#13 NANOTECNOLOGIA

 NANOTECNOLOGIA

INTRODUCCION

La nanotecnología es un tema recurrente cuando se habla de tecnologías en desarrollo en este siglo XXI y ciertamente se están realizando descubrimientos importantes de su uso en actividades tan diversas como la ingeniería, la industria, la medicina y el ambiente pero está lejos de ser una tecnología nueva puesto que hay registros de su uso en el siglo XV para la elaboración de vidrios coloreados en los vitrales antiguos de las catedrales europeas. 

Modernamente, ya en 1965 el Premio Nobel de Física, Richard Feydman, hablaba de la posibilidad de síntesis de sustancias químicas mediante la manipulación de los átomos. En 1981 se inventó el microscopio de efecto túnel que permitió ver los átomos y sus enlaces (sus inventores ganaron el Nobel de Química en 1986) y en ese mismo año se inventó el microscopio de fuerza atómica análogo.

Al comienzo del Siglo XXI se publicó un reporte de la Real Sociedad de Química del Reino Unido sobre las posibles aplicaciones de la nanotecnología, una muestra del interés científico y comercial existente que, además de levantar polémicas, contribuyó a la popularización del tema.

En este blog vamos a tratar el tema destacando sus fundamentos, su importancia, algunas de sus manifestaciones en la naturaleza, sus aplicaciones industriales actuales y en desarrollo. También comentaremos sobre algunos aspectos de la tecnología que necesitan ser estudiados y quizás regulados.

¿QUÉ ES LA NANOTECNOLOGÍA?

Podemos definir la nanotecnología como la rama de la ciencia dedicada a la comprensión, manejo y control de la materia en una escala aproximada de 1 a 1000 nanometros (nm). En el Sistema Internacional de Unidades un nanómetro equivale a una milmillonésima parte de un metro (10⁻⁹ m).

Para tener una idea de magnitudes: un átomo tiene una longitud de 0,1 nm, una molécula de glucosa - 1nm, un virus - 100 nm, un cabello humano tiene un grosor de unos 80.000 nanometros. A esta escala, el comportamiento de los materiales no sigue las leyes de la física clásica que son reemplazadas por los llamados efectos de superficie y la mecánica cuántica.

Un cambio de paradigma que debemos conocer es el aumento exponencial de la relación superficie-volumen. En un objeto macroscópico, la mayoría de los átomos se encuentran en su interior y solo una fracción pequeña está en el área superficial expuesta. Sin embargo, al fragmentar ese mismo volumen en nanopartículas, la cantidad de átomos situados en la frontera exterior se multiplica exponencialmente.

Hagamos un ejercicio, tomemos un cubo de 10 milímetros de lado, su volumen es 10 mm x10 mm x10 mm = 1000 mm³, su área superficial es 6 caras de 10x10 = 600 mm² ó 6x10² mm² ó 6x10⁻⁴ m². Ahora, ese cubo de 10mm de lado, lo vamos a dividir en 1000 cubitos de 1 mm de lado, tenemos el mismo volumen puesto que es (10x 1mm) x(10x1mm) x(10x1mm) = 1000 mm³ y el área superficial es 1000 veces 6 caras de superficie 1mmx1mm = 1000 x 6 x 1x 1= 6000mm² =6x10⁻³ m². Pueden continuar haciendo cubitos cada vez menores hasta llegar a un cubito cuyo lado es 1 millonésima de milímetro, que es lo mismo que una milmillonésima de metro que acabamos de definir como un nanómetro (10⁻⁹ m), en ese momento tienen 1x10²¹ cubitos de 1x10⁻⁶ mm de lado, siguen teniendo un volumen total de 10³ mm³, el área total es 6x10⁹ mm² = 6x10³ m², 6.000 metros cuadrados de área para que ocurran reacciones químicas, transferencia de calor, adsorción de gases y/o actividad catalítica.

También adquieren importancia los efectos cuánticos. En estructuras lo suficientemente pequeñas, el movimiento de los electrones y los niveles de energía disponibles son diferentes de los observados en materiales de mayor tamaño. Este fenómeno permite modificar propiedades eléctricas y ópticas mediante el control de las dimensiones y de la composición del material.

Para los ingenieros que estamos en el área de la energía, la nanotecnología representa la posibilidad de mejoras en la eficiencia en baterías existentes y en las células solares que integran los paneles solares, desarrollo de nuevos tipos de baterías con mayor capacidad de almacenaje y vidas más largas, y nuevos y mejores catalizadores.

La importancia de la nanotecnología radica en que puede ayudarnos a cambiar la forma en que vivimos y trabajamos. Los científicos han desarrollado nuevos materiales y dispositivos que mejoran la eficiencia energética, la medicina, el ambiente y la electrónica. Además, abre nuevas posibilidades de desarrollo de procesos químicos y de reducción de la contaminación.

El área de ingeniería de materiales es una de las que presenta mas posibilidades de uso de la nanotecnología ya que la adición de una pequeña cantidad de material nanoscópico produce cambios en el comportamiento mecánico, térmico, eléctrico y/o químico del material macroscópico o dicho de otra forma: es posible incorporar nanopartículas, nanotubos o láminas nanométricas a una matriz de base polimérica, metálica o cerámica para cambar determinadas propiedades.

Otra área es la catálisis, como vimos anteriormente, incorporar una estructura nanométrica aumenta la cantidad de átomos disponibles para la reacción química reduciendo el consumo de materiales usualmente costosos, disminuyendo la producción de subproductos no deseados con el consiguiente aumento de la eficiencia del proceso.

NANOTECNOLOGÍA EN LA NATURALEZA

La naturaleza ha usado la ingeniería a escala nanométrica a lo largo de la evolución biológica, los organismos vivos utilizan nanosistemas muy eficientes para funciones de supervivencia, soporte mecánico y camuflaje, entre otras.

Uno de los ejemplos es la hoja del loto. Esta planta resulta ser auto limpiante. La hoja posee unas estructuras verticales de unos 100 nm de altura con una cera hidrofóbica en su tope logrando que los laterales estén llenos de aire. Al caerle agua, no puede fijarse sobre la cera y arrastra cualquier impureza. Ya existen pinturas, tejidos y recubrimientos que imitan este proceso.

Otro ejemplo son los colores estructurales. Especies de escarabajos, mariposas e inclusive aves como el pavo real exhiben colores intensos gracias a cristales fotónicos nanoscópicos que interfieren selectivamente con ciertas longitudes de onda de la luz natural. La ingeniería aplica estos conceptos para diseñar pantallas de ultra bajo consumo de energía, recubrimientos para edificaciones y tintas de seguridad imposibles de falsificar.

NANOMATERIALES, NANOPROCESOS Y NANOSISTEMAS

Los sistemas nanométricos se clasifican en tres niveles de complejidad: la materia prima o bloques básicos (nanomateriales), las metodologías de análisis y transformación (nanoprocesos), y los dispositivos integrados complejos (nanosistemas.

Nanomateriales según su dimensionalidad

Los nanomateriales se clasifican según el número de dimensiones espaciales que no se encuentran limitadas a la nanoescala, es decir, dimensiones fuera del rango de 1 a 100 nm:
Nanomateriales Cero Dimensionales (0D): Son aquellos en los que las tres dimensiones espaciales caen dentro de la escala nanométrica (de 1 a 100 nm). No hay ninguna dimensión macroscópica. Pertenecen a este grupo las nanopartículas esféricas (como nanopartículas de dióxido de titanio o de plata) y los puntos cuánticos, que son cristales semiconductores de pocos nanómetros donde los electrones están confinados en las tres direcciones espaciales.

Nanomateriales Unidimensionales (1D): Poseen dos dimensiones de nanoescala, mientras que una dimensión permanece libre y puede extenderse hasta micrómetros o centímetros. Los mas conocidos son los nanotubos de carbono, que son estructuras cilíndricas formadas por láminas enrolladas de grafito que poseen una resistencia a la tracción decenas de veces superior al acero estructural con una fracción de su peso y las nanofibras o nanohilos metálicos y las nanofibras poliméricas, utilizadas en textiles y en membranas de filtración (en la imagen: nanotubos de carbono. Escala: 1 micrón = 1000 nm) .

Nanomateriales Bidimensionales (2D): Tienen únicamente una dimensión confinada en la nanoescala (o sea, un grosor de unos pocos átomos o nanómetros), mientras que las otras dos dimensiones so N n macroscópicas, formando láminas a escala atómica. El mas conocido es el grafeno, una monocapa plana de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal tipo panal de abeja. El grafeno posee una conductividad eléctrica y térmica superior a la del cobre, transparencia óptica y una flexibilidad mecánica excepcional. En esta categoría se incluyen también los MXenes o MXenos (carburos y nitruros de metales de transición bidimensionales) y el disulfuro de molibdeno, materiales importantes para la electrónica flexible y el almacenamiento de energía.

Nanomateriales Tridimensionales (3D): Son materiales masivos que no tienen ninguna de sus dimensiones externas confinadas a la nanoescala (son macroscópicos), pero que están compuestos internamente por una red o matriz de estructuras nanométricas. Aquí se incluyen los nanocompuestos (matrices poliméricas, metálicas o cerámicas reforzadas internamente con nanopartículas o nanotubos), las nanoespumas, los aerogeles (materiales sólidos ultralivianos con porosidad nanométrica que ofrecen alto aislamiento térmico) y los materiales policristalinos con granos nanométricos.

Nanoprocesos

Estos son los métodos usados para fabricar, manipular y ensamblar las estructuras nanométricas.Se dividen en dos categorías: la primera se conoce como del tope hacia abajo y consiste en la miniaturización o reducción de material existente hasta la escala nanométrica. Existen procesos que permiten hacerlo como la litografía con haces de electrones o la nanoimpresión. La segunda es totalmente a la inversa, del fondo hacia el tope y aquí se construye desde el nivel de átomos y moléculas hacia estructuras mayores mediante técnicas como la síntesis de nanopartículas por reducción química, la dispersión coloidal o la deposición de hidrocarburos sobre bases metálicas para obtener nanotubos de carbono. Muchas de las estrategias de fabricación son híbridas pues tienen elementos de ambas categorías. Por lo extenso del tema de los procesos de fabricación, lo cubriremos en un blog aparte.

Nanosistemas

Un nanosistema es el nivel superior de integración, donde diversos nanomateriales y componentes nanométricos se ensamblan utilizando los procesos antes mencionados para construir un dispositivo con una función específica. Un ejemplo predominante son los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS, por su acrónimo en inglés), los cuales combinan actuadores mecánicos, nanotubos y sensores electrónicos en un solo chip de silicio para detectar variaciones ultrapequeñas de masa (como la masa de un virus o de una molécula de gas). Otro ejemplo importante son los biosensores analíticos integrados (llamados laboratorio en un chip) para hacer diagnósticos clínicos instantáneos (en desarrollo).

Aplicaciones Comerciales

Vamos a citar algunas aplicaciones comercializadas en la actualidad.

En el sector de la energía hay tres ya conocidas en el ambiente: los nanocatalizadores de alta eficiencia para la industria de refinación y petroquímica, las membranas de nanofiltración para desalinización y tratamiento de aguas y los nanomateriales para aislamiento térmico.

En el sector de la ingeniería civil se comercializan hormigones y morteros con nano-sílice o nanotubos para incrementar la resistencia mecánica, la impermeabilidad e inclusive con capacidad de autoreparación.

En el sector de la electrónica somos testigos de la aparición de transistores a escala nanométrica y de memorias de altísima densidad.

DESAFIOS

Hay algunos aspectos de la nanotecnología que requieren una evaluación rigurosa de los riesgos de los posibles procesos a industrializar pues como ingenieros somos responsables de los principios de competencia comercial, salud, ambiente y seguridad de los materiales y de los procesos. Entre ellos podemos mencionar la escalabilidad, la toxicidad, el impacto ambiental, la normalización y estandarización.

La escalabilidad de los procesos nanoscópicos es mas complicada puesto que sabemos que un material que presente excelentes resultados en un laboratorio no necesariamente es competitivo a escala industrial y en este caso pasamos de producir gramos de material a toneladas pudiendo ser muy costoso reproducir las condiciones fisicoquímicas del proceso pues requerimos equipos especializados e instalaciones controladas para garantizar su calidad.

La toxicidad de los nanomateriales ya es conocida. Los polvos y suspensiones son usualmente tóxicos para los pulmones y debemos diseñar procesos seguros para evitar la exposición del personal y de la comunidad vecina. Es necesario diseñar protocolos internacionales para manejo y transporte de estos nuevos materiales y hacer conscientes a los organismos de seguridad del manejo de emergencias relacionadas con ellos.

El impacto ambiental debe ser evaluado desde el principio del estudio del proceso pues puede implicar costos económicos o ambientales tan altos que no justifiquen económicamente la industrialización del proceso.

Con la aparición de los nanomateriales es necesario definir nuevos métodos y técnicas de muestreo y análisis o adaptar los métodos existentes a las nuevas tecnologías. Estos métodos y técnicas deben ser adoptados y conocidos internacionalmente.

CONCLUSIONES

La nanotecnología representa una transición del uso de materiales convencionales hacia el diseño de materiales "átomo a átomo" lo que permite ajustar propiedades físicas, químicas y mecánicas a la medida de los requerimientos técnicos de un proyecto de ingeniería.

El avance de la nanoescala cambia las fronteras tradicionales entre la física, la química, la biología y la ingeniería. Se hace necesaria la formación básica en nanotecnología de los estudiantes de ingeniería.

La bionanotecnología y el diseño nanoestructurado ofrecen soluciones clave para los desafíos del siglo XXI como la transición energética, las mejoras en salud, la eficiencia en el uso de recursos y la descontaminación ambiental.

La integración comercial de los nanomateriales debe ir acompañada de un análisis exhaustivo del ciclo de vida, normas de seguridad laboral y marcos regulatorios internacionales estandarizados.