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NANOCIENCIA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS


Introducción

 

En un párrafo podríamos decir de qué nos ocuparemos: del proceso por el cual en el siglo XXI los científicos avanzan en la fabricación de estructuras artificiales en las que los átomos se van depositando capa por capa y se manipulan sus moléculas individuales para crear equipos y materiales diminutos hasta ahora inexistentes, descubrir propiedades nunca observadas e inventar dispositivos con comportamientos similares a las entidades biológicas.

 

Nanociencia y nanotecnología son términos que se encuentran hoy con frecuencia, relacionados con dos nuevas áreas del conocimiento que traen innovación y desarrollo científico y social. Estas áreas hacen parte delos planes de desarrollo gubernamentalesen todo el mundo, con la participación de diferentes agencias y organismos privados y estatales.

 

En Colombia, el Gobierno Nacional, en su Plan Visión Colombia II Centenario 2019, ha incorporado como una de sus estrategias"fundamentar el crecimiento y el desarrollo social en la ciencia, la tecnología y la innovación", teniendo en cuenta la necesidad que existede una mayor apropiación y promoción de la investigación y el avance tecnológico en diferentes sectores y temas de relevancia para el desarrollo del país, entre ellos la nanociencia-nanotecnología. Con este fin,el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CNCyT) ha apoyado desde el año 2004 la creación de seis centros de excelencia, entre ellos el Centro de Excelencia en Materiales Avanzados y Nanotecnología,CENM.De esta forma el país viene dando un paso significativoen la creación de líneas de investigaciónen materia científica y tecnológica, apoyando el desarrollo de la nanociencia-nanotecnología.

 

Paralelamente, las universidades más importantes del país, como la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, la Universidad de Antioquia, la Universidad de los Andes, la Universidad Nacional y la Pontificia Universidad Javeriana, entre otras, junto con otros organismos como el Servicio Nacional de Aprendizaje, SENA, desarrollan investigación en nanociencia-nanotecnología. El interés por estas áreas se fundamenta en los avances innovadores y en variadas aplicaciones que se han alcanzado en los países desarrollados, donde se producen nanomateriales a gran escala con diversas y múltiples aplicaciones. Se prevé que para el 2015 el mercado mundial de nanoproductos llegue a los 3 trillones de dólares anuales. Los mercados correspondientes representarían aproximadamente el 15% de la producción en casi todos los sectores de las economías industriales del mundo y cerca de 10 millones de puestos de trabajo (Lux Research, Inc.).

 

Las nanotecnologías producen así un alto volumen de nanomateriales con características radicalmente diferentes de los productos que se venían fabricando hasta hace pocos años y con múltiples aplicaciones, que los hacen especies prometedoras para solucionar los grandes problemas que enfrenta la población actualmente, pero que también generan incertidumbre por los posibles efectos adversos para lasalud humana y los ecosistemas. En este contexto, y a pesar del uso de diversos nanomateriales en nuestro medio y de la investigación que se adelanta en diferentes universidades y organizaciones del país, aúnexiste desconocimiento, en la población en general y entre los estudiantes de todos los niveles educativos, acerca de los fundamentos y alcances de esta nueva ciencia.

 

El surgimiento


El interés por el mundo invisible, el nanomundo, se remonta a los años 500-370 a.C., cuando Leucipo y Demócrito, basados en la lógica y la argumentación, postularon que el universo estaba constituido por partículas diminutas.En el siglo IV a.C, los romanos fabricaron la Copa de Lycurgos,con partículas diminutas de oro de tamaño entre 5 y 60 nm. Posteriormentelos artesanos de la Edad Media utilizaron, sin saberlo, la técnica de nanocapas de oro y de plata, para aumentar el brillo y las tonalidades en los vidrios y cerámicas. Pero la teoría de las partículas diminutas solo vuelve a tener importanciaen los siglos XVI y XVII, cuando en 1643 Daniell Bernoulli explicó que el aire no se podía ver porque estaba compuesto por pequeñas partículas invisibles en continuo movimiento.

 

Aunque el estudio de los materiales pequeños se inició en la antigua Grecia con el estudio del átomo, los avances solo se hicieron notorios hacia el siglo XVI, cuando se inventó un instrumento para ver lo pequeño, el microscopio óptico, que permitió, por medio de unos lentes y rayo de luz que iluminaba la muestra, examinar objetos pequeños, pero limitaba su estudio a objetos con tamaños mayores a una micra. En 1803 Dalton vuelve al concepto de lo que era la unidad fundamental de la materia, que el filósofo griego Demócrito había llamadoátomo, porque lo creía indivisible,y formula la primera teoría atómica, perfeccionada con los estudios de Thompson en 1897, quien descubre una de las partículas subatómicas más livianas que componen el átomo, el electrón, con carga negativa. Esto determina el desarrollo de la electrónica moderna y un cambio en la producción industrial.

 

En 1931 surgió la microscopía electrónica, que utilizó electrones en lugar de luz visible. La ventaja de este microscopio sobre el óptico es la posibilidad deampliar una imagen 5000 veces debido a que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz. Esto permitió el desarrollo, por parte de los alemanes Max Knoll y Ernst Ruska, del microscopio electrónico de transmisión, TEM y la construcción, en 1938, del microscopio electrónico de barrido, SEM, realizada por Manfred von Ardenne.


Se inicia así el desarrollo de la nanoscopía, que se ha convertido en herramienta importante para la nanotecnología porque proporciona información morfológica, topográfica, química, cristalina, eléctrica y magnética de los nanomateriales.

 

Paralelamente al desarrollo anterior, entre 1903 y 1926 se propusieron las teorías atómicas de Rutherford, Bohr, Sommerfield y Schrödinger. Con los avances precedentesal iniciar el siglo XX, Einstein desarrolló sus teorías sobre el movimiento browniano, la condensación de átomos en superátomos y el efecto fotoeléctrico; todo esto dio lugar a la física cuántica y a sus diferentes aplicaciones, entre ellas la nanotecnología. Apoyado en la mecánica cuántica, Richard Feynman, en 1959, estableció que las leyes de la física no impiden manipular las cosas átomo a átomo y propuso fabricar productos derivados del reordenamiento de átomos y moléculas (Feynman, 1960). Aunque el discurso de Feynman no tuvo mucha repercusión en ese momento, tal vez por la carencia de técnicas experimentales para visualizar y manipular los átomos y las moléculas, conceptualmente se le atribuye el origen de la nanotecnología. Sin embargo, solo se empezó a hablar de nanotecnología en 1974, cuando el profesor Norio Taniguchi, de la Universidad de Ciencia de Tokio, empleó el término en su artículo titulado " On the basic concept of Nanotechnology". Allí habla de cómo esta tecnología permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula. Los diferentes avances en la nanotecnología se vieron favorecidos en 1981 con el desarrollo del microscopio de barrido por tunelaje, STM, realizado en los laboratorios de la IBM de Zúrich por GerdBinnig y Heinrich Rohrer, lo que les hizo merecedores del premio Nobel de Física en 1986. Los mismos investigadores construyeron en 1985 el microscopio de fuerza atómica, AFM, instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons.

 

Con estos fundamentos científicos se desarrollaron dos métodos para la creación de nanomateriales, el top-down y el bottom-up. El términotop-down se acuñó con el estudio de los nuevos materiales que dan origen a nuevos dispositivos de aplicación en el campo de las telecomunicaciones y al estudio de nuevos fenómenos físicos que tienen lugar al producirse el movimiento de partículas cargadas en los semiconductores (estado sólido), o electrónica del estado sólido. Los nuevos descubrimientos en el campo de la física de los materiales son el incentivo para continuar en los esfuerzos por lograr la miniaturización y procesamiento de grandes potencias en espacios limitados que buscaba la reducción de tamaño en los materiales, como circuitos o transistores, sin perder la capacidad de realizar las mismas funciones. El término bottom-up surgió en 1986 cuando Eric Drexler propuso construir objetos más grandes a partir de sus componentes atómicos y moleculares. Ambos métodos, top-down y bottom-up, coexisten y puede decirse que provienen de la física, de la química y de la biología.

 

LA NANOESCALA

 

Puede que hayas oído hablar de lo nano. Nano se ha convertido en una palabra de moda en la cultura popular, pero solo en el sentido de pequeño. ¿Qué es realmente? ¿Qué es nano? Para comprender la nanociencia y la nanotecnología primero se debe pensar en la escala.

 

Las escalas son herramientas para clasificar ordenadamente los objetos o sucesos por su calidad. Una escala representa un valor particular que puede ser una longitud, una distancia, un volumen, entre otros. Las escalas se determinan con la precisión de un orden de magnitud. La unidad principal para medir longitudes el metro con sus múltiplos y submúltiplos, a los cuales se les asigna un prefijo (como kilo, deca, micro o nano). Se tiene, porejemplo, el kilómetro (1x103 m),que es mil veces mayor que el metro, o el decámetro(1x101m), diez veces mayor que el metro, utilizadas para medir grandes longitudes. Para medir las pequeñas distancias o los materiales pequeños están, entre otros,el micrómetro (1x10–6 m) una millonésimaparte del metro;el nanómetro (1x10–9 m) una milmillonésima (o una billonésima, en Estados Unidos e Inglaterra) parte del metro. El prefijo nano,en ciencia y tecnología, es del sistema internacional de medidas; proviene del griego y significa "enano".

 

Los términos nanociencia y nanotecnología tienen en común el prefijo nano, y los materiales que se estudian, denominados materiales nanoestructurados, NEM, tienen por lo menos una de sus dimensiones en el rango de 1 a 100 nm. Esta es la escala de medida de los nanomateriales.

 

Como consecuencia del tamaño, los nanomateriales pueden presentar propiedades diferentes a las de los compuestos similares de mayor tamaño, lo que hace posible sus múltiples aplicaciones con sus grandes beneficios, aunque no dejan de ser relevantes los posibles efectos adversos sobre la salud y los ecosistemas. Las propiedades de los nanomateriales pueden ser diferentes en la nanoescala por dos razones principales: porque las nanopartículas tienen un área superficial más grande por unidad de masa (comparada con las partículas de mayor tamaño) y por los efectos cuánticos, fenómenos que desafían el sentido común ya que no se pueden explicar con las leyes convencionales de la física y tiendena aparecer cuando se reduce el tamaño de un objeto, así como se hacen menos notables o desparecen a medida que un objeto muy pequeño se hace más robusto.

 

Otros aspectos que afectan las propiedades de los nanomateriales son la forma , la carga, la estructura cristalina, el recubrimiento de la superficie, la contaminación residual (dependiendo del método de síntesis) y la tendencia de los nanomateriales a formar agregados. A medida que el tamaño de los nanomateriales disminuye,el área superficial se hace más grande; un nanomaterial de 5 nm presenta un área superficial de 12.000 micrómetros cuadrados por centímetro cubico (µm2/cm3), comparada con un material de 5000 nm,cuya área superficial tan solo alcanza los 16 µm2/cm3 (Gibson, 2011). Así como las partículas disminuyen en tamaño, en su superficie se encontrará un número más grande de átomos que los que se encuentran en su interior. Por ejemplo, una partícula de 5 nm tiene el 30% de sus átomos en la superficie, mientras que una de 3 nm tiene el 50% de sus átomos en la superficie (The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, 2004).

 

En los nanomateriales, el agrupamiento de átomos en la superficie, al disminuir el tamaño de partícula, hace aumentar la energía de superficie, lo que contribuye a cambios en las propiedades de los nuevos materiales. Fenómenos de superficie importantes como la humectancia, la capilaridad, la hidrofilia, la adsorción, la absorción, la sinterización y la adhesión están relacionados entre sí y se basan en el desequilibrio energético por la interacción de los átomos de la superficie con determinado medio—puede ser sólido, líquido o gaseoso—;esto es lo que se conoce como energía superficial (Ebert & Bhushan, 2012).Como consecuencia del aumento del área superficial, aumenta la reactividad o la capacidad de combinación con otros átomos y/o moléculasdelos sólidos, porque en estos la mayoría de las reacciones ocurren en la superficie. Lo anterior explica por qué las propiedades químicas, biológicas, ópticas, eléctricas y magnéticas son únicas en los nanomateriales y muy diferentes a las propiedades que presentan los materiales con tamaños en el rango de los micrómetros o tamaños mayores. Esta propiedad de los nanomateriales se utiliza, por ejemplo, para el diseño de celdas de combustibles y de catalizadores (Bell, 2007).

 

CLASES DE NANOMATERIALES Y APLICACIONES

 

Los nanomateriales están invadiendo la vida diaria. ¿Cuál es su naturaleza? ¿Qué clases de nanomateriales existen? ¿Cuáles son sus aplicaciones? A continuación se presentan algunos aspectos que pueden dar respuesta a estos interrogantes.

 

La naturaleza de los nanomateriales puede ser orgánica o inorgánica, partículas cristalinas o amorfas, las cuales se pueden encontrar como partículas individuales, agregados, polvos o dispersas en una matriz sobre coloides, suspensiones y emulsiones, nanocapas y películas finas.También se presentan como estructuras supramoleculares formadas por moléculas que se unen mediante enlaces no covalentes. Estas estructuras pueden llegar a tener forma de esfera, barra u hoja; también están los dendrímeros, macromoléculas muy ramificadas con forma esférica que se caracterizan por su particular arquitectura tridimensional globular bien definida. Por otra parte, están las micelas y los liposomas, que, gracias a sus estructuras, se utilizan en la nanomedicina para encapsular y suministrar medicamentos a una región específica del organismo. Todo material convencional, como los metales, los semiconductores, vidrios y cerámicas, puede considerarse nanomaterial, si su tamaño está en la nanoescala. (VDI Technologiezentrum (2004). Los nanomaterialesse clasifican, según su procedencia, en tres: los deorigen natural, los antropogénicos (resultantes de las actividades humanas) y los construidos mediante nanotecnología.

 

Los de origen natural

 

Estos materiales no son una invención humana; existen naturalmente desde el comienzo de la historia de la tierra. Se han encontrado en los núcleos de hielo glacial desde hace unos 10.000 años y hay evidencia de formación de nanopartículas en sedimentos desde el cretáceo terciario. Millones de toneladas de polvo atmosférico contienen nanopartículas naturales (Kellogg & Griffin, 2006). En el ambiente se producen por diferentes mecanismos, los cuales pueden ser geológicos o biológicos. Los mecanismos geológicos incluyen meteorización fisicoquímica y actividad volcánica. Muchos procesos biológicos operan a nanoescala y diversas entidades biológicas, desde las proteínas (moléculas formadas por cadenas lineales de compuestos orgánicos llamados aminoácido), el ADN / el ARN, el ATP y los virus, que son de tamaño nanométrico y se componen principalmente de ácido nucleico. Algunos de estos se liberan directamente al ambiente desde los organismos (por ejemplo,las mucoproteínas exudadas de algas y animales). Otros son liberados durante la degradación de material biológico en el ambiente, como los ácidos húmicos y fúlvicos provenientes de la materia orgánica del suelo.

 

Los antropogénicos

 

Estos materiales son producidos por la acción humana y se generan en actividades como emisiones durante los procesos de combustión (diésel o carbón, por ejemplo), emisiones generadas en los procesos industriales como la pirólisis a la llama del negro de carbono, emisiones ocasionadas por la producción de materiales a gran escala que incluyen procedimientos a altas temperaturas (como el humo de sílice, partículas ultrafinas de óxido de titanio y metales ultrafinos), emisiones producidas en la obtención de pigmentos y en procesos domésticos como la cocción de alimentos (barbacoas).

 

Los producidos mediante nanotecnología

 

Estos reciben diferentes clasificaciones por parte de los organismos gubernamentales interesados en su estudio. En este trabajo se utilizará la clasificación de la International Standardization Organization, que en la normativa ISO TC-229 ha desarrollado normas y estándares relacionados con la terminología y la nomenclatura para la nanotecnología. Según esta normatividad, los criterios de clasificación de los nanomateriales son las dimensiones externas e internas en la nanoescala, y se clasifican en nanoobjetos y materiales nanoestructurados (TC 229/JWG1 Nanotechnologies,2005).

 

Los nanoobjetos se definen como los materiales con una, dos o tres dimensiones externas en un rango de tamaño de aproximadamente 1 a 100 nm. Pueden estar suspendidos en un gas (como un nanoaerosol), suspendidos en un líquido (como un coloide o nanohydrosol), o incrustados en una matriz (como un nanocompuesto) (NIOSH, 2009). A este grupo pertenecen tres subcategorías: las nanoplacas, las nanofibras y las nanopartículas.

 

Las nanoplacas tienen una dimensión exterioren la nanoescala, y las otras dos dimensiones exteriores son mayores. Se consideran en esta clasificación las películas finas, las nanocapas (nanolayers) y los recubrimientos de superficies. Las nanocapas se utilizan ampliamente en celdas de combustibles y catalizadores, y en general encuentran aplicaciones en los productos químicos, en los farmacéuticos y en el sector energético.

 

Las nanofibras cuentan con dos dimensiones externas similares en la nanoescala y la tercera dimensión externa es mayor. Son importantes por sus novedosas propiedades eléctricas y mecánicas. Entre estos materiales están los nanotubos y los nanoalambres. Los nanotubos se clasifican ennanotubos de carbono (CNT) y nanotubos inorgánicos (Health Council of the Netherlands, 2006) . La figura 3 presenta las estructuras de estos nanomateriales. Los CNT están formados por una capa de grafito (de solo un átomo de espesor, conocida como grafeno) que se enrolla en un cilindro perfecto. Se conocen dos tipos de CNT: de pared sencilla ( SWCNT) y de paredes múltiples ( MWCNT). Estos últimos semejan varios tubos concéntricos. Tienen unos pocos nanómetros de diámetro pero su longitud puede alcanzar varios centímetros, por lo que son muy parecidos, en su forma, a las fibras de asbesto. Esta similitud ocasiona dudas acerca de los posibles daños para la salud. Los CNT son extremadamente fuertes, pero muy flexibles, y presentan propiedades eléctricas especiales. Los nanotubos inorgánicos están formados porcapas de compuestos como el disulfuro de molibdeno, el disulfuro de tungsteno, el nitruro de boro, el dicloruro de níquel, el disulfuro de niobio y el dióxido de titanio.

 

Tienen excelentes propiedades tribológicas (lubricante, fricción y desgaste), resistencia al impacto de ondas de choque, reactividad catalítica y alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno y litio. Otros nanotubos basados en óxidos (como el dióxido de titanio) se están estudiando para su aplicación encatálisis, fotocatálisis y almacenamiento de energía. Los nanoalambres son los alambres ultrafinos o arreglos lineales de puntos formados por autoensamblaje. Se construyena partir de una amplia gama de materiales como el silicio, el nitruro de galio y el fosfuro de indio. Presentan notables propiedades ópticas, electrónicas y magnéticas. Tienen aplicaciones potenciales en almacenamiento de datos, como cabezas de lectura magnética.

 

Las nanopartículas, o partículas ultrafinas, UFP, están definidas como nanoobjetos con las tres dimensiones externas en la nanoescala, y reciben también el nombre de partículas manométricas, NSP (nanosizedparticles). Entre las nanopartículas más estudiadas están el dióxido de titanio, TiO2, y el óxido de zinc, ZnO, que absorben y reflejan la luz ultravioleta, y por esta razón se utilizan como bloqueadores solares. Tambiénse utilizan como aditivos en productos existentes, mejorando sus propiedades debido a sus efectos cuánticos. Otra clase de nanopartículas son los fullerenos, estructuras cilíndricas constituidas por átomos de carbono con estructura de jaula, compuesta de caras pentagonales y hexagonales de carbono, también llamados buckyballs, y conocidos como alótropos de carbono. Existen como esferas huecas, elipsoides o tubos. Tienen interés comercial significativo debido a su alta resistencia, conductividad eléctrica, afinidad electrónica, estructura y versatilidad. Algunos fullerenos se han encontrado naturalmente como productos de combustión. Se cree que puede existir un número infinito de fullerenos esféricos, pero los conocidos son C-60, C-70,C-76, C-84, C-240 y C-540. Pueden ser utilizados como antibacteriales, inhibidores del virus del VIH, purificadores de agua, catalizadores y como dispositivos ópticos. Se están investigando como especies portadoras de radionúcleos, en terapia contra el cáncer. Una nueva estructura de fullereno, el nanohorn, se estudia para usarlo en la eliminación de residuos radiactivos.

 

Los puntos cuánticos (quantum dots, QD) son nanocristales semiconductores que muestran fluorescencia con bandas estrechas de absorción, debido a las restriccionesimpuestas a los electrones cuánticos por el tamaño del material; estodado que, al confinar los electrones en sus tres dimensiones, se pueden albergar miles de electrones que presentan el principio de exclusión de Pauli, el cual dice que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente. Las aplicaciones de los puntos cuánticos incluyen imágenes médicas y sensores. El diámetro de los QD va de uno a varias decenas de nanómetros.

 

Los QD solo pueden intercambiar ciertas cantidades de energía, lo que se expresa en la absorción y emisión de longitudes de onda (colores) de luz muy específicas. En la producción de los puntos cuánticos se puede regular su forma y tamaño con precisión, y en consecuencia el color de la luz que absorben y emiten, lo que les confiere propiedades ópticas especiales.

 

Los materiales nanoestructurados son aquellos que combinan nanopartículas entre sí o con materiales de mayor tamaño. Comprenden los nanocompuestos (composites); los nanomateriales ensamblados, que en general son agregados o aglomerados de nanopartículas; los materiales con superficies nanoestructuradas, es decir, que tienen una dimensión interna o la superficie en la escala nanométrica, y estructuras laminares o shells(nanoshells), que son nanopartículas formadas por una delgada capa metálica generalmente de oro, de unos 8 a 10 nanómetros, que recubre una estructura esférica de silicio de un diámetro aproximado de unos 100 nanómetros. Los nanoshells poseen propiedades de luminiscencia reactiva debido a la capacidad de absorber o reflejar rayos de luz a la longitud de onda deseada. Si se exponen durante un tiempo determinado a una fuente de luz, los nanoshells pueden incrementar su temperatura hasta valores suficientes como para destruir células dañadas. Entre los composites están las arcillas nanométricas que se adicionan a autopartes y los materiales de empaque para mejorar propiedades mecánicas y térmicas (US EPA-ORD, 2009) .

 

NANOTECNOLOGÍA

 

Una vez conocidas las clases de nanomateriales y sus aplicaciones, surgen nuevos interrogantes:¿Qué se entiende por nanotecnología? ¿Cuáles son los métodos de fabricación de los nanomateriales?¿Cómo se caracterizan? ¿Cuáles son las técnicas empleadas? La nanotecnología esun campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales). La National Nanotechnology Initiative (NNI) la define como la comprensión y el control de la materia a escala nanométrica, en dimensiones aproximadamente entre 1 y 100 nanómetros, donde los fenómenos únicos permiten nuevas aplicaciones. Los amplios desarrollos de la nanotecnología y su carácter multidisciplinario han llevado a hablar de nanotecnologías; los métodos de producción de nanomateriales son diversos y cada día surgen nuevos dispositivos y técnicas.

 

La nanotecnología ofrece dos grandes métodos en la fabricación de nanopartículas, llamados top-down (del inglés "de arriba hacia abajo") y bottom-up ("de abajo hacia arriba"), desarrollados a mediados y finales del siglo XX. Otras técnicas para obtener nanopartículas se clasifican según el sector o el ámbito del conocimiento al que s eaplica, como nanotecnología húmeda y nanotecnología seca (González et al, 2011).

 

Top-down es untipo de fabricación que parte demateriales de gran tamaño que son reducidos a escala micro y nanométrica. Por ejemplo, un pedazo enorme de mármol que el escultor reduce para dar forma a una obra de arte. Miguel Ángel solía decir que él eligió una piedra y luego procedió a liberar la figura en su interior. La nanotecnología hace algo similar en la industria manufacturera. El procedimiento top-down ofrece generalmente tres tipos de técnicas clasificadas como: a) mecanizados a granel o de película b) mecanizados de superficie y c) mecanizados de molde (Majumder et al., 2007). Entre ellas se encuentran: ablación laser, pulverización, litografía óptica, electro-explosión y deformación plástica. La ablación laser es la producción de nanopartículas a partir de un polvo (se utilizan compuestos orgánicos) en suspensión que se somete al impacto de un pulso de láser intenso que fragmenta los granos de polvo hasta formar una solución coloidal transparente. La técnica de electro-explosión produce nanopolvos por explosión eléctrica de los conductores, causada al pasar un impulso potente de corriente con una densidad de 104 ± 106A/mm2 (amperios por milímetro cuadrado) y la duración de 10–5 ± 10–7 segundos. Para que suceda dicha explosión se usa un cable cuyo diámetro es 0,1 ± 1,0 mm. La deformación plástica se basa en la formación de estructuras fuertemente fragmentadas con signos de un estado amorfo recristalizado. Deformaciones de materiales grandes se pueden conseguir con el uso de los métodos siguientes: torsión bajo presión cuasihidrostática, prensado angular de canales iguales y laminado tridimensional. El uso de deformación plástica severa permite no solo una disminución en el tamaño de grano promedio sino también la producción de muestras masivas con una estructura prácticamente libre de poros que no puede lograrse mediante compactación de nanopolvos.

 

Bottom-up, también denominado nanotecnología molecular (de igual modo, fabricación molecular), es la construcción de los productos manufacturados a partir de átomos para hacer estructuras mayores —supramoléculas o nanorobots—.Es similar a la construcción de un edificio que se inicia cuando un ladrillo es unido a otro sucesivamente, hasta tener el edificio construido. En el procedimiento bottom-up, las propiedades de la construcción dependen de cómo estén organizados los átomos. Sus procesos son más cercanos a los procesos químicos por las reacciones que se llevan a cabo entre las partículas y el autoensamblado. La obtención de nanomateriales se realiza mediante dos rutas principales: rutas físicas y rutas químicas. Las primeras usan equipos para la manipulación de los materiales. Las segundas usan técnicas de microemulsión para crear suspensiones coloidales utilizadas para sintetizar nanopartículas.

 

La nanotecnología húmeda va dirigida al desarrollo de biomoléculas o sistemas biológicos para la manipulación de enzimas, material genético, compuestos celulares y todo tipo de sistema que necesite un medio acuoso. La nanotecnología seca se centra en la fabricación de estructuras de carbono (como fullerenos y nanotubos), silicio y otros materiales inorgánicos.

 

La técnica empleada actualmente para la caracterización de la materia a escala atómica es la nanoscopía, que surge con el desarrollo de los microscopios actuales usados para la visualización, manipulación y caracterización de la materia a escala atómica. Entre los microscopios más utilizados están: el microscopio de efecto túnel (STM), el microscopio de fuerza atómica (AFM), el microscopio electrónico de transmisión (TEM), el nanolitógrafo y el microscopio de fluorescencia.

 

El STM puede medir localmente propiedades de la muestra, a comparación del microscopio de fuerza atómica, que solo puede caracterizar materiales con superficies conductoras. El AFM ha sido un equipo importante en la elucidación de la microestructura de la materia, ya que detecta fuerzas del orden de piconewtons. El AFM proporciona imágenes en tercera dimensión con alta resolución y determina las propiedades del material (Binnig et al., 1987).La nanolitografía se utiliza en la fabricación de semiconductores, circuitos integrados o sistemas nanoelectromecánicos (NEMS, por sus siglas en inglés). El TEM puede caracterizar cualquier tipo de superficies, como células a nivel molecular, metales y minerales, y acompañado de técnicas analíticas es una de las mejores herramientas para visualizar directamente la distribución de tamaño, superficie y la composición química de las nanopartículas en distintas muestras. El microscopio de fluorescencia identifica la morfología de las células, las proteínas entre otras, realiza la detección de antígenos y anticuerpos y provee la revelación de fluorescencia agregada a células, ADN y bacterias, entre otros biocompuestos.

 

NANOTECNOLOGÍA Y DESARROLLO SOSTENIBLE


Hoy se ofrecen en el mercado diversos nanomateriales radicalmente diferentes de los productos que se venían fabricando hasta hace pocos años. Estos nanomateriales ofrecen grandes beneficios,pero ¿todos son realmente beneficios?¿Los nanomateriales representan daño toxicológico? ¿Qué investigaciones se realizan para determinar los efectos nocivos de los nanomateriales? ¿Cuáles son los efectos adversos de los nanomateriales en la salud y en los ecosistemas? ¿Pueden los nanomateriales aportar al desarrollo sostenible?

 

Como en toda tecnología, es posible que durante el proceso de producción de los nanomateriales y en algunas de sus aplicaciones ymúltiples usos se tengan efectos adversos para la salud humana y se acelere el deterioro de los ecosistemas. Las propiedades que hacen interesantes a los nanomateriales para el desarrollo nanotecnológico, como el alto grado de reactividad y la alta capacidad para atravesar barreras, pueden también hacerlos peligrosas para los humanos y el ambiente.

 

Actualmentelos estudios para determinar los efectos en el ambiente consideran cuáles nanomateriales representan el mayor porcentaje con presencia comercial,así como aquellos que están en vía de investigación y desarrollo. Para tratarlas posibles amenazas que puede traer el uso generalizado de las nuevas nanopartículas para los seres vivos y para los ecosistemas, surge la nanotoxicología como disciplina, que se convertirá en un apoyo para el crecimiento seguro y sostenible de la nanotecnología. La Sociedad de Toxicología, SOT, la presenta como ciencia que abarca el estudio sistemático de las propiedades toxicológicas de materiales con al menos una dimensión menor de 100 nanómetros. (Society of Toxicology,). Para cumplir con los objetivos de la nanotoxicología y hacer frente a sus retos, se cuenta con una estrategia multidisciplinar que integra y coordina los conocimientos de toxicólogos, científicos de la ciencia de materiales y otros científicos que evalúan la exposición y examinan las repercusiones en la salud y las repercusiones ecológicas derivadas de la producción y el uso de los nanomateriales.

 

A pesar de los efectos adversos de los nanomateriales, ¿es posible que aporten al desarrollo sostenible? De acuerdo con las investigaciones realizadas, sí es posible, porque no se puede desconocer que las nanotecnologías se utilizan para crear nuevas tecnologías y nanomateriales que pueden mejorar el rendimiento de las tecnologías convencionales (ICON). Algunos ejemplos son:

 

  • Utilizar los materiales a nanoescala en procesos de síntesis como sustituto de los componentes más tóxicos. De esta forma se puede reducir la masa de materiales potencialmente tóxicos empleados en los procesos químicos.

 

  • Incorporar los nanomateriales para el tratamiento de productos químicos nocivos antes de la descarga final y para el tratamiento de las emisiones generadas en la producción de energía y en los flujos de residuos de los procesos industriales.

 

  • Tratar los sistemas contaminados del medio ambiente (el aire, el agua, los sedimentos o el suelo). Se está investigando el uso de partículas de hierro a nanoescala para remediar corrientes acuosas contaminadas. Si estos procesos de tratamiento y remediación tienen éxito se pueden incorporar en sistemas de tratamiento existentes para reducir aún más la carga contaminante.


Los nanomateriales, en general, pueden representar alternativas de menor costo ambiental y social, debido a su potencial para reducir al mínimo la liberación de componentes químicos tóxicos al ambiente.

 




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