Conceptos básicos de nanotecnología

Muchas veces confiamos demasiado en nuestros sentidos y creemos que algo no existe o no es posible porque no podemos verlo, sin embargo, una revolución se está llevando a cabo en lugares que nunca lo hubiéramos separado.

La nanotecnología es una de las ramas de la tecnología aplicada con un futuro muy prometedor. Empecemos por aclarar su nombre: el prefijo nano hace referencia a la milmillonésima parte de un metro, un átomo es la quinta parte de eso, es decir que si colocáramos cinco átomos en línea sumarían un nanómetro. Para darnos una idea, comparando un nanómetro con un metro la proporción sería la de una canica con el planeta Tierra, otro ejemplo sería la cantidad de barba que le crece a un hombre en el breve lapso que le toma levantar el rastrillo hacia su cara.

La nanotecnología se ocupa del estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia en una escala molecular y nano, es decir, de 100 nanómetros o más pequeños.

Sus inicios están en la conferencia “Hay mucho espacio en el fondo” (There’s Plenty of Room at the Bottom, en inglés), impartida el 29 de diciembre de 1959 por el físico y divulgador de la ciencia Richard Feynman, en ella auguraba una gran cantidad de descubrimientos y posibilidades si se pudiera fabricar materiales de dimensiones atómicas o moleculares.

Feynman describía un proceso mediante el cual podría llegarse a la capacidad de manipular átomos y moléculas utilizando las herramientas precisas para construir y operar otro equipo más pequeño y así sucesivamente, hasta obtener el tamaño requerido. Mientras esto sucedía él notó que se presentaban cuestiones relativas al tamaño: la gravedad se volvía menos importante, la tensión superficial o las fuerzas de atracción y repulsión entre moléculas se volverían cada vez más significativas. Sin embargo, tuvieron que pasar varios años para que los avances en las técnicas experimentales culminaran en los años ochenta con la aparición del Microscopio de Efecto Túnel (STM), que condujo al descubrimiento de los fulerenos en 1985 y a los nanotubos de carbono, unos años después. El Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) fue inventado seis años después. Ambos han hecho posible observar los materiales a escala atómica y después manipular átomos individuales.

A esta escala las propiedades de los materiales, como la conductividad o el magnetismo, cambian, por ejemplo, el color está determinado por longitudes de onda que son demasiado grandes para estos tamaños. Digamos que un material a escala normal tiene cuatrillones de átomos (un cuatrillón=1024), cuando esa cifra disminuye a unos cuantos cientos, su esencia cambia.

Conociendo las propiedades de los átomos se pueden organizar de una manera determinada, uno por uno, lo que resulta en materiales de condiciones predeterminadas, los cuales pueden no encontrarse en la naturaleza.

Los virus se pueden considerar nanoparticulas naturales

Los nanomateriales son aquellos que tienen propiedades únicas provenientes de sus dimensiones de nanoescala, veamos un ejemplo:

La alotropía es la propiedad química que poseen determinados elementos de presentarse bajo distintas estructuras moleculares. Se encuentra en elementos que tienen una misma composición, pero aspectos diferentes, debe presentarse en el mismo estado de la materia y es característico del sólido. Pongamos por caso el carbono, que se presenta como grafito, diamante y fulereno. La explicación de sus diferencias la hallamos en cómo están dispuestos los átomos en el espacio: en el diamante cada átomo se une a otros cuatro y están ordenados en forma de tetraedro, lo que lo da la dureza; en el grafito los átomos están dispuestos en capas superpuestas, cada átomo está unido a otros tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima en forma más débil, esto es lo que explica por qué el grafito es blando y untuoso al tacto.

Los nanotubos de carbono son una variedad alotrópica del carbono, como el grafito o el diamante. Su estructura se puede considerar procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma, según el grado de enrollamiento y la estructura de la lámina original, puede haber tubos de distinto diámetro y geometría interna.

Ver también: La materia y el átomo

Tienen un amplio margen de comportamiento desde un punto de vista eléctrico, pueden ser desde semiconductores hasta, en algunos casos, superconductores, esto se debe fundamentalmente a relaciones geométricas, es decir, en función de su diámetro, torsión y número de capas. Dentro de sus propiedades mecánicas encontramos que la estabilidad y robustez que existe entre los enlaces de los átomos los hacen la fibra más resistente que se puede fabricar hasta el día de hoy. Son capaces de deformarse notablemente y mantener un régimen elástico; es comúnmente aceptada la afirmación de
que los nanotubos son diez veces más resistentes que el acero, y seis veces más ligeros, aunque se trata de un material todavía poco conocido, y estos valores podrían variar.

Existen dos enfoques principales en nanotecnología: el de bottom up, en el cual lo que se busca es a partir de componentes más pequeños crear montajes complejos; el otro es el de top down, que busca crear dispositivos más pequeños a partir de otros más grandes que se ocupen de su ensamblaje.

La nanotecnología todavía no se ha introducido en la producción industrial, sin embargo, ya existen algunas aplicaciones prácticas, por ejemplo, por su gran capacidad como conductores y emisores de electrones se está investigando para poder incorporar esta tecnología en las pantallas de las computadoras o televisiones; en Estados Unidos se ocupan tubos de carbono de tamaño nanométrico para la iluminación de estadios, o en Japón se fabrican paneles luminosos a partir de materiales semiconductores con nanoestructuras.

Por la poca energía que consumen los dispositivos de este tipo y por la facilidad para colocarlos en cualquier lugar, se espera que lleguen a estar presentes en todos los ámbitos de nuestra vida cotidiana. Las posibilidades van desde dispositivos que permitan que los tejidos de la ropa detecten las condiciones ambientales y se vuelvan permeables o impermeables, hasta sistemas que detecten la existencia de células cancerosas y las eliminen; ya existe un plástico que se autoregenera cuando se rompe, su composición nanométrica consta de esferas de dos tipos, unas contienen una resina y las otras el catalizador correspondiente, cuando el plástico se quiebra también lo hacen las esferas y sus contenidos se mezclan como en un pegamento epoxi (los que constan de dos materiales que, al mezclarse, se endurecen).

La nanotecnología involucra a la Química, la Bioquímica, la Biología molecular, la Física, las Matemáticas, la tecnología de la Ingeniería Electrónica, la Informática y muchas otras, por lo que se la ve como un campo multidisciplinar y de convergencia de ciencias altamente especializadas, asimismo se cree que puede tener gran influencia en la economía, los sistemas de producción, las guerras y la vida cotidiana.

Una gran cantidad de preguntas y preocupaciones han surgido por los posibles efectos y aplicaciones que la nanotecnología podría tener, así como por las medidas que deben ser tomadas para prevenir riesgos. El Centro para la Nanotecnología Responsable (CRN, por sus siglas en inglés) sugiere que los nuevos desarrollos podrían resultar en armas de destrucción masiva que no se podrían rastrear, cámaras controladas por el gobierno o armas diseñadas lo suficientemente rápido como para desequilibrar la carrera armamentista.

La investigación en nanotoxicología indica que uno de los campos de atención deben ser los efectos que la producción y el uso a nivel industrial de nanomateriales podrían tener en la salud de la humanidad y el ambiente. Grupos como el CRN recomiendan que la nanotecnología, por las razones mencionadas, sea especialmente regulada por los gobiernos. Otros grupos argumentan que la regulación exagerada entorpecería las investigaciones que podrían ayudar en gran manera a la humanidad.

Algunos de los productos con nanopartículas recientemente creados pueden tener consecuencias imprevistas. Los investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata utilizadas en los calcetines para evitar el mal olor, son liberadas cuando son lavados con posibles consecuencias negativas. Estas partículas podrían destruir las bacterias que son benéficas para descomponer la materia orgánica en las plantas de tratamiento de desperdicios o granjas.

Cabe mencionar que muchas de las aplicaciones de la nanotecnología todavía son hipotéticas y están en fase de investigación y desarrollo, éstas son algunas de las más prometedoras:

• Limpieza del agua: filtros físicos con poros de escalas nanométricas podrían eliminar el 100% de las bacterias y virus.
• Almacenamiento, producción y conversión de energía.
• La nanorobótica es una rama todavía hipotética, se ocuparía de diseñar y crear robots en una escala nano, una de sus aplicaciones potenciales estaría en la nanomedicina y consistiría en el diagnóstico anticipado y combate del cáncer. Se espera poder inyectar al paciente estos nanorobots para combatir las células malas, también podrían tener otras aplicaciones como microcirugías o administrar medicamentos.
• Para remediar la contaminación atmosférica.
• Producción agrícola.
• Para el procesamiento de alimentos, etcétera.

Su impacto podría ser comparable al de la Revolución industrial, pero a diferencia de aquélla, los efectos de ésta no pueden ser previstos en pocos años y la humanidad está desprevenida ante tales riesgos:

• Puede ocurrir una nueva carrera armamentista, una competencia entre países por desarrollar armas y aparatos de espionaje que sean más pequeños, potentes y numerosos.
• La sobreexplotación de productos baratos podría causar graves daños al medio ambiente.
• La producción poco costosa y la multiplicidad de diseños en los productos podría generar grandes cambios en la economía.
• Según el CRN, algunas consecuencias podrían poner en riesgo la existencia de la humanidad, otros podrían producir grandes cambios sin causar la extinción de la especie; una combinación de varios podría empeorar la gravedad de cada uno y las soluciones que se plantean deben tomar en cuenta el impacto que tendrían sobre los demás.