Nanotecnología: La pequeña (gran) revolución tecnológica

Debido a las limitaciones tecnológicas de aquella época, pasaron más de 20 años para que las investigaciones y desarrollos en la nanociencia surgieran, lo cual se debió en gran parte a la invención del microscopio de efecto túnel. Una vez contando con la tecnología adecuada, distintos trabajos de investigación han mostrado la posibilidad de cambiar las propiedades de ciertos materiales si se realizan modificaciones desde la estructura a nivel nanométrico.

Al trabajar con la materia a un tamaño cercano al de los átomos que lo conforman, las leyes clásicas de la física ya no son suficientes, de tal forma, los conceptos de mecánica cuántica resultan necesarios para tratar de explicar los nuevos comportamientos observados. Por ejemplo, a este nivel las fuerzas electromagnéticas se vuelven más significativas en comparación con las gravitacionales, además la naturaleza dual de la materia (onda-partícula) se hace más notoria.

Tal como se mencionó antes, mientras la nanociencia se encarga estudiar la materia a un nivel extremadamente pequeño, la disciplina que se encarga de aprovechar estas propiedades y fenómenos con el objetivo de solucionar algún problema se conoce como nanotecnología. Esta área busca crear materiales, dispositivos y sistemas con nuevas propiedades y funciones mediante la manipulación de diminutas estructuras.

Aunque es cierto que los principales avances en el área de la nanotecnología se han hecho en épocas recientes, la realidad es que desde hace muchísimos años ya se aprovechaban las propiedades de los materiales a este nivel. De hecho, la propia naturaleza ha utilizado estas características desde antes que nosotros. Un buen ejemplo de esto son las propiedades mecánicas de las conchas de ciertos animales, las cuales se explican gracias a la forma de las moléculas que las conforman y la posición como se encuentran acomodadas.

Otro excelente ejemplo de la naturaleza en donde el tamaño nano juega un papel importante es en los huesos. Este tejido rígido está compuesto de múltiples nanocompuestos, tanto orgánicos como inorgánicos, los cuales se encargan de proveer soporte mecánico y de transmitir señales fisicoquímicas y mecano químicas.

En la antigüedad, una de las principales áreas donde se usaban las propiedades de las nanopartículas era en los tintes. En el antiguo Egipto era común tener el cabello teñido de negro. Investigaciones relativamente recientes han encontrado restos de nanopartículas de galena (sulfuro de plomo) en diversos tintes de la época, los cuales se obtenían mezclando cal, óxido de plomo y agua.

Probablemente el caso más famoso del uso de nanotecnología en la antigüedad es el de la llamada Copa de Licurgo. Se trata de una copa de la época del antiguo imperio romano, la cual se caracteriza porque, dependiendo del área por la cual se ilumine, refleja distintos colores. Las investigaciones han mostrado el motivo de su comportamiento; se debe a la presencia de finas partículas de oro y plata dispersas entre los materiales que conforman dicha copa.

Algunas aplicaciones actuales de la nanotecnología

Una gran cantidad de campos científicos y tecnológicos se han beneficiado con los avances desarrollados por la nanotecnología. De manera particular, hay dos desarrollos fundamentales para muchos otros procesos y dispositivos de gran importancia en la actualidad: las nanopelículas y los nanotubos de carbono.

Al hablar de estos elementos, se hace referencia a materiales que se extienden indefinidamente a lo largo de dos dimensiones (es decir, sobre un plano), pero se encuentran restringidos a lo largo de la tercera dimensión. Dependiendo del material, espesor y técnica de fabricación, es posible obtener nanopelículas con propiedades muy interesantes.

Las celdas solares son un excelente ejemplo de la utilidad de las nanopelículas. Mediante una técnica conocida como evaporación térmica, se deposita una muy delgada capa de cierto material y se forma el producto en cuestión. Gracias a su pequeño tamaño, su buena eficiencia de conversión y su relativo bajo costo de fabricación son una buena opción para este tipo de generación de energía.

Otra aplicación interesante de estos nanomateriales es en la fabricación de sensores ultra pequeños, especialmente para el área médica. En este caso, la nanopelícula actúa como una membrana que limita la cantidad de biomoléculas cuando entran en contacto con una enzima dentro del sensor; llevan a cabo una reacción química y finalmente se obtiene una señal medible.

Si hay un nanomaterial protagonista de esta revolución científica y tecnológica, sin lugar a dudas se trata de los nanotubos de carbono. Imagina un material 10 veces más ligero que el acero, 100 veces más resistente, y a la vez, 10 000 veces más fino que un cabello humano. A estas peculiares propiedades mecánicas se debe agregar otra interesante propiedad, en este caso, eléctrica; pueden emplearse como conductores, semiconductores o aislantes.

La idea básica para fabricar estos materiales es sencilla; imagina tener un plano muy delgado de grafito y lo enrollas como si se tratara de una cartulina. Cabe mencionar que dicho proceso se podría hacer de diferentes maneras para que el plano se pueda enroscar de forma recta (paralelo al largo del plano) o con cierto ángulo. En función a la forma en la que se haga este proceso, se obtendrán distintas propiedades del nanotubo.

Las características anteriormente mencionadas los hacen ideales para aplicaciones donde se requiera una alta resistencia mecánica pero mucha ligereza. Un buen ejemplo de esto es el empleo de nanotubos de carbono para fabricar marcos de bicicletas de alto rendimiento, como las empleadas en el Tour de France.

En el campo de la electrónica, este nanomaterial es de mucha utilidad en la fabricación de transistores. Esto es debido a la posibilidad de manufacturar dispositivos cada vez más pequeños y además con una mayor densidad de corriente, en comparación con los tradicionales dispositivos hechos con silicón.

Son tantos los campos donde la nanotecnología está presente, que es imposible enlistarlos todos en un solo documento. Por mencionar otros casos de gran relevancia, podemos hablar del empleo de nanopartículas de oro para eliminar células cancerígenas, el uso de bionanopartículas en la fabricación de empaques más amigables con el medioambiente y el empleo de nanocristales para mejorar las propiedades del concreto y otros materiales de construcción.

La nanotecnología como ciencia convergente para la promoción científica

Sin lugar a duda, la nanotecnología ha jugado un papel importante en el progreso de la humanidad durante los últimos años. Gracias a este importante desarrollo tecnológico, retos como encontrar la cura contra el cáncer o satisfacer las demandas mundiales de energía eléctrica podrían llegar a ser resueltos. Para que esto algún día pueda ser posible, es fundamental el trabajo en conjunto con gobiernos, industrias, universidades para el apoyo y promoción de la investigación científica.

México cuenta con distintas universidades y centros de investigación enfocados a realizar investigación en este importante campo, entre los que destacan la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), donde se imparte la carrera de ingeniería en nanotecnología, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV).

Si todos los avances alcanzados se aceleraron gracias a la invención del microscopio de efecto túnel en 1981, ¿qué crees que nos deparará la nanotecnología en los años por venir? Probablemente, la imaginación humana será el único límite.

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