NANOTECNOLOGIA, por: Roberto Bloch

Acerca del Dr. Roberto Bloch:
Profesor de Posgrado en el Instituto Tecnológico de Bs. As. (ITBA) en Transporte Multimodal - Profesor de Posgrado en Logística y Seguros de La Facultad de Ciencias Económicas de la Universidad de Bs. As. - Autor de las obras "Transporte Multimodal", "Transporte fluvial" y "Logística militar y civil" - Colabora con varias publicaciones especializadas y con la Universidad Nacional de Buenos Aires, y las Universidades de Belgrano y Austral. Es director de la serie "Comercio Internacional e Integración"de la Editorial Ad Hoc. Representante argentino en foros internacionales en transporte.

 
¿Por qé pueden interesar partículas que miden una mil millonésima parte de un metro? Con su habitual didáctica y amenidad, el autor hace ver como la ingeniería de las partículas increíblemente pequeñas invadirá pronto la vida cotidiana, el trabajo, y la logística.
 
La Nanotecnología es la disciplina que estudia objetos de tamaño nanométrico.Un nanómetro es equivalente a la mil millonésima parte de un metro. En muchos casos, designa la investigación en estructuras que tienen al menos una dimensión de uno o varios cientos de nanómetros.

El campo de la Nanotecnología actual trata sobre materiales y sistemas que tienen como propiedades esenciales al menos una dimensión comprendida entre 1 y 100 nanómetros, procesos de diseño caracterizados por un control fundamental sobre los atributos físicos y químicos de las estructuras a escala molecular, y posibilidad de combinarse para formar estructuras mayores. El interés por el uso de nanoestructuras deriva de la idea de que éstas pueden, al menos en teoría, ofrecer superiores propiedades eléctricas, químicas, mecánicas u ópticas.

 

La materia prima de la Nanotecnología son los elementos, a partir de los cuales se pueden formar diversos productos (caucho, acero, biológicos, etc).Por ello, la Nanotecnología atraviesa todos los sectores de la Economía, modificando las propiedades de los materiales para mejorar sus resistencia mecánica y térmica, aumentar su durabilidad o hacerlos inmunes a la acción de la oxidación y los ataques químicos.

De la Nanotecnología se esperan impactos en la vida diaria tan grandes como los que produjeron el transistor o el láser. En ambos, el transporte de los electrones es esencial para su función.
   
De la Nanotecnología se esperan impactos en la vida diaria tan grandes como los que produjeron el transistor o el láser. En ambos, el transporte de los electrones es esencial para su función.
 

Los investigadores han abordado la Nanotecnología desde tres ámbitos:

1) Física: La microelectrónica progresa hacia productos de tamaño cada vez más pequeños. En el futuro, a medida que la miniaturización avance, los procesadores de los sistemas de computación necesitarán circuitos con anchos de línea nanométricos.
2) Química: El mayor conocimiento de los sistemas complejos condujo a nuevas tecnologías de catalizadores, membranas, sensores y revestimientos, que dependen de la capacidad de adaptar estructuras a los niveles atómico y molecular.
3) Biología: Los sistemas vivos tienen subunidades de tamaños que oscilan entre las escalas del micrón y el nanómetro, y pueden combinarse con materiales nanoestructurados inertes para dar lugar a nuevos dispositivos.

 

Las oportunidades para la Nanotecnología pueden dividirse en tres grandes campos:

1) Ingeniería molecular basada en la Biotecnología.
2) Tecnología electrónica basada en semiconductores.
3) Dispositivos y procesos basados en nuevos materiales.

Para crear nanomáquinas se debe poder manipular átomos y ponerlos a disposición donde se necesiten, es decir, crear máquinas capaces de utilizar átomos como material de construcción.

Para crear nanomáquinas se debe poder manipular átomos y ponerlos a disposición donde se necesiten, es decir, crear máquinas capaces de utilizar átomos como material de construcción.
   

En el año 2001 se realizó un taller en Estados Unidos organizado por la National Science Foundation (NSF) y el Department of Commerce (DC), en el que se concluyó que la Nanotecnología, junto a la Biotecnología, las Tecnologías de la Información y las Tecnologías Cognitivas constituyen una gran oportunidad para desarrollar a los individuos, a la sociedad y a la humanidad a largo plazo. Se recomendó que se financie una iniciativa que se enfoque en el aumento de las capacidades humanas en el área respetando el bienestar y la dignidad y que esta iniciativa se convierta en una prioridad.

 

La Iniciativa Nacional de los Estados Unidos sobre Nanotecnología pretende que los materiales nanoestructurados ayuden a reducir el tamaño, el peso y la potencia de aeronaves, a crear procesos de fabricación ecológicos con mínimas emisiones de productos no deseados y a formar la base de plaguicidas biodegradables.

Hasta ahora se trabaja en Nanotecnología “miniaturizando”.El denominado sistema “top down” (Richard Feynman) trabaja de arriba hacia abajo, intentando mejorar los procedimientos ya existentes. Ejemplos de este sistema son la litografía blanda y la litografía de pluma.

La Iniciativa Nacional de los Estados Unidos sobre Nanotecnología pretende que los materiales nanoestructurados ayuden a reducir el tamaño, el peso y la potencia de aeronaves, a crear procesos de fabricación ecológicos con mínimas emisiones de productos no deseados y a formar la base de plaguicidas biodegradables.
   

El sistema alternativo se denomina “bottom up” (Eric Drexler) y pretende construir objetos más grandes a partir de sus componentes atómicos y celulares. Consiste en manipular átomos y partículas directamente a su escala, construyendo estructuras desde abajo hacia arriba. Este sistema intenta imitar a la Biología con las herramientas de la Física y de la Química, mediante el autoensamblado molecular. Esta técnica se basa en la propiedad de las moléculas de reconocerse unas a otras y es un método que se está intentando en diversos laboratorios. Otra técnica para forzar a las moléculas a ordenarse es el microscopio de fuerza y túnel, que puede mover moléculas.

Un ejemplo del sistema ascendente es la producción de puntos cuánticos, capaces de servir de colorantes biológicos.

Los investigadores creen que en algunos años se podría lograr la sustitución de los chips litografiados sobre silicio por nanoelectrónica auto-organizada.

La nueva era nanométrica viene anunciada por herramientas capaces de formar imágenes de moléculas y átomos individuales y manipularlas. Símbolos de esta transformación son los microscopios de barrido electrónico – el microscopio de efecto túnel y el microscopio de fuerza atómica, entre otros -, que crean imágenes de átomos individuales o los trasladan de un lugar a otro.

Además, la Nanotecnología permitiría aumentar la capacidad de almacenamiento y transferencia de datos; realizar procesos de fabricación con un menor impacto ambiental; diseñar nuevos materiales creados por autoensamble de átomos; lograr avances inéditos en diagnóstico y tratamiento de enfermedades; desarrollar sensores capaces de controlar gran cantidad de parámetros; crear sistemas de extracción de contaminantes del medio ambiente; restaurar órganos humanos mediante tejidos prediseñados. También reduciría al mínimo la cantidad necesaria de materia prima utilizada en los procesos productivos, permitiendo ahorros considerables; revitalizaría el sector de Tecnología de la Información mediante la posibilidad de construir microprocesadores, memorias y periféricos más rápidos, diminutos, sofisticados y baratos .Los nuevos materiales diseñados por Nanotecnología permitirían desarrollar mejores vehículos, mecanismos de almacenamiento energético y construcciones específicas. Incorporaría a la vida cotidiana los nanosensores, que permitirían controlar en tiempo real las condiciones medioambientales en viviendas, oficinas, fábricas, campos, ríos, etc. Mejoraría los diagnósticos medicinales y permitiría construir dispositivos capaces de liberar fármacos específicamente donde resida el problema a tratar.

Se espera el diseño de nanotubos de carbono (tubos cilíndricos nanométricos con altísima conductividad y mucho más livianos y resistentes que el acero),filamentos semiconductores y tubos cuánticos, que harán posible construir microprocesadores con miles de millones de transistores.

Los productos basados en Nanotecnología ya son utilizados en pinturas, farmacología, dispositivos microelectrónicos y materiales compuestos.

Las siete áreas de mayor demanda en la actualidad son : tecnologías de la información, aplicaciones médicas y biomédicas, equipos automotrices e industriales, telecomunicaciones, control de procesos, monitoreo ambiental y productos para el hogar.

A partir de la división en tres categorías, las oportunidades más interesantes son:

  • A tres años:
    • Categoría 1: bionanosensores selectivos, sistemas de liberación de medicamentos.
    • Categoría 2: nanoelectrónica basada en dispositivos se silicio miniaturizados, nuevos dispositivos basados en el “spin” magnético.
    • Categoría 3: materiales nanoestructurados (catalizadores industriales, por ejemplo),superficies autolimpiantes basadas en nanomateriales.
  • A diez años:
    • Categoría 1: diagnóstico médico avanzado, células humanas seleccionadas para la reparación de órganos.
    • Categoría 2: dispositivos de un solo electrón, computación óptica.
    • Categoría 3: celdas de combustible portátiles y baterías avanzadas, fotosíntesis artificial.

A nivel estatal, la nanotecnología es estudiada por estos países:

  • Estados Unidos desarrolla la “Iniciativa Nacional en Nanotecnología”
  • Japón posee el Nanotechnology Research Institute
  • Francia y Alemania han desarrollado un “Nano Valley” en el norte del Rin
  • Reino Unido posee el Institute of Nanotechnology.

Uno de los mayores desafíos en Nanotecnología es la formación interdisciplinaria de una nueva generación de investigadores y trabajadores calificados. Es fundamental que aquellos dispongan de un sólido basamento en física, biología y matemáticas pero se necesitará un nuevo paradigma de los modelos moleculares antes que un enfoque microscópico. En consecuencia, los cursos sobre ciencia de la superficie, dinámica molecular, efectos cuánticos y fabricación a escala molecular, ofrecen grandes oportunidades.

Por otra parte, es fundamental capacitar a técnicos para la investigación y la industria y alertar a los empresarios de todas las áreas sobre el cambio de paradigma en la fabricación, ya que se emplearán procesos completamente nuevos.

 

Y aún hay ingeniería de partículas más pequeñas...

Así como la Nanotecnología implica la manipulación de átomos individuales, ya se habla de Picoingeniería, que consiste en la manipulación de partículas subatómicas (por ejemplo, los electrones).Un Picómetro equivale a una billonésima de un metro. Y también se habla de Femtotecnología que implica la ingeniería en el interior del quark (un quark es una de las seis partículas que, según se cree, son los constituyentes básicos de las partículas elementales llamadas hadrones, como el protón, el neutrón o el pión).Un femtómetro equivale a una milésima de billonésima de metro.

Por otra parte, es fundamental capacitar a técnicos para la investigación y la industria y alertar a los empresarios de todas las áreas sobre el cambio de paradigma en la fabricación, ya que se emplearán procesos completamente nuevos.

   
GLOSARIO
  • Bionanotecnología: área de estudio de la Nanotecnología basada en el uso de estructuras biológicas.
  • Computación cuántica: Computación determinada por las leyes de la física cuántica. Utiliza algunas propiedades de los átomos que permiten trabajar junto con bits cuánticos, tanto en el procesador como en la memoria del ordenador. Al interactuar, los bits cuánticos pueden ejecutar cálculos mucho más rápidamente que en la computación convencional.
  • Ensamblador: Conjunto de moléculas que al actuar como una máquina, pueden programarse para construir otras estructuras moleculares.
  • Femtómetro: milésima de billonésima de metro.
  • Materiales “inteligentes”: Estos materiales, debido a la incorporación de nanocomputadoras, son capaces de desarrollar un comportamiento complejo. Se usan en productos que tienen cierta capacidad de responder y adaptarse al ambiente.
  • Molécula: La más pequeña cantidad de materia que retiene todas sus operaciones químicas. Está compuesta de átomos, que es la entidad química más pequeña. Son dos conceptos clave para la fabricación molecular a escala nanométrica.
  • Nanómetro: Mil millonésima parte de un metro.
  • Nanopartículas: Materiales que poseen características propias y no obedecen a la química cuántica ni a las leyes de la física clásica. La Biomedicina y la Biotecnología son dos de sus principales campos de aplicación.
  • Nanotubos: Compuestos de carbono o de otros elementos, por la variedad de sus propiedades electrónicas, térmicas y estructurales, son valiosos componentes moleculares.
  • Picómetro: billonésima de un metro.
  • Puntos cuánticos (qdots): Estructuras cristalinas compuestas por diferentes componentes (cadmio y selenio, por ejemplo),capaces de transformar la luz. Tienen mayor flexibilidad que otros materiales fluorescentes y por ello resultan apropiados para diseñar aplicaciones de computación nanométrica, en las que la luz se usa para procesar la información. La presencia de un único electrón en tales estructuras puede ser utilizada para almacenar información.
  • Quark: una de las seis partículas que, según se cree, son los constituyentes básicos de las partículas elementales llamadas hadrones, como el protón, el neutrón o el pión.
  • Spintronics: Dispositivos electrónicos que explotan el “spin” de los electrones (el sentido del giro sobre su eje) y no solamente su carga eléctrica, en circuitos de información.

ROBERTO BLOCH
robloch@speedy.com.ar

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