Grandes retos del siglo XXI. Отсутствует

las pueden destruir fácilmente. En otras palabras, pueden usarse para cosas buenas, pero también para cosas muy malas. Si has visto esas películas, tal vez te preguntarás si realmente existen los nanobots o son solamente personajes de ciencia ficción. La respuesta a esa pregunta es que los nanobots que aparecen en las películas no existen aún; sin embargo, hay algo llamado nanociencia y nanotecnología y es importante saber qué son.

      Para saber más del tema, empecemos por comprender qué es un nanonómetro. Nano es un prefijo griego que significa enano. En ciencia lo usamos de una forma más precisa para denotar la milmillonésima parte de algo; así que un nanómetro es un metro dividido en mil millones, o un milímetro dividido un millón de veces. Para tener idea de qué tan pequeño es un nanómetro, cabe señalar que el diámetro de un cabello humano promedio es de aproximadamente 75 000 nm, el de un glóbulo rojo es de 7 000 nm y el del virus de la influenza es aproximadamente de 200 nm. Se llaman nanoestructuras a objetos cuyo tamaño varía desde unos pocos hasta cientos de nanómetros. Nanociencia es el estudio de las nanoestructuras y los procesos fundamentales que ocurren entre ellas. La nanotecnología es el área de investigación que estudia, diseña y fabrica materiales a escalas nanoscópicas y los usa para alguna aplicación práctica; sin embargo, también se define la nanotecnología como la habilidad que hemos alcanzado para manipular la materia átomo por átomo o molécula por molécula.

      ¿Y qué tienen de especial los tamaños entre uno y cien?

      Si comparamos una moneda de oro con un anillo del mismo material y de la misma pureza, podemos observar que aunque de tamaño y forma diferente, la moneda tiene las mismas propiedades del anillo: son metálicos; tienen la misma dureza; son del mismo color: dorados. No obstante, las nanoestructuras de oro tienen propiedades diferentes al oro que conocemos, principalmente porque esas propiedades dependen de su tamaño. Así, por ejemplo, una nanopartícula de oro puede ser roja, naranja, púrpura o hasta verdosa. Cambian también sus otras propiedades físicas y químicas. La investigación en nanotecnolgía busca entender y aprovechar estas nuevas propiedades para fabricar materiales e instrumentos que funcionen mejor.

      El uso de las nanoestructuras no es nuevo. Nuestros antepasados fabricaron un material que hoy se conoce como el azul maya, el cual fue usado muy frecuentemente en Mesoamérica.

      Figura 1. Foto de Bonampak, Chiapas, en donde se muestra el uso del azul maya (foto: Noboru Takeuchi).

      Hoy se sabe que dicha pintura está formada por una mezcla de índigo (el tinte de los pantalones de mezclilla) con arcilla, la cual tiene cavidades de tamaños nanoscópicos. Las moléculas de índigo quedan atrapadas en dichas cavidades, creando una estructura que le da al material su color y estabilidad característicos. Es por esto que el azul de los objetos y murales pintados con este material ha sobrevivido cientos de años en condiciones de temperatura y humedad extremas.

      Lo realmente nuevo de las nanociencias y la nanotecnología es la habilidad que hemos alcanzado para ver y manipular la materia a nivel de la nanoescala y entender las interacciones a esos tamaños tan pequeños.

      A finales del siglo XX se comenzaron a perfeccionar instrumentos que ya existían y se inventaron otros. Hoy existen unos poderosos microscopios que en lugar de usar la luz como los microscopios que conocemos, usan electrones. Se llaman microscopios electrónicos. Mira cómo se ve una hormiga usando ese microscopio.

      Figura 2. Imagen de microscopia electrónica de una hormiga (cortesía de Darthmuth College).

      En los años ochenta se inventó el microscopio de efecto túnel stm (siglas en inglés de scanning tunneling microscope). Este microscopio ha jugado un papel muy importante en el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología. El funcionamiento del stm es completamente diferente al de los microscopios ópticos o electrónicos tradicionales. Si tenemos un objeto y queremos saber su forma, podemos “verlo”, tocándolo con la mano para sentir los diferentes contornos del objeto. De esta manera estamos usando nuestra mano para estudiar el objeto. El stm funciona de manera similar: tantea la superficie con algo equivalente a la mano: una punta metálica que termina en unos cuantos átomos, aunque no hay contacto entre la punta y la superficie.

      Con este microscopio podemos ver átomos, también podemos moverlos como observamos en la figura siguiente.

      Figura 3. Imágenes de STM de la formación de una nanoestructura circular (cortesía del profesor Saw Hla, Ohio University).

      Con otros instrumentos podemos “pintar con átomos”. Si quieres pintar tu bicicleta, no usas una brocha, usas un aerosol para obtener un terminado uniforme. Dentro del bote de aerosol tienes la pintura, la cual es expulsada en forma de un fino rocío que cae sobre la superficie de tu bicicleta. Al principio tienes una capa muy delgada de pintura. Si quieres que tu bici se vea bonita, debes depositarle más capas de pintura. De una manera similar funcionan los aparatos mbe. Por medio de “hornos” diminutos se producen los haces de átomos o moléculas que luego se dejan caer en una superficie (como la pintura en tu bici). Por medio de computadoras, se pueden controlar los ingredientes y la cantidad de material que se quiere fabricar.

      Figura 4. Aparato que permite la fabricación de materiales con precisión atómica capa por capa (foto: Noboru Takeuchi).

      De esta forma puedes fabricar los diodos emisores de luz o leds. Éstos se usan, por ejemplo, en los semáforos nuevos, los que se ven como con puntitos, también en las televisiones de alta definición y en los focos de luz que son ahorradores de energía.

      Figura 5. Semáforo con LEDS (foto: Noboru Takeuchi).

      También puedes fabricar nanoestructuras usando métodos químicos, controlando la forma como reaccionan los átomos y las moléculas; o usando seres vivos como plantas o bacterias.

      Bueno, y todo esto, ¿para qué sirve?

      Se cree que la nanociencia y la nanotecnologia van a usarse en muchas áreas y que van a traernos beneficios en múltiples aspectos de nuestra vida. Algunas aplicaciones las encontramos en: nuevos materiales con propiedades especiales, más resistentes y livianos. Ya existen productos que usan nanociencia y nanotecnología: pelotas de tenis que duran más; raquetas de tenis más resistentes, pero más livianas; pinturas y revestimientos contra la corrosión, rayado o radiación; recubrimientos protectores que reducen el brillo de la luz, usados en los vidrios de automóviles; herramientas para cortar los metales; en los bloqueadores de sol y los cosméticos; en la ropa y los colchones que no se manchan.

       En la protección del medio ambiente: en catálisis, para fabricar mejores y más baratos catalizadores que contaminen menos; en la refinación del petróleo y hacer el carbono menos contaminante.

       En la obtención de formas alternativas de energía: en la fabricación de celdas solares más livianas, flexibles y baratas; en la obtención de luz blanca más eficiente, con diodos emisores de luz (LEDS); en el almacenamiento de hidrógeno como combustible.

       En la computación: en computadoras cada vez más potentes, rápidas y baratas, para aumentar la capacidad de almacenamiento de la información.

       En odontología: en nuevos materiales y aleaciones para tapar las cavidades.

       En medicina: para transporte de medicamento; como marcadores médicos, por ejemplo para detectar los tumores; en el tratamiento de enfermedades como el cáncer usando nanopartículas y radiación infrarroja para quemar tumores; en prótesis con nuevos materiales

       En ingeniería: en nuevos materiales, más resistentes y livianos.

      Son tantas las aplicaciones de las nanociencias