Auto-ensamblarse, el futuro de la nanotecnología

Tras participar en una conferencia en la universidad de Navarra (España), Harold Kroto (Premio Nobel de Química 1996) manifestó que la nanotecnología podría convertirse en el futuro en bases para la construcción de aviones tan ligeros y resistentes que en caso de que sufrieran un fallo en los motores pudieran planear y aterrizar automáticamente, o fabricar coches indeformables durante los accidentes.
El científico hizo referencia a que entre las múltiples aplicaciones de la nanotecnología existe una que promete servir como detonante de una nueva era de nanomateriales.
También dijo que en un futuro próximo debería ser posible hacer máquinas nanométricas que se introduzcan dentro del cuerpo humano para curarlo, pero antes deberían batirse algunas barreras, como el desconocimiento químico de la ciencia para comenzar a documentar los procedimientos durante el desarrollo de estas aplicaciones.
A Harold Kroto se le adjudicó oficialmente el descubrimiento de la nanopartícula de átomos de Carbono llamada Fullereno (Buckminsterfullerene), la cual como propiedad primaria desencadena un comportamiento de auto-ensamblaje por sí sola en el espacio. Por lo que pone en relieve la previsión  a mediano plazo para la nanotecnología en el desarrollo de nuevos sistemas a base de materiales auto-construibles.
Como esta idea es tratada como irreal para algunos sectores científicos, es totalmente posible. Se demuestra con la observación del auto-ensamblaje que ocurre frecuentemente en el cuerpo humano a partir de una célula primaria.

Nanotecnología en las armas

Muchos de los fondos destinados a la investigación en nanotecnología persiguen avances en armas para usos militares.
Tres grandes laboratorios norteamericanos pretende descubrir cómo manipular el flujo de energía dentro de las moléculas y entre ellas. Este campo se llama Nanoenergética y permite la fabricación de armas letales que tienen una fuerza detonante varias veces mayor que las bombas convencionales.
La fuerza de las arman pueden incrementarse añadiendo materiales que combinan nanometales con óxidos metálicos. La ventaja de utilizar nanometales es la velocidad con la que se puede sacar la energía. Las reacciones químicas de las nano-termitas son más rápidas, por lo que hacen que produzcan energía más rápidamente. Cómo las nano-termitas son capaces de incrementar las reacciones químicas mil veces, se produce una onda reactiva muy rápida.
Los investigadores de estos laboratorios, pueden manejar nanopolvos de aluminio con distintos tamaños de nanopartículas con el fin de variar el tipo de velocidad de fuerza, ya que el nanoaluminio tiene mayor actividad química porque tienen más átomos en la superficie que en la del aluminio convencional.
Con la nanotecnología molecular, las armas serían más potentes y las armas podrían autodirigirse. Estos materiales, al ser ligeros, tendrían un mejor rendimiento en la aviación. Además, son más difíciles de detectar por los radares. Los ordenadores integrados permitirían un control remoto sobre cualquier arma, y el manejo asistido permitiría una mejora en la robótica.
El problema de esta tecnología sería si estabilizaría o si desestabilizaría la situación de la sociedad internacional, ya que dicen que las armas nucleares han evitado grandes guerras.

Nanopartículas de plata que eliminan bacterias belignas

Hace unos años se ha descubierto que las nanopartículas de plata destruyen bacterias malignas, y gracias a este descubrimiento ya se han creado productos de consumo que destruyen que contienen este tipo de partículas.

Además, se ha descubierto que las nanopartículas de plata también destruyen a las bacterias belignas utilizadas para eliminar el amoníaco de los sistemas de tratamiento de aguas residuales.

Pero los efectos positivos de esta tecnología se pueden ver destruidos por los impactos negativos que causan sobre el medio ambiente, ya que éstas nanopartículas son tóxicas porque frenan la creación de este tipo de bacterias que sirven para tratar las aguas residuales.

Las nanopartículas de plata generan más sustancias químicas (especies reactivas del oxígeno) que producen formas más grandes de plata.

Nanopartículas en cremas solares

La aparición de pigmentos basados en nanopartículas, ha hecho posible el desarrollo de compuestos que absorben la radiación ultravioleta y que, a su vez, son transparentes, no tienen la mala apariencia antiestética de la capa blanca de las cremas convencionales.
En los compuestos inorgánicos, los electrones forman parte del conjunto del cristal, lo que hace que haya muchos y diferentes niveles de energía disponibles por los que los electrones pueden pasar excitándose mientras absorben diferentes radiaciones. Para cada material en concreto existe una longitud de onda característica en la que por encima de él, el material no puede absorber la luz, ya que esas longitudes de onda tienen menor energía que la banda prohibida del material y no puede hacer que los electrones se exciten. Por ello, los materiales inorgánico utilizados en estas cremas son el dióxido de titanio (con una banda prohibida de 3,2 eV.) y el óxido de zinc(con una banda prohibida de 3,37 eV.), ya que estos compuestos permiten absorber prácticamente toda la luz ultravioleta (cuyas longitudes de ondas están entre 15 y 380 nm.).
Mientras que las cremas habituales utilizan compuestos con tamaños superiores (superior a 200nm.) y reflejan toda luz del espectro visible (de 380 a 750nm.). Por ello, la nanotecnología a permitido que que las ondas sean menores y que la luz las atraviese y no sea visible al ojo humano.
Una ventaja más es la de que todas sus partículas encajan perfectamente y se ajustan unas a otras, permitiendo así, que se absorba fácilmente.
Tiene una gran desventaja, puede llevar a ser tóxico, ya que puede llegar a provocar cancer, enfermedades cardiovasculares, etc., debido a que las nanopartículas es el doble de tóxico para las células de nuestro cuerpo. Es por ello por lo que muchos países han prohibido su producción.

Vídeos del programa "REDES"

Propiedades físicas y químicas de las nanopartículas

Las nanopartículas tienen propiedades físicas y químicas. Las propiedades de las nanopartículas dependen de su forma, de su tamaño,de las características de la superficie (como el porcentaje de átomos en la superficie) y de su estructura interna. Estas propiedades pueden verse alteradas por la presencia de dichas sustancias químicas.

Las nanopartículas pueden agruparse o permanecer en estado libre, en función de las fuerzas de atracción o repulsión que intervengan entre ellas.

Las nanopartículas son un puente entre materiales a granel y estructuras atómicas o moleculares. 

Un material a granel debe de tener propiedades físicas constantes independientemente de su tamaño, pero en la nano-escala se observan propiedades dependientes de su tamaño. El porcentaje de átomos en la superficie de un material a granel es insignificante relacionándolo con el número de átomos en el grueso del material. Las propiedades de las partículas son las que dominan las contribuciones hechas por el pequeño grueso del material. La absorción de la radiación solar es mayor en materiales compuestos de nanopartículas que en peliculas delgadas de continuas hojas de material, es decir, cuanto menor sea el nº de partículas mayor será la absorción.

Otra propiedad dependiente del tamaño es el confinamiento cuántico en partículas de semiconductores, plasmon superficie resonancia en algunas partículas metálicas y Superparamagnetismo en materiales magnéticos. Materiales ferroeléctricos menores de 10 nm. puede cambiar su dirección de magnetización utilizando energía térmica, haciéndolos así inadecuados para el almacenamiento de memoria. Las suspensiones de nanopartículas son posibles desde la interacción de la superficie de la partícula con el disolvente, que es lo suficientemente fuerte como para superar las diferencias de densidad.


Las nanopartículas también a menudo poseen propiedades ópticas inesperadas como son lo suficientemente pequeños para limitar sus electrones y producir efectos cuánticos. Así, las nanopartículas de oro aparecen desde rojo profundo a negro en una solución. 

Nanotecnología contra el cáncer

Los investigadores estadounidenses están utilizando diminutas cápsulas de carbono con hierro para destruir tumores cancerosos mediante láseres. La técnica experimental que forma parte de la investigación se denomina "Terapia Térmica Inducida por Láser" (TTIL). Ésta técnica  utiliza nanopartículas de carbono que pueden absorber la energía de un láser y convertirla en calor. La adicción de las partículas de hierro son importantes ya que se pueden localizar exactamente la nanopartícula dentro del cuerpo. Estos avances nanotecnológicos en un futuro liberarán a los pacientes de los efectos secundarios de la radioterapia, quimioterapia o cirugía mayor.

La Nanotecnología En Los Alimentos

Esto va a permitir que disfrutemos de los alimentos más saludables, más resistentes y de mayor durabilidad. Como lo nuevo se ve con cierto escepticismo por ciertas razones, la Comisión Europea, junto a científicos, a barajado la posibilidad de regular las aplicaciones nanotecnológicas relacionadas con la alimentación, planteándose así cómo podría afectar estas nuevas aplicaciones a nuestro organismo y al medio ambiente. Por ello se decide dar rienda suelta a las investigaciones y aplicaciones siempre que se cumplas los puntos del código, ya que se a de velar por la salud humana y el medio ambiente.
La nanotecnología producirá grandes beneficios tanto a las industrias como al consumidor, así la mayoria de las investigaciones de este campo del sector alimentario están orientadas a mejorar la salud de los alimentos, pero eso no quiere decir nada ya que se intento lo mismo con los alimentos transgénicos y no se obtuvo, en su mayoría, buenos resultados.

Nanotecnología y Medio Ambiente

La nanotecnología permite fabricar materiales entre 1 y 100 nanómetros, lo que permite que las partículas puedan adquirir propiedades diferentes a las habituales.
La nanotecnología tiene sus ventajas frente al medio ambiente:

• La remediación(o "limpieza") de suelos y los tratamientos de aguas contaminadas mediante el uso de compuestos clorados e hidrocarburos poliaromáticos, y de un proceso propio para la fabricación de un material compuesto por nanodendritas metálicas.
•  El empleo potencial de nanopartículas magnéticas para eliminar sustancias capaces de afectar el sistema endócrino del ser humano o de otros animales.
• El uso de nanotubos de carbono y de otros materiales “nanoparticulados” como sensores de gases contaminantes.

Pero la nanotecnología también tiene sus riesgos para el medio ambiente que deben ser controlados. Por ello es importante instalar el debate antes de que los productos con nanotecnología se ofrezcan de manera masiva a los consumidores.
También se debería de tener precaución con la invasión de la nanotecnología.  La tecnología "nano" podría llegar a aplicarse a casi todas las ramas de la producción industrial: aviones, autos, ropa, calzado, televisores, espejos, teléfonos celulares, alimentos, drogas farmacéuticas, etcétera. Los científicos descubren cada día cómo diseñar nuevos materiales que al estar compuestos por minúsculos “ladrillos” adquieren nuevas propiedades.  hay varias medidas que deberían tomarse con respecto a la nanotecnología: priorizar las necesidades sociales; tener al principio de precaución como guía; mantener un posicionamiento estatal con respecto al proceso de patentes; mantener la transparencia pública y evaluar los riesgos en la salud y el ambiente.

Nanotecnología y Arquitectura

La nanotecnología nos permitirá constriur edificios con formas que aparentemente son imposibles y con materiales de unas características determinadas.
Las constructoras podrán construir edificios 5 veces más altos y que aguantes 5 veces más carga. Estos edificios contendrían paredes y suelos que cambian con la luz; e incluso habrán casa de 2 pisos que pueden ser transportadas a cualquier lugar.
A medida que se investigue más en la aplicación de la nanotecnología asistiremos al nacimiento de un nuevo concepto de arquitectura desconocido actualmente. Además la arquitectura tendrá que revisar suspresupuestos teóricos después de que muchos materiales de construcción sean desechados por obsoletos.
La construcción que se desarrolle en el siglo XXI dependerá de la capacidad que tengan los arquitectos, estudios de arquitectura y empresas en asimilar el nuevo paradigma que está creando la nanotecnología aplicada a la construcción.

Cristal líquido

Se llama "Liquid Glass" o lo que es lo mismo "Cristal Líquido". Este cristal es flexible, más delgado que un cabello humano y lo protege todo de líquidos, suciedad y gérmenes. 
Éste funciona fusionándose con el material tratado y convirtiéndose en una barrera impenetrable, incluso para la radiación UV. Aunque el cristal se endurece en media hora, éste continua siendo flexible, por lo que se puede rociar sobre tejidos para hacer que sean resistentes a la suciedad y a los olores, mientras que la membrana actúa como una membrana, permitiendo que la superficie que queda debajo respire; y desde el interior, el agua y el oxígeno pueden salir a través de la barrera.

Nanotecnología en el sector textil

Esto es una pequeña revolución en el sector textil en cuanto a la suciedad, a las manchas que no se quitan, la mantención de las propiedades de las prendas, incluso, podrían repelar los virus y bacterias.La explicación a todo esto son las nanotecnologías, que permiten cambiar las propiedades de los tejidos, para mejorar estas.
Hace unos años, se ha inventado una máquina capaz de fabricar nanofibras de forma masiva. Es capaz de fabricar nanofibras en piezas de 1'5 metros de ancho y varios metros de largo. Este nuevo proceso tiene de ventaja que reduciría los costes de fabricación de nanotejidos.
La estructura de tejidos fabricados con nanofibras permite la creación de una tela con características extraordinaria.
Esta nueva vía abre una asombrosa capacidad de innovación y de reconversión en un sector tradicional como la industria textil. Estas innovaciones resultan casi increíbles: antiolor, retardantes de llama, regulación de temperatura, cambio de color... Los tamaños de las nanopartículas permiten una flexibilidad en la explotación de sus propiedades realmente asombrosa... Algunos materiales con nanotubos han sido probados con una eficacia asombrosa.

Nanotecnología aplicada a la informática.

La industria del semiconductor va camino de desarrollar la tecnología del procesador de 32nm, pero llegará un día en que los transistores alcancen los límites de la miniaturización a niveles atómicos y haya que poner fin a las tecnologías de fabricación actuales.Aparte de los problemas para interconectar la disipación de calor y la densidad, algo que algunos científicos esperan lograr con aplicaciones basadas en nanotubos de carbono, existe también el problema fundamental de la mecánica cuántica, que interferirá cuando las dimensiones de los conductores sean tan pequeñas que los efectos cuánticos dominen el comportamiento del circuito. podría permitir que los electrones se filtraran a sitios en los que no son bienvenidos. En concreto, el efecto túnel de electrones y agujeros sería demasiado grande como para que los transistores realizasen operaciones fiables. Como resultado, ambos estados del conmutador se volverían indistinguibles.
Pero los efectos cuánticos también podrían ser beneficiosos, ya que se ha demostrado que es posible almacenar un bit de información en un átomo y recuperarlo, posteriormente. Bajo este tipo de almacenamiento subyace un fenómeno conocido como magnetorresistencia anisótropa balística (BAMR). La BAMR es cuando el conductor cambia el valor de su resistencia eléctrica aplicándole un campo magnético externo, que se incrementa debido a que en la conducción de electrones, las colisiones son más frecuentes cuando se mueven en paralelo a la magnetización del material, que cuando lo hacen en perpendicular.
Los investigadores creen que la BAMR puede dar lugar a futuras generaciones de dispositivos electrónicos ultrapequeños, como cabezales magnéticos de lectura, conmutadores cuánticos y circuitos lógicos, debido a la posibilidad de controlar la conductancia cuantizada por la aplicación de campos magnéticos.

Avance en nanotecnología: La 1ª membrana de almacenamiento de energía

Un equipo de la Iniciativa de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Nacional de Singapur (NUSNNI), ha desarrollado la primera membrana de almacenamiento de energía del mundo.El almacenamiento de energía eléctrica y su gestión se está convirtiendo en un problema urgente debido al cambio climático y a la escasez de energía. Las tecnologías existentes se basan en complicadas configuraciones que incluyen electrolitos líquidos y plantean algunas dificultades de ampliación y de elevados costes de fabricación.
El equipo de NUSNNI han desarrollado una membrana que no solo ofrece una mayor rentabilidad en la entrega de energía, sino también una solución más amigable con el medio ambiente. Los investigadores utilizaron un polímero de poliestireno para depositar la membrana blanda y plegable que, situada entre dos placas de metal que le imprimen una carga eléctrica, podría almacenar una carga de 0,2 faradios por centímetro cuadrado, cuya cantidad está muy por encima del habitual límite superior de 1 microfaradio por centímetro cuadrado de un condensador estándar.
El coste de almacenamiento de energía también se reduce drásticamente. Con las tecnologías actuales basadas en electrolitos líquidos, cuesta alrededor de 7 dólares almacenar cada faradio. Con la membrana de almacenamiento de energía avanzada, el coste de almacenamiento de cada faradio se reduce a la impresionante cantidad de 0,62 dólares. Esto se traduce en un coste energético de 10-20 vatios-hora por dólar en el caso de la membrana, en comparación con tan sólo 2,5 vatios-hora por dólar en las baterías de iones de litio.

Avances recientes en Nanomedicina

- Detección temprana del cáncer de pulmón: hasta ahora, era prácticamente imposible detectar el cáncer de pulmón en sus primeras etapas. La prueba de detección del cáncer de pulmón, diseñada por el patólogo Michael Wang y el ingeniero biomédico Li-Qun Gu de la Universidad de Missouri, se basa en un diseño simple pero eficaz. El principio tras la prueba es que cuando el cáncer empieza a formarse en los pulmones, distorsiona la secuencia de una molécula llamada microARN. Si los científicos pueden encontrar las irregularidades en la microARN, pueden descubrir si el paciente tiene cáncer. La prueba es tan fácil de realizar que los pacientes pueden ser diagnosticados y empezar el tratamiento en la primera visita.


- Prueba de la gripe con nanopartículas de oro: la mayoría de las pruebas de la gripe hoy en día requieren mucho tiempo o son increíblemente inexactas. La técnica más precisa, denominada PCR, consiste en tomar una muestra y almacenarla durante unos días, a continuación se replica su ARN y, luego, dos semanas más tarde, llegan los resultados. Para entonces podría ser demasiado tarde para detener una epidemia. En cambio, con la prueba de nanopartículas de oro, los resultados se pueden obtener de forma inmediata y es posible tratar al paciente inmediatamente, evitando el contagio a más personas. Creada por un equipo de la Universidad de Georgia dirigido por Ralph A. Tripp, la prueba aprovecha la capacidad de las nanopartículas de oro para dispersar la luz de formas radicalmente diferentes, dependiendo de su geometría. Todo el médico tiene que hacer es tomar una muestra del líquido y mezclarla con una disolución de nanopartículas de oro. Si el virus está presente, la disolución dispersará la luz con un patrón mensurable. La prueba no solo es rápida, sino también barata. El oro se utiliza en una cantidad tan pequeña que cuesta una centésima de centavo realizar la prueba.


- Cazadoras del cáncer de Sandia: en todo el mundo las personas padecen de tumores. A veces se pueden extirpar quirúrgicamente, pero muchas veces las células afectadas se encuentran en un área inaccesible. La quimioterapia es otra opción, pero la radiación no es muy selectiva con lo que mata. La protocélula, diseñada por Jeff Brinker y su equipo del Laboratorio Nacional de Sandia, en Nuevo México, es un artilugio para transportar nanopartículas llenas de toxinas y silenciadores del ARN a una célula cancerosa. Es una cápsula de dióxido de silicio poroso (piensen en: cuarzo) encerrado en una doble capa de lípidos. Cuando se aproxima a la célula cancerosa, las proteínas de la protocélula se adhieren a los receptores del tumor, permitiendo que la célula la engulla. Las protocélulas se dirigen hacia las células cancerosas; tienen al menos un 99% de afinidad para enlazarse al sobrecrecimiento de los receptores que tiene lugar en la membrana celular de los tumores. Son altamente especializadas y económicas, ya que sólo una protocélula es necesaria silenciar un tumor.


- Respuesta celular: para poner un nuevo medicamento en el mercado, las compañías farmacéuticas suelen pasar por un proceso de unos doce años y más de 300 millones de dólares. Pasan por varias etapas de prueba, desde cultivos celulares a experimentos con animales y, finalmente, ensayos en humanos. Sin embargo, hay un paso crucial que no han sido capaces de realizar: probar la respuesta de la célula al fármaco desde el interior. La profesora Karen Martínez, con su equipo de la Universidad de Copenhague, ha hecho un gran avance en biosensores. Insertaron nanocables semiconductores en una celda sin interferir en sus procesos internos o matarla. Colocaron células de hígado humano y neuronas de ratas sobre una cama de nanocables de arseniuro de indio y éstas fueron capaces de funcionar y vivir durante varios días. Los investigadores midieron entonces los procesos dentro de la célula en tiempo real, incluyendo la respuesta interna a los estímulos y el potencial de la membrana de la célula. También pudieron transportar fármacos por el cable hacia el interior de la célula y comprobar la reacción desde el interior.


- Reparación de la médula espinal: cuando se produce una lesión en la columna vertebral, se puede formar un quiste, que bloquee la regeneración del tejido nervioso. Muchos consideran las células madre como la solución a la rehabilitación de la columna vertebral, pero dos investigadores de Milán han utilizado otro enfoque. Fabrizio Gelain y Angelo Vescovi construyeron nanotubos llenos de péptidos autoensamblables que actúan como soporte para la zona dañada e imitan la estructura de la columna vertebral. Los expertos evaluaron el procedimiento en ratas e insertaron los nanotubos en su columna dañada, donde se estaban formando los quistes. Después de seis meses, observaron que los quistes habían sido reemplazados por células recién formadas que incluían neuronas, vasos sanguíneos y células óseas. También había neuronas en el interior de los nanotubos en donde se encontraban originalmente los péptidos. Una vez recuperada la zona, los tubos se biodegradan y son ingeridos por microorganismos.

Nanociencia

Es un área emergente de la ciencia que se ocupa del estudio de los materiales de muy pequeñas dimensiones. El significado de la "nano" es una dimensión: 10 elevado a -9 metros. Otra definición de nanociencia es aquella que se ocupa del estudio de los objetos cuyo tamaño es desde cientos a décimas de nanometros. 

 Una de las razones por la que la Nanociencia se ha convertido en un importante campo científico con entidad propia, es la disponibilidad de nuevos instrumentos capaces de "ver" y "tocar" a esta escala dimensional.
El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas.

Nanomedicina

La nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular.
Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente: monitorización (imágenes), reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos; diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud, adeministración de medicamentos a las células, etc. etc. Todos ellos constituirían nuevos avances tecnologicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y asistencial.
La descripción de algunos últimos avances científicos lleva a lo que hace poco sería considerado ciencia ficción dentro de la Medicina. Biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos más directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras, son algunos de los avances en lo que se trabaja en la actualidad en multitud de laboratorios de los centro de nanotecnología en todo el mundo.
El objetivo del Instituto Nacional de Cáncer de los Estados Unidos es utilizar la nanotecnologia, para eliminar antes de 2015 las muertes y el sufrimiento causados por el cancer. En este sentido las investigaciones actuales se centran en como utilizar la nanotechnologia para cambiar de forma radical la capacidad de la medicina para diagnosticar, comprender y tratar el cáncer. 

Nano-estructuras

Nanotubo:
Son nanoestructuras de carbono. Los nanotubos de carbono 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. 

Buckyballs:

Una nano-estructura compuesta de 60 átomos de carbono (su nombre químico es C60) estructurados en un espacio cerrado y perfectamente simétrico, tienen propiedades extraordinarias, especialmente como superconductores.

Recientemente, se ha conseguido una versión más pequeña de las Buckyballs. Se cree que tienen propiedades electrónicas y magnéticas poco usuales porque tienen curvas más acentuadas y una forma entre una esfera y un disco.