¿Cómo funciona la nanotecnología?

Diego Aguilera | 21 Mayo 2024

La nanotecnología es un término utilizado para definir áreas de la ciencia y la ingeniería en las cuales se estudian fenómenos que ocurren a dimensiones nanométricas en el diseño, la caracterización, la fabricación y las aplicaciones de materiales avanzados, estructuras, dispositivos [1]. Sin embargo el mundo de la nanotecnología es mucho más complicado que solamente decir que hablamos de "cosas muy muy pequeñas". Como Ingeniero en Nanotecnología, suelo escuchar mucho el comentario de:

"¿Puedes hacer nanorobots? o ¿Como el traje de Iron Man?"

Si bien, no dudo que hacer cualquiera de ambos sera muy interesante, en este artículo les narraré de manera más sencilla el alcance que tiene la nanotecnología realmente.

¿Que significa nanotecnología?

El término "nano" proviene del griego y significa "enano" (nános = enano). Por ello, la nanotecnología se trata de la modificación estructuras de solo unos pocos nanómetros de tamaño, siendo que un nanómetro es igual a una milmillonésima parte de un metro, es decir, 0.000000001 m.

Un solo átomo tiene aproximadamente 0.1 nm de tamaño. Por lo tanto, las nanoestructuras consisten en un número limitado de átomos y moléculas. Para que puedan dimensionar el tamaño, una molécula con un diámetro de 1 nm y una manzana tendrían una escala similar a comparar una manzana con el diámetro de la tierra.

Escala de una Buckybola (nanomaterial), una manzana y la tierra. Imagen obtenida de Swiss Nanoscience Institute [2]

A nivel nanométrico, las propiedades de los materiales experimentan cambios significativos. Aspectos como el punto de fusión, fluorescencia, conductividad eléctrica, permeabilidad magnética y reactividad química pueden variar drásticamente en función del tamaño de la partícula. Un ejemplo notable es el oro a escala nanométrica, que puede exhibir tonalidades rojas o moradas según el tamaño de la partícula, gracias a efectos cuánticos que alteran su interacción con la luz.

Esta diferencia en las propiedades se debe en gran parte a la relación área superficial-volumen mucho mayor que tienen los materiales a escala nanométrica en comparación con sus contrapartes de tamaño "regular". Este aumento en la relación área superficial-volumen conlleva a una mayor exposición de los materiales al entorno circundante, lo que puede acelerar considerablemente las reacciones químicas o su reactividad. Es por ello que ingenieros y científicos están aprovechando esta características para desarrollar nuevos productos y materiales con propiedades mejoradas o nunca antes vistas [3].

¿Como se trabaja con nanotecnología?

Como probablemente se lo imaginaron es bastante difícil poder ver algo tan pequeño, por ello es necesario utilizar instrumentos especializados que facilitan la labor de los científicos en trabajar con estos materiales. Particularmente y como un ejemplo les voy a hablar de dos en particular.

La primera técnica es la Microscopía de Fuerza Atómica (AFM), que es una técnica de imagen de alta resolución la cuál nos permite generar imágenes topológicas de la superficie de los materiales. Esta funciona utilizando un "cantilever" el cuál es una punta muy afilada (Tan afilada que nos permite generar mediciones a nivel cercano al atómico) la cuál se desliza sobre la superficie del material y conforme esta "sube y baja" por el, un láser detecta su movimiento. Generando con ello un patrón en la computadora, que se traduce en una imagen en 3D del material [4].

La segunda, siendo uno de los principales pilares analíticos de la nanotecnología es la microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés) la cuál es una técnica altamente versátil utilizada para obtener imágenes de alta resolución e información detallada de la superficie de muestras. Un microscopio electrónico de barrido (SEM) proyecta y escanea un flujo enfocado de electrones (Si, dispara un haz de electrones) sobre la superficie de una muestra y recoge las diferentes señales producidas mediante detectores especializados. Los electrones en el haz interactúan con los átomos dentro de la muestra, produciendo así diversas señales que pueden utilizarse para obtener información sobre la topografía y composición de la superficie en tiempo real [5].

¿Son estas las únicas técnicas que se utilizan para estudiar materiales dentro de esas escalas? No, existen muchas más técnicas como lo son la espectroscopía de resonancia magnética nuclear, la espectroscopía de infrarojo, difracción de rayos x por mencionar algunos. Sin embargo estos ejemplifican el nivel de complejidad que existe detrás del desarrollo de la nanotecnología.

¿Que aplicaciones tiene nanotecnología?

La nanotecnología realmente tiene aplicaciones en una gran cantidad de industrias y ciencias diferentes, mientras sean necesarios materiales existe la posibilidad de utilizar nanotecnología, sin embargo para ejemplificar como se ve el uso de nanomateriales en aplicaciones reales utilizaré 3 áreas de estudio.

Electrónica y computación:

La nanotecnología está transformando la fabricación de transistores, fundamentales en dispositivos como las computadoras. Los nanomateriales se perfilan como una alternativa atractiva gracias a sus características eléctricas superiores, capacidad de respuesta y diminuto tamaño. En particular, los nanotubos de carbono, altamente conductores, están impulsando la creación de transistores más compactos y rápidos. La capacidad de sintetizar nanotubos de carbono átomo por átomo permite su integración personalizada en chips, mejorando así el rendimiento y la eficiencia de los dispositivos electrónicos [6].

Medicina:

Algunas nanopartículas tienen posibles aplicaciones como instrumentos de diagnóstico novedosos, de imagenología, productos medicinales dirigidos (drug delivery en inglés), productos farmacéuticos, implantes biomédicos e ingeniería de tejidos. Hoy en día, tratamientos de alta toxicidad pueden administrarse con mayor seguridad utilizando nanotecnología, como fármacos quimioterapéuticos contra el cáncer. Además, dispositivos portátiles pueden detectar cambios cruciales en signos vitales, condiciones de células cancerosas e infecciones que realmente están ocurriendo en el cuerpo. En mi propia experiencia no solo los campos de investigación de tratamientos novedosos son de interés en la materia, sino que los de entrega eficiente de fármacos o mejora de la biodisponibilidad de los fármacos en el cuerpo (un área que afortunadamente pude experimentar en mi tésis profesional) son bastamente explorados y de gran interés ya que nos permiten buscar maneras de distribuir en el cuerpo de mejor manera fármacos ya existentes, lo que impacta directamente en su efectividad [1].

Energía:

La incorporación de nanomateriales en la industria de la construcción está aumentando dada las preocupaciónes que existen en la industria por la sostenibilidad. Los nanomateriales se añaden como agentes de unión en el cemento, mejorando las propiedades químicas y físicas de resistencia, durabilidad y trabajabilidad. Materiales como el dióxido de silicio, que antes también se utilizaban, ahora se fabrican a escala nanométrica. Estas nanoestructuras junto con aditivos poliméricos aumentan la densidad y la estabilidad de la suspensión de construcción. El aspecto del desarrollo sostenible se está aplicando a la fabricación de tecnologías modernas junto con aplicaciones beneficiosas de la nanotecnología [7].

Desafíos y consideraciones éticas

Si bien la nanotecnología, como enfoque en las ciencias de materiales, presenta un potencial enorme en diversas industrias y aplicaciones, aún enfrenta retos considerables en tres aspectos principales.

1. Seguridad a largo plazo: En aplicaciones médicas, alimentarias y de materiales en contacto con humanos, comprender los riesgos de toxicidad y seguridad a largo plazo de la exposición a nanopartículas es crucial. Sin embargo, estudios de tan extenso periodo no han sido posibles, por lo que se requiere un mayor rigor enfocado en la seguridad en el desarrollo de productos con nanopartículas o nanoestructuras.

2. Regulación y transparencia: La madurez o falta de regulaciones específicas para la nanotecnología obstaculiza su posicionamiento en el mercado. En México, la ausencia de legislaciones que regulen aspectos como seguridad, impacto ambiental, cantidades y límites permitidos, o incluso el etiquetado con términos como "nanotecnología" o "nanopartícula", abre la puerta a publicidad engañosa y productos sin respaldo científico.

3. Viabilidad ambiental y escalabilidad: Se requieren estudios que avalen la viabilidad ambiental de los productos nanotecnológicos y la sostenibilidad y eficiencia de sus procesos de escalamiento. Si bien este reto estará estrechamente ligado al avance tecnológico de las aplicaciones nanotecnológicas, es un aspecto que desarrolladores, mercado y gobierno deben considerar para un uso responsable de esta tecnología disruptiva.

Futuro de la nanotecnología

La nanotecnología está revolucionando diversos sectores, desde la medicina y la energía hasta la electrónica y los materiales de construcción . Los avances en nanomedicina ofrecen la esperanza de tratamientos más efectivos y menos invasivos para una amplia gama de enfermedades. La nanotecnología también está impulsando el desarrollo de fuentes de energía más limpias y eficientes, lo que es crucial para combatir el cambio climático y garantizar un futuro sostenible. Además, los dispositivos electrónicos más pequeños, rápidos y potentes impulsados por la nanotecnología están transformando la forma en que vivimos y trabajamos [7].

Sin embargo, a medida que la nanotecnología continúa avanzando, es importante considerar las implicaciones éticas y de seguridad que ella conlleva. Garantizar el desarrollo y uso responsables de la nanotecnología es fundamental para prevenir consecuencias no deseadas y riesgos potenciales para la salud humana y el medio ambiente. La colaboración entre investigadores, gobiernos y la industria será crucial para garantizar que la nanotecnología se utilice en beneficio de la humanidad [8].

Las implicaciones de la nanotecnología en la sociedad y la economía son profundas y multifacéticas. En el ámbito social, la capacidad de mejorar la calidad de vida a través de avances en la salud, la comunicación y la sostenibilidad ambiental puede reducir desigualdades y fomentar un mayor bienestar global. Económicamente, la nanotecnología tiene el potencial de generar nuevas industrias y mercados, impulsar la competitividad y crear empleos especializados. Sin embargo, también plantea desafíos, como la necesidad de regulaciones adecuadas y la posible disrupción de industrias tradicionales. Abordar estos aspectos de manera proactiva y equitativa será esencial para maximizar los beneficios de la nanotecnología y minimizar sus riesgos en México y el mundo.

Referencias:

[1] Haleem, A., Javaid, M., Singh, R. P., Rab, S., & Suman, R. (2023). Applications of nanotechnology in medical field: a brief review. Global Health Journal, 7(2), 70-77.

[2] Swiss Nanoscience Institute. What does nano mean?. University of Basel (Suiza). https://nanoscience.unibas.ch/en/ueber-uns/nanowissenschaften/was-bedeutet-nano/

[3] NNI. What Is So Special about “Nano”?. National Nanotechnology Initiative (Estados Unidos) https://www.nano.gov/about-nanotechnology/what-is-so-special-about-nano#:~:text=At%20the%20nanoscale%2C%20properties%20such,that%20occur%20at%20the%20nanoscale.

[4] G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber, Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930–933 (1986). doi: 10.1103/PhysRevLett.56.930 https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.56.930

[5] W. Zhou, R. Apkarian, Z. L. Wang and D. Joy, “Fundamentals of Scanning Electron Microscopy (SEM),” in Scanning Microscopy for Nanotechnology, Springer, 2007, pp. 1-40.

[6] Taha, T. B., Barzinjy, A. A., Hussain, F. H. S., & Nurtayeva, T. (2022). Nanotechnology and computer science: Trends and advances. Memories-Materials, Devices, Circuits and Systems, 2, 100011.

[7] Malik, S., Muhammad, K., & Waheed, Y. (2023). Nanotechnology: A revolution in modern industry. Molecules, 28(2), 661.

[8] Rajasekaran S. Recent trends in nanotechnology. SNS College of Engineering (India). (2023)