótesis o sistemas de administración de fármacos por chip. – Medioambiente: Desarrollo de materiales, energías y procesos no contaminantes, como los nano-catalizadores, que consiguen hacer de las reacciones químicas procesos más eficientes y limpios; producción de materiales más eficaces en obras de ingeniería; nanosensores para la detección de sustancias químicas dañinas o gases tóxicos; o materiales para optimizar la remediación del suelo, el agua y el aire contaminados. – Energía: Perfeccionamiento de los sistemas de producción (como los LED) y almacenamiento de energía (materiales nanoporosos) mediante la mejora de los materiales conductores (ahorro de energía); elaboración de células fotovoltaicas y sus componentes; nanotubos y partículas para su uso en condensadores y baterías; nanomateriales para la aplicación en el campo de la producción de energía alternativa; y materiales conductores para generar aislantes térmicos más eficientes.

– Electrónica: Elaboración de componentes electrónicos que aumentan considerablemente la velocidad de procesamiento en las computadoras; creación de semiconductores; nano-cables cuánticos; circuitos basados en grafeno; o nanotubos de carbono. Impactos negativos La nanotecnología traerá grandes beneficios a la vida humana, pero se necesitan tomar en cuenta los efectos negativos que pueda haber; las propiedades especiales que poseen los dispositivos nanométricos y que son las que se intenta explotar (alta reactividad superficial, habilidad de cruzar membranas celulares, etc.) Tal vez traigan consigo riesgos para la salud y el medio ambiente. Algunos científicos han expresado su preocupación acerca de los efectos a largo plazo asociados con las aplicaciones médicas de las nanotecnologías y de si los materiales nanoestructurados serían biodegradables. Que las nanopartículas sean del mismo tamaño que los componentes celulares y algunas proteínas sugiere que podrían evadir las defensas naturales del cuerpo humano y de otras especies causando daño a sus células. Al respecto se han encontrado algunos estudios con ejemplos relevantes: – Partículas de dióxido de titanio/óxido de zinc, usadas en filtros solares, causan radicales libres en la piel, con lo que dañan el ADN. – Nanotubos en los pulmones de ratas producen respuestas tóxicas mayores que el polvo de cuarzo. – En 2004 se presentaron los primeros resultados sobre nanopartículas de oro que pueden moverse desde la madre hasta el feto a través de la placenta. – Los fullerenos causan daño al cerebro de peces y modifican las funciones de los genes. Cabe destacar que durante siglos hemos estado expuestos a muchas nanopartículas (contaminación ambiental, personas que trabajan en determinadas industrias) sin que éstas hayan causado un daño significativo a la salud; en décadas recientes se ha sugerido que dichas exposiciones podrían ser responsables de las relaciones observadas entre la contaminación del aire y diversas enfermedades, particularmente las cardiacas y pulmonares. Dado que en el presente solo se producen pequeñas cantidades de nanopartículas manufacturadas no es sorprendente la falta de información acerca de sus consecuencias en la salud y el medio ambiente. Nanotecn...