La Nanotecnología fue definida por la Iniciativa Nacional de Nanotecnología como la manipulación de materia con al menos una dimensión de 1 a 100 nanómetros (nm). En esta escala, comúnmente conocida como nanoescala , el área de superficie y los efectos de la mecánica cuántica se vuelven importantes para describir las propiedades de la materia. La definición de nanotecnología incluye todos los tipos de investigación y tecnologías que se ocupan de estas propiedades especiales. Por lo tanto, es común ver la forma plural "nanotecnologías", así como "tecnologías a nanoescala", para referirse a la amplia gama de investigaciones y aplicaciones cuyo rasgo común es el tamaño. [1] Una descripción anterior de la nanotecnología se refería al objetivo tecnológico particular de manipular con precisión átomos y moléculas para la fabricación de productos a macroescala, también conocida ahora como nanotecnología molecular . [2]
La nanotecnología, definida por su tamaño, es naturalmente amplia e incluye campos de la ciencia tan diversos como ciencia de superficies , química orgánica , biología molecular , física de semiconductores , almacenamiento de energía , [3] [4] ingeniería , [5] microfabricación , [6] e ingeniería molecular. . [7] Las investigaciones y aplicaciones asociadas son igualmente diversas, desde extensiones de la física de dispositivos convencionales hasta enfoques completamente nuevos basados en el autoensamblaje molecular , [8] desde el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescala hasta el control directo de la materia en la escala atómica. escala .
Los científicos debaten actualmente las implicaciones futuras de la nanotecnología . La nanotecnología puede crear muchos materiales y dispositivos nuevos con una amplia gama de aplicaciones , como en nanomedicina , nanoelectrónica , producción de energía con biomateriales y productos de consumo. Por otro lado, la nanotecnología plantea muchos de los mismos problemas que cualquier nueva tecnología, incluidas las preocupaciones sobre la toxicidad y el impacto ambiental de los nanomateriales, [9] y sus efectos potenciales en la economía global, así como especulaciones sobre varios escenarios apocalípticos . Estas preocupaciones han llevado a un debate entre grupos de defensa y gobiernos sobre si se justifica una regulación especial de la nanotecnología .
Los conceptos que dieron origen a la nanotecnología fueron discutidos por primera vez en 1959 por el físico Richard Feynman en su charla Hay mucho espacio en el fondo , en la que describió la posibilidad de síntesis mediante la manipulación directa de átomos.
El término "nanotecnología" fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, aunque no era muy conocido. Inspirándose en los conceptos de Feynman, K. Eric Drexler utilizó el término "nanotecnología" en su libro de 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , que proponía la idea de un "ensamblador" a nanoescala que sería capaz de construir una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria con control atómico. También en 1986, Drexler cofundó The Foresight Institute (al que ya no está afiliado) para ayudar a aumentar la conciencia pública y la comprensión de los conceptos e implicaciones de la nanotecnología.
El surgimiento de la nanotecnología como campo en la década de 1980 se produjo gracias a la convergencia del trabajo teórico y público de Drexler, que desarrolló y popularizó un marco conceptual para la nanotecnología, y avances experimentales de alta visibilidad que atrajeron una atención adicional a gran escala sobre las perspectivas del control atómico de la energía atómica. asunto. En la década de 1980, dos avances importantes provocaron el crecimiento de la nanotecnología en la era moderna. En primer lugar, la invención del microscopio de efecto túnel en 1981, que permitió la visualización de átomos y enlaces individuales, y se utilizó con éxito para manipular átomos individuales en 1989. Los desarrolladores del microscopio, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer , del Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, recibieron el Premio Nobel de Física. en 1986. [10] [11] Binnig, Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese año.
En segundo lugar, los fullerenos fueron descubiertos en 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley y Robert Curl , quienes juntos ganaron el Premio Nobel de Química en 1996 . [12] [13] El C 60 no se describió inicialmente como nanotecnología; El término se utilizó en relación con trabajos posteriores con nanotubos de carbono relacionados (a veces llamados tubos de grafeno o tubos Bucky), que sugirieron aplicaciones potenciales para dispositivos y dispositivos electrónicos a nanoescala. El descubrimiento de los nanotubos de carbono se atribuye en gran medida a Sumio Iijima de NEC en 1991, [14] por el cual Iijima ganó el Premio Kavli inaugural de 2008 en Nanociencia.
A principios de la década de 2000, el campo atrajo una mayor atención científica, política y comercial que generó controversia y progreso. Surgieron controversias con respecto a las definiciones y las posibles implicaciones de las nanotecnologías, ejemplificadas por el informe de la Royal Society sobre nanotecnología. [15] Se plantearon desafíos con respecto a la viabilidad de las aplicaciones previstas por los defensores de la nanotecnología molecular, que culminaron en un debate público entre Drexler y Smalley en 2001 y 2003. [16]
Mientras tanto, comenzó a surgir la comercialización de productos basados en avances en tecnologías a nanoescala. Estos productos se limitan a aplicaciones masivas de nanomateriales y no implican control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen la plataforma Silver Nano para usar nanopartículas de plata como agente antibacteriano, protectores solares transparentes a base de nanopartículas , fortalecimiento de la fibra de carbono usando nanopartículas de sílice y nanotubos de carbono para textiles resistentes a las manchas. [17] [18]
Los gobiernos actuaron para promover y financiar la investigación en nanotecnología, como en Estados Unidos con la Iniciativa Nacional de Nanotecnología , que formalizó una definición de nanotecnología basada en el tamaño y estableció financiación para la investigación en la nanoescala, y en Europa a través de los Programas Marco Europeos de Investigación y Desarrollo tecnológico .
A mediados de la década de 2000 comenzó a florecer una atención científica nueva y seria. Surgieron proyectos para producir hojas de ruta de nanotecnología [19] [20] que se centran en la manipulación atómicamente precisa de la materia y discuten capacidades, objetivos y aplicaciones existentes y proyectadas.
La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. Esto cubre tanto el trabajo actual como los conceptos más avanzados. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la capacidad proyectada para construir elementos de abajo hacia arriba, utilizando técnicas y herramientas que se están desarrollando hoy para fabricar productos completos y de alto rendimiento.
Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte, o 10 −9 , de un metro. En comparación, las longitudes típicas de los enlaces carbono-carbono , o el espacio entre estos átomos en una molécula , están en el rango de 0,12 a 0,15 nm , y una doble hélice de ADN tiene un diámetro de alrededor de 2 nm. Por otro lado, las formas de vida celulares más pequeñas , las bacterias del género Mycoplasma , miden alrededor de 200 nm de longitud. Por convención, la nanotecnología se toma en el rango de escala de 1 a 100 nm siguiendo la definición utilizada por la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de Estados Unidos. El límite inferior lo establece el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen aproximadamente un cuarto de nm de diámetro cinético ), ya que la nanotecnología debe construir sus dispositivos a partir de átomos y moléculas. El límite superior es más o menos arbitrario, pero ronda el tamaño por debajo del cual los fenómenos que no se observan en estructuras más grandes comienzan a hacerse evidentes y pueden utilizarse en el nanodispositivo. [21] Estos nuevos fenómenos diferencian la nanotecnología de los dispositivos que son simplemente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; Estos dispositivos son de mayor escala y se denominan microtecnología . [22]
Para poner esa escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro con un metro es el mismo que el de una canica con el tamaño de la Tierra. [23] O de otra manera decirlo: un nanómetro es la cantidad que crece la barba de un hombre promedio en el tiempo que le toma llevar la navaja a la cara. [23]
En la nanotecnología se utilizan dos enfoques principales. En el enfoque "de abajo hacia arriba", los materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se ensamblan químicamente según principios de reconocimiento molecular . [24] En el enfoque "de arriba hacia abajo", los nanoobjetos se construyen a partir de entidades más grandes sin control a nivel atómico. [25]
Áreas de la física como la nanoelectrónica , la nanomecánica , la nanofotónica y la nanoiónica han evolucionado durante las últimas décadas para proporcionar una base científica básica de la nanotecnología.
Varios fenómenos se vuelven pronunciados a medida que disminuye el tamaño del sistema. Estos incluyen efectos mecánicos estadísticos , así como efectos mecánicos cuánticos , por ejemplo el " efecto de tamaño cuántico ", donde las propiedades electrónicas de los sólidos se alteran con grandes reducciones en el tamaño de las partículas. Este efecto no se produce al pasar de la dimensión macro a la micro. Sin embargo, los efectos cuánticos pueden volverse significativos cuando se alcanza el rango de tamaño nanométrico, típicamente a distancias de 100 nanómetros o menos, el llamado reino cuántico . Además, una serie de propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) cambian en comparación con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento de la relación superficie-volumen que altera las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales. La difusión y las reacciones a nanoescala, los materiales nanoestructurados y los nanodispositivos con transporte rápido de iones generalmente se denominan nanoiónicos. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de interés en la investigación en nanomecánica. La actividad catalítica de los nanomateriales también abre riesgos potenciales en su interacción con los biomateriales .
Los materiales reducidos a nanoescala pueden mostrar propiedades diferentes en comparación con las que exhiben a macroescala, lo que permite aplicaciones únicas. Por ejemplo, las sustancias opacas pueden volverse transparentes (cobre); los materiales estables pueden volverse combustibles (aluminio); Los materiales insolubles pueden volverse solubles (oro). Un material como el oro, que es químicamente inerte a escalas normales, puede servir como un potente catalizador químico a nanoescala. Gran parte de la fascinación por la nanotecnología proviene de estos fenómenos cuánticos y superficiales que la materia exhibe en la nanoescala. [26]
La química sintética moderna ha llegado al punto en que es posible preparar moléculas pequeñas para casi cualquier estructura. Estos métodos se utilizan hoy en día para fabricar una amplia variedad de productos químicos útiles, como productos farmacéuticos o polímeros comerciales . Esta capacidad plantea la cuestión de extender este tipo de control al siguiente nivel más amplio, buscando métodos para ensamblar estas moléculas individuales en conjuntos supramoleculares que consten de muchas moléculas dispuestas de una manera bien definida.
Estos enfoques utilizan los conceptos de autoensamblaje molecular y/o química supramolecular para organizarse automáticamente en alguna conformación útil a través de un enfoque ascendente . El concepto de reconocimiento molecular es especialmente importante: las moléculas pueden diseñarse de manera que se favorezca una configuración o disposición específica debido a fuerzas intermoleculares no covalentes . Las reglas de emparejamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, al igual que la especificidad de que una enzima se dirija a un único sustrato o el plegamiento específico de la proteína misma. Por tanto, se pueden diseñar dos o más componentes para que sean complementarios y mutuamente atractivos, de modo que formen un todo más complejo y útil.
Estos enfoques ascendentes deberían ser capaces de producir dispositivos en paralelo y ser mucho más baratos que los métodos descendentes, pero podrían verse superados a medida que aumenta el tamaño y la complejidad del conjunto deseado. La mayoría de las estructuras útiles requieren disposiciones de átomos complejas y termodinámicamente improbables. Sin embargo, hay muchos ejemplos de autoensamblaje basado en el reconocimiento molecular en biología , sobre todo el par de bases de Watson-Crick y las interacciones enzima-sustrato. El desafío para la nanotecnología es si estos principios pueden usarse para diseñar nuevas construcciones además de las naturales.
La nanotecnología molecular, a veces llamada fabricación molecular, describe nanosistemas diseñados (máquinas a nanoescala) que operan a escala molecular. La nanotecnología molecular está especialmente asociada con el ensamblador molecular , una máquina que puede producir una estructura o dispositivo deseado átomo por átomo utilizando los principios de la mecanosíntesis . La fabricación en el contexto de los nanosistemas productivos no está relacionada con las tecnologías convencionales utilizadas para fabricar nanomateriales como los nanotubos y las nanopartículas de carbono, y debe distinguirse claramente de ellas.
Cuando Eric Drexler acuñó y popularizó de forma independiente el término "nanotecnología" (quien en ese momento desconocía un uso anterior por parte de Norio Taniguchi), se refería a una futura tecnología de fabricación basada en sistemas de máquinas moleculares . La premisa era que las analogías biológicas a escala molecular de los componentes de las máquinas tradicionales demostraban que las máquinas moleculares eran posibles: por los innumerables ejemplos encontrados en biología, se sabe que se pueden producir máquinas biológicas sofisticadas y estocásticamente optimizadas .
Se espera que los avances en nanotecnología hagan posible su construcción por otros medios, tal vez utilizando principios biomiméticos . Sin embargo, Drexler y otros investigadores [27] han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizás inicialmente implementada por medios biomiméticos, en última instancia podría basarse en principios de ingeniería mecánica, es decir, una tecnología de fabricación basada en la funcionalidad mecánica de estos componentes (como engranajes, cojinetes, motores y miembros estructurales) que permitirían un ensamblaje posicional programable según las especificaciones atómicas. [28] El rendimiento de la física y la ingeniería de diseños ejemplares se analizó en el libro de Drexler Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation . [2]
En general, es muy difícil montar dispositivos a escala atómica, ya que hay que colocar átomos sobre otros átomos de tamaño y adherencia comparables. Otro punto de vista, presentado por Carlo Montemagno , [29] es que los nanosistemas futuros serán híbridos de tecnología de silicio y máquinas moleculares biológicas. Richard Smalley argumentó que la mecanosíntesis es imposible debido a las dificultades para manipular mecánicamente moléculas individuales.
Esto dio lugar a un intercambio de cartas en la publicación de la ACS Chemical & Engineering News en 2003. [30] Aunque la biología demuestra claramente que los sistemas de máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas están hoy en día sólo en su infancia. Los líderes en la investigación sobre máquinas moleculares no biológicas son Alex Zettl y sus colegas de Lawrence Berkeley Laboratories y UC Berkeley. [31] Han construido al menos tres dispositivos moleculares distintos cuyo movimiento se controla desde el escritorio con un voltaje cambiante: un nanomotor de nanotubos , un actuador molecular, [32] y un oscilador de relajación nanoelectromecánico. [33] Véase nanomotor de nanotubos para obtener más ejemplos.
Ho y Lee realizaron un experimento que indica que el ensamblaje molecular posicional es posible en la Universidad de Cornell en 1999. Utilizaron un microscopio de efecto túnel para mover una molécula individual de monóxido de carbono (CO) a un átomo de hierro (Fe) individual colocado sobre una superficie plana de plata. cristal, y unió químicamente el CO al Fe aplicando un voltaje.
El campo de los nanomateriales incluye subcampos que desarrollan o estudian materiales que tienen propiedades únicas que surgen de sus dimensiones a nanoescala. [36]
Estos buscan organizar componentes más pequeños en conjuntos más complejos.
Estos buscan crear dispositivos de menor tamaño utilizando otros de mayor tamaño para dirigir su montaje.
Estos buscan desarrollar componentes de una funcionalidad deseada sin tener en cuenta cómo podrían ensamblarse.
Estos subcampos buscan anticipar qué invenciones podría producir la nanotecnología, o intentar proponer una agenda a lo largo de la cual la investigación podría avanzar. Estos suelen adoptar una visión global de la nanotecnología, con más énfasis en sus implicaciones sociales que en los detalles de cómo podrían crearse realmente tales invenciones.
Los nanomateriales se pueden clasificar en nanomateriales 0D, 1D, 2D y 3D . La dimensionalidad juega un papel importante en la determinación de las características de los nanomateriales, incluidas las características físicas, químicas y biológicas . Con la disminución de la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación superficie-volumen. Esto indica que los nanomateriales de dimensiones más pequeñas tienen una mayor superficie en comparación con los nanomateriales 3D. Recientemente, se investigan ampliamente los nanomateriales bidimensionales (2D) para aplicaciones electrónicas , biomédicas , de administración de fármacos y de biosensores .
Hay varios desarrollos modernos importantes. El microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de efecto túnel (STM) son dos de las primeras versiones de las sondas de barrido que impulsaron la nanotecnología. Existen otros tipos de microscopía de sonda de barrido . Aunque conceptualmente son similares al microscopio confocal de barrido desarrollado por Marvin Minsky en 1961 y al microscopio acústico de barrido (SAM) desarrollado por Calvin Quate y sus colaboradores en la década de 1970, los microscopios de sonda de barrido más nuevos tienen una resolución mucho mayor, ya que no están limitados por la longitud de onda de sonido o luz.
La punta de una sonda de escaneo también se puede utilizar para manipular nanoestructuras (un proceso llamado ensamblaje posicional). La metodología de escaneo orientada a funciones puede ser una forma prometedora de implementar estas nanomanipulaciones en modo automático. [54] [55] Sin embargo, este es todavía un proceso lento debido a la baja velocidad de escaneo del microscopio.
También se desarrollaron diversas técnicas de nanolitografía como la litografía óptica , la litografía de rayos X , la nanolitografía con pluma de inmersión, la litografía por haz de electrones o la litografía por nanoimpresión . La litografía es una técnica de fabricación de arriba hacia abajo en la que el tamaño de un material a granel se reduce a un patrón a nanoescala.
Otro grupo de técnicas nanotecnológicas incluye las utilizadas para la fabricación de nanotubos y nanocables , las utilizadas en la fabricación de semiconductores, como la litografía ultravioleta profunda, la litografía por haz de electrones, el mecanizado por haz de iones enfocado, la litografía por nanoimpresión, la deposición de capas atómicas y la deposición de vapor molecular, entre otras. técnicas de autoensamblaje molecular tales como aquellas que emplean copolímeros dibloque. Los precursores de estas técnicas precedieron a la era de la nanotecnología y son extensiones en el desarrollo de avances científicos más que técnicas que fueron ideadas con el único propósito de crear nanotecnología y que fueron resultados de la investigación en nanotecnología. [56]
El enfoque de arriba hacia abajo anticipa nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, de manera muy similar a como se fabrican los artículos manufacturados. La microscopía de sonda de barrido es una técnica importante tanto para la caracterización como para la síntesis de nanomateriales. Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de efecto túnel se pueden utilizar para observar superficies y mover átomos. Al diseñar diferentes puntas para estos microscopios, se pueden utilizar para tallar estructuras en superficies y para ayudar a guiar estructuras de autoensamblaje. Al utilizar, por ejemplo, un enfoque de escaneo orientado a características, se pueden mover átomos o moléculas sobre una superficie con técnicas de microscopía de sonda de barrido. [54] [55] En la actualidad, su producción en masa es costosa y requiere mucho tiempo, pero es muy adecuada para la experimentación en laboratorio.
Por el contrario, las técnicas ascendentes construyen o hacen crecer estructuras más grandes átomo por átomo o molécula por molécula. Estas técnicas incluyen la síntesis química, el autoensamblaje y el ensamblaje posicional. La interferometría de polarización dual es una herramienta adecuada para la caracterización de películas delgadas autoensambladas. Otra variación del enfoque ascendente es la epitaxia de haz molecular o MBE. Investigadores de Bell Telephone Laboratories como John R. Arthur. Alfred Y. Cho y Art C. Gossard desarrollaron e implementaron MBE como herramienta de investigación a finales de los años sesenta y setenta. Las muestras obtenidas por MBE fueron clave para el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccionario por el que se concedió el Premio Nobel de Física en 1998. MBE permite a los científicos establecer capas de átomos atómicamente precisas y, en el proceso, construir estructuras complejas. Importante para la investigación sobre semiconductores, el MBE también se utiliza ampliamente para fabricar muestras y dispositivos para el campo recientemente emergente de la espintrónica .
Sin embargo, se están desarrollando nuevos productos terapéuticos, basados en nanomateriales sensibles, como las vesículas Transfersome ultradeformables y sensibles al estrés , que ya están aprobados para uso humano en algunos países. [57]
Al 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes estima que más de 800 productos nanotecnológicos identificados por fabricantes están disponibles públicamente, y que otros nuevos llegan al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. [18] El proyecto enumera todos los productos en una base de datos en línea de acceso público. La mayoría de las aplicaciones se limitan al uso de nanomateriales pasivos de "primera generación", que incluyen dióxido de titanio en protectores solares, cosméticos, revestimientos de superficies [58] y algunos productos alimenticios; Alótropos de carbono utilizados para producir cinta gecko ; plata en envases de alimentos , ropa, desinfectantes y electrodomésticos; óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, revestimientos de superficies, pinturas y barnices para muebles de exterior; y óxido de cerio como catalizador de combustible. [17]
Otras aplicaciones permiten que las pelotas de tenis duren más, las pelotas de golf vuelen más rectas e incluso las bolas de bolos sean más duraderas y tengan una superficie más dura. Los pantalones y calcetines han sido infundidos con nanotecnología para que duren más y mantengan a la gente fresca en el verano. Se están infundiendo nanopartículas de plata en vendajes para curar los cortes más rápido. [59] Las consolas de videojuegos y las computadoras personales pueden volverse más baratas, más rápidas y contener más memoria gracias a la nanotecnología. [60] Además, para construir estructuras para la computación en chip con luz, por ejemplo, procesamiento de información cuántica óptica en chip y transmisión de información en picosegundos. [61]
La nanotecnología puede tener la capacidad de hacer que las aplicaciones médicas existentes sean más baratas y más fáciles de usar en lugares como los consultorios de los médicos generales y en los hogares. [62] Los automóviles se fabrican utilizando nanomateriales de tal manera que las piezas de automóviles requieren menos metales durante la fabricación y menos combustible para funcionar en el futuro. [63]
La nanoencapsulación es una tecnología que implica el encerramiento de sustancias activas dentro de portadores o partículas de tamaño nanométrico. Normalmente, estos vehículos son nanopartículas que ofrecen diversas ventajas, como biodisponibilidad mejorada, liberación controlada, administración dirigida y protección de las sustancias encapsuladas. En el campo médico, la nanoencapsulación juega un papel importante en la administración de fármacos y las estrategias terapéuticas. Facilita una administración de medicamentos más eficiente, minimiza los efectos secundarios y aumenta la efectividad del tratamiento al encapsular los medicamentos dentro de nanopartículas. La nanoencapsulación es particularmente útil para mejorar la biodisponibilidad de fármacos poco solubles en agua, permitiendo una liberación controlada y sostenida de fármacos y apoyando el desarrollo de terapias dirigidas. Estas características contribuyen colectivamente a los avances en los tratamientos médicos y la atención al paciente. [64] [65]
Los científicos ahora están recurriendo a la nanotecnología en un intento de desarrollar motores diésel con gases de escape más limpios. Actualmente se utiliza platino como catalizador de motores diésel en estos motores. El catalizador es lo que limpia las partículas de los gases de escape. Primero, se emplea un catalizador de reducción para tomar átomos de nitrógeno de las moléculas de NOx con el fin de liberar oxígeno. A continuación, el catalizador de oxidación oxida los hidrocarburos y el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono y agua. [ cita necesaria ] El platino se utiliza tanto en los catalizadores de reducción como en los de oxidación. [66] Sin embargo, el uso de platino es ineficiente porque es costoso e insostenible. La empresa danesa InnovationsFonden invirtió 15 millones de coronas danesas en la búsqueda de nuevos sustitutos de catalizadores utilizando nanotecnología. El objetivo del proyecto, iniciado en otoño de 2014, es maximizar la superficie y minimizar la cantidad de material necesario. Los objetos tienden a minimizar su energía superficial; dos gotas de agua, por ejemplo, se unirán para formar una gota y disminuirán el área de superficie. Si se maximiza el área de superficie del catalizador que está expuesta a los gases de escape, se maximiza la eficiencia del catalizador. El equipo que trabaja en este proyecto tiene como objetivo crear nanopartículas que no se fusionen. Cada vez que se optimiza la superficie se ahorra material. Por lo tanto, la creación de estas nanopartículas aumentará la eficacia del catalizador del motor diésel resultante, lo que a su vez generará gases de escape más limpios, y reducirá los costos. Si tiene éxito, el equipo espera reducir el uso de platino en un 25%. [67]
La nanotecnología también desempeña un papel destacado en el campo de rápido desarrollo de la ingeniería de tejidos . Al diseñar andamios, los investigadores intentan imitar las características a nanoescala del microambiente de una célula para dirigir su diferenciación hacia un linaje adecuado. [68] Por ejemplo, al crear estructuras para apoyar el crecimiento óseo, los investigadores pueden imitar los pozos de resorción de osteoclastos . [69]
Los investigadores han utilizado con éxito nanobots basados en origami de ADN capaces de llevar a cabo funciones lógicas para lograr la administración selectiva de fármacos en cucarachas. Se dice que el poder computacional de estos nanobots se puede escalar hasta el de un Commodore 64 . [70]
Un área de preocupación es el efecto que la fabricación y el uso de nanomateriales a escala industrial tendrían en la salud humana y el medio ambiente, como sugiere la investigación en nanotoxicología . Por estas razones, algunos grupos abogan por que la nanotecnología sea regulada por los gobiernos. Otros responden que una regulación excesiva sofocaría la investigación científica y el desarrollo de innovaciones beneficiosas. Las agencias de investigación de salud pública , como el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional, están realizando activamente investigaciones sobre los posibles efectos en la salud derivados de la exposición a nanopartículas. [71] [72]
Algunos productos de nanopartículas pueden tener consecuencias no deseadas . Los investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata bacteriostáticas utilizadas en los calcetines para reducir el olor de los pies se liberan durante el lavado. [73] Estas partículas luego se arrojan a la corriente de aguas residuales y pueden destruir bacterias que son componentes críticos de los ecosistemas naturales, las granjas y los procesos de tratamiento de desechos. [74]
Las deliberaciones públicas sobre la percepción del riesgo en los EE. UU. y el Reino Unido llevadas a cabo por el Centro para la Nanotecnología en la Sociedad encontraron que los participantes eran más positivos acerca de las nanotecnologías para aplicaciones energéticas que para aplicaciones sanitarias, y las aplicaciones sanitarias planteaban dilemas morales y éticos como el costo y la disponibilidad. [75]
Los expertos, incluido el director del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, David Rejeski, han testificado [76] que la comercialización exitosa depende de una supervisión adecuada, una estrategia de investigación de riesgos y la participación pública. Berkeley, California, es actualmente la única ciudad de Estados Unidos que regula la nanotecnología; [77] En 2008, Cambridge, Massachusetts, consideró promulgar una ley similar, [78] pero finalmente la rechazó. [79]
Las nanofibras se utilizan en varias áreas y en diferentes productos, desde alas de aviones hasta raquetas de tenis. La inhalación de nanopartículas y nanofibras transportadas por el aire puede provocar una serie de enfermedades pulmonares , por ejemplo, fibrosis . [80] Los investigadores han descubierto que cuando las ratas inhalaron nanopartículas, las partículas se depositaron en el cerebro y los pulmones, lo que provocó aumentos significativos en los biomarcadores de inflamación y respuesta al estrés [81] y que las nanopartículas inducen el envejecimiento de la piel a través del estrés oxidativo en ratones sin pelo. [82] [83]
Un estudio de dos años de duración en la Escuela de Salud Pública de UCLA encontró que ratones de laboratorio que consumían nanodióxido de titanio mostraron daños en el ADN y los cromosomas en un grado "relacionado con todas las grandes causas de muerte del hombre, a saber, el cáncer, las enfermedades cardíacas, las enfermedades neurológicas y el envejecimiento". [84]
Un estudio de Nature Nanotechnology sugiere que algunas formas de nanotubos de carbono , un ejemplo de la "revolución de la nanotecnología", podrían ser tan dañinos como el asbesto si se inhalan en cantidades suficientes. Anthony Seaton , del Instituto de Medicina Ocupacional de Edimburgo, Escocia, que contribuyó al artículo sobre nanotubos de carbono , dijo: "Sabemos que algunos de ellos probablemente tienen el potencial de causar mesotelioma. Por lo tanto, ese tipo de materiales deben manipularse con mucho cuidado". [85] En ausencia de regulaciones específicas por parte de los gobiernos, Paull y Lyons (2008) han pedido una exclusión de las nanopartículas diseñadas en los alimentos. [86] Un artículo periodístico informa que los trabajadores de una fábrica de pintura desarrollaron una enfermedad pulmonar grave y se encontraron nanopartículas en sus pulmones. [87] [88] [89] [90]
Los llamados a una regulación más estricta de la nanotecnología se han producido junto con un creciente debate relacionado con los riesgos de la nanotecnología para la salud y la seguridad humanas. [91] Existe un importante debate sobre quién es responsable de la regulación de la nanotecnología. Algunas agencias reguladoras actualmente cubren algunos productos y procesos de nanotecnología (en diversos grados) –al "integrar" la nanotecnología a las regulaciones existentes-, hay claras lagunas en estos regímenes. [92] Davies (2008) ha propuesto una hoja de ruta regulatoria que describe los pasos para abordar estas deficiencias. [93]
Las partes interesadas preocupadas por la falta de un marco regulatorio para evaluar y controlar los riesgos asociados con la liberación de nanopartículas y nanotubos han establecido paralelismos con la encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las "vacas locas"), la talidomida , los alimentos genéticamente modificados, [94] la energía nuclear, la salud reproductiva tecnologías, biotecnología y asbestosis . Andrew Maynard, asesor científico principal del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, concluye que no hay fondos suficientes para la investigación sobre la salud y la seguridad humanas y, como resultado, actualmente existe una comprensión limitada de los riesgos para la salud y la seguridad humana asociados con la nanotecnología. [95] Como resultado, algunos académicos han pedido una aplicación más estricta del principio de precaución , con retrasos en la aprobación de la comercialización, etiquetado mejorado y requisitos adicionales de desarrollo de datos de seguridad en relación con ciertas formas de nanotecnología. [96]
El informe de la Royal Society [15] identificó el riesgo de que se liberen nanopartículas o nanotubos durante la eliminación, la destrucción y el reciclaje, y recomendó que "los fabricantes de productos sujetos a regímenes de responsabilidad ampliada del productor, como las regulaciones sobre el final de su vida útil, publiquen procedimientos que describan cómo estos Los materiales se manejarán para minimizar la posible exposición humana y ambiental" (p. xiii).
El Centro para la Nanotecnología en la Sociedad ha descubierto que las personas responden a las nanotecnologías de manera diferente, según su aplicación (y los participantes en las deliberaciones públicas son más positivos sobre las nanotecnologías para la energía que para las aplicaciones sanitarias), lo que sugiere que cualquier llamado público a favor de nanoregulaciones puede diferir según el sector tecnológico. [75]
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