NANOTECNOLOGA-Resumen Ejecutivo-

La nanotecnologa se refiere a la fabricacin y aplicacin de materiales y estructuras cuyo tamao oscila de menos de 1 nm a 100 nm (). Los productos incluyen pelculas, revestimientos, alambres , tubos, estructuras y sistemas.

Fig. 1 Terminologa y tamaos relativos de los nanosistemas y tecnologas relacionadas.

El prefijo nano se utiliza para estos artculos; por lo tanto, tenemos nuevas palabras tales como nanotubo, nanoestructura, nanoescala y nanociencia, que se incorporan en nuestro vocabulario.

La idea de nanotecnologa fue presentada por primera vez por el fsico Richard Feynman. En un artculo titulado Room at the Bottom, l mostr las posibilidades disponibles en el mundo molecular, de esta forma, la visin de Feynman gener la disciplina de la nanotecnologa.

Nanociencia es el campo de estudio cientfico que se ocupa de los objetos en el mismo rango de tamao. Nanoescala se refiere a dimensiones dentro de este rango y ligeramente por debajo, que se superpone en el extremo inferior con los tamaos de los tomos y molculas. Por ejemplo, el tomo ms pequeo es el Helio, con un dimetro de cerca de 0,1 nm. El uranio tiene un dimetro de aproximadamente 0,22 nm y es el ms grande de los tomos de origen natural. Las molculas tienden a ser mayores debido a que consisten de mltiples tomos. Las molculas formadas por aproximadamente 30 tomos tienen un tamao de ms o menos 1 nm, dependiendo de los elementos que intervienen. Por lo tanto, la nanociencia implica el comportamiento de las molculas individuales y los principios que explican este comportamiento, y la nanotecnologa consiste en la aplicacin de estos principios para crear productos tiles.

A una escala nanomtrica los principios de la Fsica y las propiedades de los materiales que se observan son normalmente distintas, siendo necesario recurrir a la Fsica Cuntica para poder entender este nuevo comportamiento. Son precisamente los efectos cunticos los que van a permitir desarrollar materiales y procesos con nuevas funcionalidades y comportamientos, no sin antes superar algunas barreras tericas y de modelado que pueden dificultar este proceso como lo son:

Unir componentes electrnicos mediante longitudes de escala macroscpicas Determinar mecanismos de transporte en la nanoescala Idear enfoques tericos y de simulacin para estudiar las nanointerfaces Describir con precisin la respuesta de las estructuras en nano escala a factores externos como campos magnticos y elctricos.

PRODUCTOS DE LA NANOTECNOLOGA

La mayora de los productos desarrollados a travs de la nanotecnologa no son simplemente versiones ms pequeas de la tecnologa de microsistemas (MST); sino que tambin incluyen nuevos materiales, recubrimientos y estructuras nicas que no estn incluidos en el mbito de la MST. Muchos productos y procesos a nanoescala han estado alrededor nuestro por algn tiempo, algunos de ellos son:

Los coloridos vitrales de las iglesias construidas durante la Edad Media se hacan con partculas de oro de escala nanomtrica embebidas en el cristal. Dependiendo de su tamao, las partculas pueden asumir una variedad de diferentes colores.

La fotografa moderna tiene races que se remontan a ms de 150 aos y depende de la formacin de nanopartculas de plata para crear la imagen en la fotografa.

Partculas de carbono a nanoescala se utilizan como cargas de refuerzo en los neumticos del automvil.

Los convertidores catalticos requeridos en los sistemas de escape de los automviles modernos hacen uso de revestimientos a nanoescala de platino y paladio sobre una estructura de cermica. Los recubrimientos metlicos actan como catalizadores para convertir gases de emisin nocivos en gases inofensivos.

Tambin hay que mencionar que la tecnologa de fabricacin de circuitos integrados ahora incluye tamaos caractersticos del rango de la nanotecnologa. Por supuesto, se han producido circuitos integrados desde la dcada de 1960, pero slo en los ltimos aos se han logrado desarrollar con caractersticas a nanoescala.

Otros productos ms recientes que explotan las aplicaciones de la nanotecnologa incluyen cosmticos, lociones solares, pulimentos para auto y ceras, recubrimientos para lentes, y pinturas resistentes. Todas estas categoras contienen partculas nanomtricas (nanopartculas), que los califica como productos de la nanotecnologa. Una lista ms completa de ejemplos de productos y materiales presentes y futuros basados en la nanotecnologa se presenta a continuacin:

Computadores: Los nanotubos de carbono son candidatos fuertes para sustituir a la electrnica basada en silicio.

Materiales: Partculas a nanoescala (nanopuntos) y fibras (nanohilos) han demostrado ser tiles agentes de refuerzo para materiales compuestos. Por ejemplo, la caja de la camioneta de una serie de los vehculos Hummer de General Motors se hace con nanocompuestos. Innumerables materiales compuestos, pueden ser desarrollados con la nanotecnologa.

Catalizadores de nanopartculas: Nanopartculas y recubrimientos de metales nobles (por ejemplo, oro, platino) sobre sustratos de cermica y metal actan como catalizadores para ciertas reacciones qumicas. Los convertidores catalticos en los automviles son un ejemplo importante.

Medicamentos contra el cncer: Medicamentos a nanoescala se estn desarrollando para que coincida con el perfil gentico especfico de las clulas cancerosas de un paciente y de sta forma atacarlas y destruirlas. Por ejemplo, Abraxine es una medicina basada en una protena a nanoescala producida por American Pharmaceutical que se utiliza para tratar el cncer de mama metastsico.

Energa solar: Pelculas superficiales a nanoescala tienen el potencial de absorber ms energa electromagntica del sol que las celdas fotovoltaicas existentes. Los avances en esta rea pueden reducir nuestra dependencia de los combustibles fsiles para la generacin de energa.

Revestimientos: Pelculas ultrafinas se estn desarrollando, que aumentarn la resistencia al rayado de superficies (algunos tipos de lentes ya estn disponibles), resistencia a las manchas de las telas, y las capacidades de auto-limpieza de ventanas y otras superficies.

Laboratorios mdicos porttiles: Instrumentos basados en la nanotecnologa proporcionarn un rpido anlisis de una variedad de enfermedades como la diabetes y el VIH.

Bateras: Los nanotubos de carbono pueden ser componentes importantes en las bateras de alta potencia y dispositivos de almacenamiento de hidrgeno. El almacenamiento de hidrgeno, sin duda, juega un papel fundamental en la conversin de motores de combustibles fsiles a los motores basados en el hidrgeno.

Nanosensores: Ms precisos, respondiendo ms rpido, y operando con requisitos de energa ms bajos que los sensores actuales. Se ha sugerido que mltiples nanosensores podran distribuirse a lo largo de la zona estudiada para recoger datos, proporcionando as el beneficio de mltiples lecturas de la variable de inters, en lugar de utilizar un nico sensor ms grande en una ubicacin.

BIONANOTECNOLOGA

La bionanotecnologa es un subconjunto de la nanotecnologa que se enfoca inicialmente en la naturaleza; En otras palabras, es ingeniera a nivel atmico, fabricando con precedentes biolgicos como guia.

El descubrimiento de algunos de los detalles mecanicistas de maquinaria biolgica complicada tales como el ribosoma que codifica la secuencia de cidos nucleicos como una secuencia de aminocidos estaba pasando alrededor de la poca que Eric Drexler estaba tratando de promover su punto de vista basado en ensamblador de la nanotecnologa, y estas mquinas biolgicas proporcionan una especie de prueba viviente del principio de que los mecanismos elaborados y funcionalmente sofisticados podran operar en la nanoescala. Estas mquinas son esencialmente protenas, que se fabrican por un proceso de autoensamblaje). Algunos de ellos muestran consumada la ampliacin al mbito macroscpico. El msculo es probablemente el mejor ejemplo: a pesar de que el par de actina-miosina que es el corazn molecular de accin muscular se desarrolla una fuerza de unos pocos piconewtons, mediante la organizacin de muchos msculos moleculares en paralelo, grandes animales como los elefantes pueden desarrollar kilovatios de potencia, como humanos han conocido y utilizado desde hace milenios.

NombreFuncin natural

Muscular (miosina)KinesinNervioATPase

Bacteriorrodopsina

Bomba de iones transmembrana

HemoglobinaTraccinMovimiento LinealTransmision de informacionSntesis de ATP a partir de protones Gradiente de potencial electroqumico.Generacin de luz Gradiente de potencial electroqumico para protonesmover iones seleccionados contra un e.p.g. adversoEl consumo de oxgeno y la liberacin

Mquinas nanomtricas Biolgicas

Una de las grandes promesas de la bionanotecnologa es la de incrementar el control sobre la salud. A medida que ha incrementado el conocimiento sobre el cuerpo humano, tambin se ha incrementado el conocimiento de las enfermedades y los tratamientos a estas.

La nanomedicina es la aplicacin natural de la nanobiotecnologia, en esta, se busca una fuente en concreto que causa o contribuye a una dolencia o enfermedad, eliminandola o reduciendola desde su fuente.

Un ejemplo de nanomaquina en la medicina, que si bien no ha sido creada completamente en un laboratorio pero que se puede considerar de tal forma, es la aspirina: al tomar aspirina, se llena el cuerpo con molculas de esta, las cuales cuentan con tan solo 21 tomos. Estas molculas buscan una protena de sealizacin dolor hiperactiva, se adhieren a esta y detienen su accin temporalmente, permitindonos controlar nuestro cuerpo a nanoescala.

La industria farmacutica se dedica a descubrir mtodos efectivos de realizar estos ajustes a nivel molecular. Los frmacos originales fueron creados por plantas y otros organismos como venenos o toxinas para su propia defensa, pero luego fueron tomadas por el hombre para ser utilizadas en medicina. El diseo a nanoescala permite controlar y optimizar fcilmente estos frmacos, permitiendo mejorar caractersticas de estos o eliminarlas de forma que posean menos efectos secundarios, incorporando mtodos de seleccin de objetivos ms eficaces.

Si bien no existe robots viajando por nuestro cuerpo, luchando contra enfermedades y realizando reparaciones en nuestro cuerpo, si existen mtodos para corregir problemas genticos en su fuente. Las implicaciones ticas son grandes, pero las recompensas que provienen de estos mtodos son muy grandes para ser ignoradas

Algunos ejemplos de nanotecnologa aplicada en la medicina son : Drogas anti-SIDA diseadas por computadora (HAART): enzimas que intervienen en el ciclo de vida del VIH se utilizan como objetivos para la droga diseada. Inmunotoxinas: Toxinas que buscan y eliminan tipos especficos de clulas Sangre artificial Terapia gentica

NANOESTRUCTURAS DE CARBONO

Dos estructuras de inters cientfico y comercial significativa en la nanotecnologa son buckyballs y los nanotubos de carbono. Son bsicamente capas de grafito que se han formado en esferas y tubos, respectivamente. El nombre buckyball se refiere a la molcula, que contiene exactamente 60 tomos de carbono y tiene la forma de un baln de ftbol. El nombre original de la molcula era buckministerfullerene, despus de que el arquitecto e inventor R. Buckminister Fuller, quien dise la cpula geodsica que se asemeja a la estructura de . Hoy en da, el se llama simplemente un fullereno, que se refiere a cualquier molcula de carbono hueca cerrada que consta de 20 hexgonos y 12 pentgonos, con un tomo de carbono en cada una de las esquinas de los hexgonos y un enlace a lo largo de cada arista.

Los fulerenos son de inters por un gran nmero de razones. Una de ellas son sus propiedades elctricas y la capacidad de alterar estas propiedades. Un cristal tiene las propiedades de un aislante. Sin embargo, cuando es dopado con un metal alcalino tal como el potasio (formando ), se transforma en un conductor elctrico. Adems, exhibe propiedades de un superconductor a temperaturas de alrededor de 18 K (-255,15 C).

Fig. 2 Estructura del Fullereno.

Los nanotubos de carbono (CNT) son otra estructura molecular que consiste en tomos de carbono unidos entre s en la forma de un tubo largo. Los tomos pueden estar dispuestos en un nmero de configuraciones alternativas. Los nanotubos que se muestran en la figura son todos nanotubos de una sola pared (SWNT), pero las estructuras de pared mltiple (MWNT) tambin pueden ser fabricadas, y son, en general, tubos dentro de un tubo. Los SWNT tiene un dimetro tpico de unos pocos nanmetros (abajo a 1 nm) y una longitud de alrededor de 100 nm, y se encuentran cerrados en ambos extremos.

Fig. 3 Varias estructuras posibles de los nanotubos de carbono: (a) arm chair, (b) zigzag, y (c) chiral.

Las propiedades elctricas de los nanotubos son inusuales. Dependiendo de la estructura y el dimetro, los nanotubos pueden tener propiedades similares a las de un metal (conductor) o semiconductoras.

La conductividad de los nanotubos metlicos puede ser superior a la de cobre por seis rdenes de magnitud. La explicacin para esto es que los nanotubos contienen pocos de los defectos existentes en metales que tienden a dispersar electrones, disminuyendo as la resistencia elctrica.

Debido a que los nanotubos tienen tan baja resistencia, las altas corrientes no aumentan su temperatura de la forma en que los metales se calientan con las mismas cargas elctricas. La conductividad trmica de nanotubos metlicos tambin es muy alta. Estas propiedades elctricas y trmicas son de gran inters para los fabricantes de equipos y circuitos integrados, ya que pueden permitir mayores velocidades de los procesadores sin los problemas de acumulacin de calor actualmente encontrados.

Las propiedades mecnicas son otra de las razones de inters en los nanotubos de pared simple. En comparacin con el acero, su densidad es solamente 1/6, su mdulo de elasticidad es cinco veces mayor, y su resistencia a la traccin es 100 veces mayor. Estas propiedades mecnicas presentan oportunidades para su uso en aplicaciones que van desde materiales de refuerzo en materiales compuestos de matriz de polmero a telas de fibra de chalecos antibalas. Irnicamente, los nanotubos de pared mltiple no son tan fuertes.

PROCESOS DE NANOFABRICACIN

La creacin de productos a escala nanomtrica requiere tcnicas de fabricacin que son muy diferentes a las utilizadas para procesar materiales de macro tamao. Los procesos de fabricacin de materiales y estructuras de escala nanomtrica se pueden dividir en dos categoras bsicas:

ENFOQUES DE PROCESO TOP-DOWN: Este enfoque para la fabricacin de objetos de nanoescala implica el procesamiento de materiales ms grandes (por ejemplo, lminas de silicio) y pelculas delgadas utilizando tcnicas litogrficas, como las utilizadas en la fabricacin de circuitos integrados y microsistemas. Los enfoques de Top-Down tambin incluyen otras tcnicas de mecanizado de precisin que han sido adaptadas para la fabricacin de nanoestructuras. El trmino nanomecanizacin se utiliza para estos procesos que implican la eliminacin de material cuando se aplica en esta escala y han sido mecanizados a partir de materiales tales como el silicio, carburo de silicio, diamante, y nitruro de silicio. La nanomecanizacin a menudo debe ir acompaada de procesos de deposicin de pelcula delgada, como la deposicin fsica de vapor para lograr la estructura deseada y la combinacin de materiales.

ENFOQUES DE PROCESO BOTTOM-UP:En los enfoques ascendentes, los materiales iniciales son tomos, molculas e iones. Los procesos unen entre si a la mayora de estos bloques de construccin, en algunos casos uno por uno para fabricar la entidad a nanoescala deseada. Se consideran tres tcnicas que han sido muy importantes en este proceso.

PRODUCCIN DE NANOTUBOS DE CARBONO:Pueden ser producidos a travs de diferentes tcnicas, siendo las ms importantes las siguientes:

Tcnica de Evaporacin Lser: La materia prima inicial es una pieza de trabajo de grafito que contiene pequeas cantidades de cobalto y nquel. Estas trazas de metal desempean el papel de catalizador, actuando como sitios de nucleacin para la formacin posterior de los nanotubos. El grafito se coloca en un tubo de cuarzo que se llena de gas argn y se calienta a 1200 C (2200 F). Se enfoca un rayo lser pulsado sobre la pieza de trabajo, lo que ocasiona que los tomos de carbono se evaporen de la masa de grafito. El argn desplaza los tomos de carbono fuera de la regin de alta temperatura del tubo y dentro de un rea donde se localiza un aparato de cobre con agua helada. Los tomos de carbono se condensan sobre el cobre fro; mientras lo hacen, forman nanotubos con dimetros de 10-20 nm y longitudes de alrededor de 100 mm.

Tcnica de arco de carbono: Usa dos electrodos de carbono que tienen dimetros entre 5 y 20 mm y estn separados por 1 mm. Los electrodos se localizan en un contenedor parcialmente evacuado (alrededor de 2/3 de una presin atmosfrica) a travs del cual fluye helio. Para iniciar el proceso, se aplica un voltaje de alrededor de 25 V a travs de los dos electrodos, lo que ocasiona que se expulsen tomos de carbono del electrodo positivo y se transporten al electrodo negativo donde forman nanotubos. La estructura de los nanotubos depende de si se usa un catalizador. Si no es as, entonces se producen nanotubos con paredes mltiples. Si se colocan ciertas trazas de cobalto, hierro o nquel en el interior del electrodo positivo, entonces el proceso crea nanotubos con una sola pared, los cuales tienen de 1 a 5 nm de dimetro y alrededor de 1 mm de largo.

Deposicion quimica de vapor: El material de trabajo inicial es un gas hidrocarburo como el metano (CH4). El gas se calienta a 1100 C (2000F), con lo que se produce su descomposicin y la liberacin de tomos de carbono. Despus los tomos se condensan sobre un sustrato fro para formar nanotubos con extremos abiertos en lugar de la caracterstica de extremos cerrados de las otras tcnicas de fabricacin. El sustrato puede contener hierro u otros metales que actan como catalizadores para el proceso. El catalizador metlico acta como un sitio de nucleacin para la creacin del nanotubo, y tambin controla la orientacin de la estructura. El proceso de CVD tiene la ventaja de que puede operarse en forma continua, lo que lo hace econmicamente atractivo para la produccin en masa.

NANOFABRICACIN MEDIANTE TCNICAS DE SONDA DE BARRIDO:Adems de la visualizacin de una superficie, el microscopio de efecto tnel (STM) y microscopio de fuerza atmica (AFM) tambin se pueden utilizar para manipular tomos individuales, molculas o grupos de tomos o molculas que se adhieren a una superficie de sustrato por las fuerzas de adsorcin ( enlaces qumicos dbiles). Los racimos de tomos o molculas se llaman nanoclusters, y su tamao es de slo unos nanmetros. La figura (a) ilustra la variacin en la corriente de la punta de la sonda STM medida que se mueve a travs de una superficie sobre la que se encuentra un tomo adsorbido. Cuando la punta se mueve sobre la superficie inmediatamente por encima del tomo adsorbido, hay un aumento en la seal. Aunque la fuerza de unin que atrae el tomo a la superficie es dbil, es significativamente mayor que la fuerza de atraccin creado por la punta, simplemente porque la distancia es mayor. Sin embargo, si la punta de la sonda se mueve lo suficientemente cerca del tomo adsorbido de manera que su fuerza de atraccin es mayor que la fuerza de adsorcin, el tomo ser arrastrado a lo largo de la superficie, como se sugiere en la figura (b). De esta manera, los tomos o molculas individuales pueden ser manipulados para crear diversas estructuras a nanoescala. Un ejemplo notable STM realizado en los laboratorios de investigacin de IBM fue la fabricacin de la insignia de la compaa con tomos de xenn adsorbidos sobre una superficie de nquel en una zona 5 * 16 nm.

Fig 4. La manipulacin de tomos individuales por medio de tcnicas de sonda de barrido: (a) punta de la sonda se mantiene una distancia de la superficie que sea suficiente para evitar la perturbacin del tomo adsorbido y (b) punta de la sonda se mueve ms cerca de la superficie, de manera que el tomo adsorbido es atrado a la punta.

Aunque este tipo de manipulacin STM de tomos y molculas es de inters cientfico, existen limitaciones tecnolgicas que inhiben su aplicacin comercial, por lo menos en alta produccin de productos de nanotecnologa. Una de las limitaciones es que debe llevarse a cabo en un ambiente de muy alto vaco para evitar que los tomos o molculas diferentes interfieran con el proceso. Otra limitacin es que la superficie del sustrato debe ser enfriada a temperaturas cercanas al cero absoluto ( -273C) para reducir la difusin trmica que distorsionara gradualmente la estructura atmica que se est formando. Estas limitaciones hacen que sea un proceso muy lento y costoso.

AUTOENSAMBLE: La formacin natural de una estructura cristalina durante el enfriamiento lento de minerales fundidos es un ejemplo de autoensamble sin vida. El crecimiento de los organismos vivientes es un ejemplo de autoensamble biolgico. En ambos casos, ciertas entidades a nivel atmico y molecular se combinan entre si para formar entidades mas grandes; para ello actuan actuan de un modo constructivo hacia la creacin de alguna cosa deliberada. Si la cosa es un organismo viviente, las entidades intermedias son clulas biolgicas, y el organismo crece a travs de un proceso aditivo que presenta una replicacin masiva de formaciones de clulas individuales, de tal manera que el resultado final es frecuentemente muy intrincado y complejo.

Uno de los enfoques ascendentes en la nanotecnologa involucra la emulacin del proceso de autoensamble de la naturaleza para producir materiales y sistemas que tienen caractersticas o bloques de construccin a escala nanomtrica, pero el producto final puede estar en una escala mayor que la nanoescala.

Entre las caractersticas deseables de los procesos atmicos o moleculares de autoensamble en nanotecnologa estn:

Puede realizarse rpidamente Ocurren de manera automtica y no requieren ningn control central Presentan replicacin masiva Pueden realizarse bajo condiciones ambientales benignas (con presiones iguales o similares a la atmosfrica y a temperatura ambiente).

Es probable que el autoensamble sea el ms importante de los procesos de nanofabricacin debido a su bajo costo, su capacidad de producir estructuras en un rango amplio de tamaos y su aplicabilidad general a una amplia variedad de productos.Un principio subyacente al autoensamble es el principio de energa mnima. Las entidadesfsicas, como los tomos y las molculas, buscan un estado tal que la energa total delsistema del cual forman parte se minimice. Este principio tiene las siguientes implicacionespara el autoensamble:

1. Debe haber algn mecanismo para el movimiento de las entidades (por ejemplo, tomos, molculas, iones) en el sistema, lo que ocasiona que las entidades se acerquen entre s. Entre los mecanismos posibles para este movimiento estn la difusin, la conveccin en un fluido y los campos elctricos.

2. Debe haber alguna forma de reconocimiento molecular entre las entidades. El reconocimiento molecular se refiere a la tendencia de una molcula (o tomo o ion) a ser atrada hacia otra molcula (o tomo o ion) para despus unirse a sta, por ejemplo, la manera en que el sodio y el cloro se atraen entre s para formar la sal de mesa.

3. El reconocimiento molecular entre las entidades ocasiona que stas se unan de tal forma que su ordenamiento fsico logre un estado de energa mnima. El proceso de anexin involucra la unin qumica, usualmente los tipos secundarios ms dbiles (por ejemplo, las uniones de van der Waals).

Ejemplos de autoensamble molecular: La formacin de cristales La polimerizacin

La formacin de cristales en metales, cermicos y ciertos polmeros y elementos es una forma de autoensamble. Los boules creciente de silicio en el proceso de Czochralski para la fabricacin de circuitos integrados es una muy buena ilustracin. Al usar cristal de semilla inicial, se forma silicio fundido muy puro dentro de un slido cilndrico grande cuya estructura reticular repetitiva coincide con la de la semilla a travs de su volumen. El espacio reticular es la estructura cristalina es de proporciones nanomtricas, pero la replicacin presenta rdenes de rango ms grande

Podra decirse que los polmeros son productos de autoensambles a escala nanomtrica. El proceso de polimerizacin involucra la unin de monmeros individuales para formar molculas muy grandes , con frecuencia en la forma de una cadena larga con miles de unidades repetidas. Los polmeros representan un proceso de autoensamble ms complejo, en el cual se unen dos tipos diferentes de monmeros iniciales en una estructura repetitiva regular. Un ejemplo es el copolmero sintetizado del etileno y propileno. Estos ejemplos de polmeros, las unidades repetitivas son de tamao nanomtrico, y se forman mediante un proceso de autoensamble masivo de materiales en masa que tienen un valor comercial importante

La tecnologa para producir boules de silicio y polmeros es anterior al inters cientfico actual en la nanotecnologa. La mayora de estos procesos de autoensamble an estn en la etapa de investigacin y pueden dividirse en las siguientes categoras.

1) Fabricacin de objetos a nanoescala,incluidos molculas, macromolculas, conglomerados de molculas, nanotubos y cristales;2) Formacin de arreglos bidimensionales como monocapas autoensambladas (pelculas superficiales que tienen una molcula de espesor) y redes de molculas tridimensionales. Las pelculas superficiales son recubrimientos bidimensionales formados sobre un sustrato slido (tridimensional). La mayora de las pelculas superficiales son inherentemente delgadas, aunque el espesor se mide tpicamente en micrmetros o incluso milmetro, muy arriba de la escala de nanmetros. Aqu resultan interesantes las pelculas superficiales cuyo espesor se mide en nanmetros. En la nanotecnologa, tambin lo son pelculas superficiales que se autoensamblan, tienen una molcula de espesor y donde las molculas se organizan de alguna manera ordenada. Estos tipos de pelculas se denominan monocapas autoensambladas. Tambin son posibles estructuras con capas mltiples que poseen orden y tienen dos o ms molculas de espesor. Los materiales de sustrato para monocapas y multicapas autoensambladas incluyen una variedad de metales y otros materiales inorgnicos. Los metales nobles tienen la ventaja de no formar una pelcula superficial de xido que pudiera interferir con las reacciones que generan la capa deseada.Los materiales de capa incluyen tioles (una familia de compuestos orgnicos derivados del sulfuro de hidrgeno). Los materiales de capa deben ser capaces de ser adsorbidos sobre el material superficial. Las molculas de capa se mueven libremente por encima de la superficie del sustrato y se absorben sobre la superficie. Ocurre el contacto entre las molculas ms grandes y gradualmente se unen a travs de la adicin de ms molculas en forma lateral sobre la superficie, hasta que el sustrato est completamente cubierto. En algunas aplicaciones, las monocapas autoensambladas pueden formarse en los patrones o regiones deseadas sobre la superficie del sustrato usando tcnicas como la impresin de microcontacto y la nanolitografa de pluma

Secuencia tpica en la formacin de una monocapa de tiol sobre un sustrato de oro: 1) algunas de las molculas de capa en movimiento por encima del sustrato son atradas hacia la superficie, 2) Se absorben sobre la superficie, 3) Forman islas, 4) Las islas crecen hasta cubrir la superficie

MATERIAS PRIMAS DE LA NANOTECNOLOGA

Nanopartculas: Trituracin y molienda son procesos industriales venerables, pero la llegada de la nanotecnologa ha dado lugar a la novela, mtodos muy bien controlados para lograr la generacin de nanopartculas monodispersas por trituracin y dispersin. Uno de tales procesos es la dispersin de electroerosin (EED); en el que el metal granulado se muele en un polvo fino por descargas elctricas-tpicamente unos pocos cientos de voltios estn dados de alta en un microsegundo. La temperatura del plasma en el filamento de descarga es de 10000 a 15 000 K, suficiente para fundir cualquier metal.

Con el fin de sintetizar nanopartculas a travs de nucleacin y crecimiento, en primer lugar, los tomos se dispersan (disuelto) en un medio en condiciones tales que la dispersin es estable. Entonces, uno o ms de los parmetros externos se cambia de tal manera que la fase en masa del material dispersado ahora es estable. Esto podra lograrse, por ejemplo, por enfriamiento del vapor del material. La formacin de la nueva fase en masa es una primera fase de transicin para la participacin de la nucleacin. Fluctuaciones Probabilidad generarn ncleos crticos.lNanofibras: Describe nano-objetos con dos dimensiones externas en la nanoescala. Un nanorod es una nanofibra rgida, un nanotubo es una nanofibra hueco, y un nanocable es una nanofibra conductor de la electricidad.

Nucleacin heterognea puede ser inducida en la interfase slido / gas por pequeos grupos catalticos. Tras la adicin de vapor, la condensacin en los grupos y el crecimiento Perpendicular al sustrato slido tiene lugar. Esto se utiliza como una forma eficiente de la sntesis de nanotubos de carbono. Un inconveniente del mtodo es que la preparacin est contaminada casi inevitablemente con el catalizador.Si nanoporos uniformes se pueden formar en una membrana (por ejemplo, mediante perforacin por lser o por auto-ensamblaje) que pueden ser utilizados como plantillas para la formacin de nanofibras. El material para la fibra debe ser depositado como una concha en la superficie interior de los poros (si el objetivo es hacer que los nanotubos), o de lo contrario debe llenar completamente los poros (por nanorods).

NANOPLACAS: Hasta ahora, los recubrimientos delgados en un sustrato no se han considerado como nano-objetos, sino simplemente como pelculas delgadas, ya que por lo general han sido ms de 100 nm de espesor. Las excepciones son las pelculas de Langmuir, transferidos al sustrato slido utilizando las tcnicas de Langmuir-Blodgett y Langmuir-Schaefer; estas pelculas solamente podran ser unos pocos nanmetros de espesor. Excepcionalmente las pelculas de Langmuir pueden ser manipulados como objetos independiente. Sin embargo, la tendencia es desarrollar ms delgada superficies funcionales mediante revestimiento o modificar de otro modo material a granel, y la medida en que el recubrimiento o modificacin est diseado con precisin atmica, pertenece a la nanotecnologa.Pelculas de Langmuir y las tcnicas de Langmuir-Blodgett y Langmuir-Schaefer.Los precursores son molculas de frmula general XP, donde X es (tpicamente) una cadena apolar (por ejemplo, una cadena de alquilo), llamado cola (tail), y P es un grupo polar llamado cabeza (head) tal como xido de oligoetilenglicol, o fosfatidil colina. Cuando se extendi sobre el agua siguen siendo en su mayora en la interfase agua / aire, donde se pueden comprimir para formar dos dimensiones liquid-like y solid-like ar-rays. La tcnica de Langmuir-Blodgett refiere a la transferencia de las pelculas monomoleculares flotantes a sustratos slidos por verticalmente sumergindolos dentro y fuera de la baera. En la tcnica de Langmuir-Schaefer, el sustrato es empujado horizontalmente a travs de la monocapa flotante. Pelculas multicapa muy estables se pueden montar al hacer P un quelante de iones metlicos multivalentes, que el puente lateral vecinos y / o capas sucesivas (reunidos cabeza-cabeza y la cola-cola). La estabilidad lateral se puede aumentar mediante irradiacin UV de las pelculas con una cadena de alquilo insaturado (fotopolimerizacin).

APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGAMedicinaLos investigadores estn desarrollando nanopartculas a medida del tamao de las molculas que pueden entregar medicamentos directamente a las clulas enfermas en su cuerpo. Cuando se ha perfeccionado, este mtodo debe reducir en gran medida el tratamiento de daos tales como la quimioterapia hace a las clulas sanas de un paciente.

ElectrnicaLa nanotecnologa tiene algunas respuestas para cmo podramos aumentar las capacidades de los dispositivos electrnicos mientras reducimos su peso y el consumo de energa.

ComidaLa nanotecnologa est teniendo un impacto en varios aspectos de la ciencia de los alimentos, desde cmo se cultivan los alimentos a la forma en que se envasa. Las empresas estn desarrollando nanomateriales que harn una diferencia no slo en el sabor de los alimentos, sino tambin en la seguridad alimentaria, y los beneficios para la salud que los alimentos ofrece.Pilas de CombustibleLa nanotecnologa se utiliza para reducir el costo de catalizadores utilizados en pilas de combustible para producir iones de hidrgeno a partir de combustibles tales como metanol y para mejorar la eficiencia de las membranas utilizadas en las celdas de combustible para separar los iones de hidrgeno a partir de otros gases tales como el oxgeno. BaterasLas empresas actualmente estn desarrollando bateras utilizando nanomateriales. Una de estas bateras ser una buena como nueva despus de estar sentado en el estante durante dcadas. Otra batera se puede recargar mucho ms rpido que las bateras convencionales.

EspacioLa nanotecnologa puede ser la clave para hacer que el espacio-vuelo ms prctico.Los avances en nanomateriales hacen nave ligera y un cable para el ascensor espacial posible. Al reducir significativamente la cantidad de combustible para cohetes necesario, estos avances podran reducir el costo de alcanzar la rbita y viajar en el espacio.

CombustiblesLa nanotecnologa puede hacer frente a la escasez de combustibles fsiles como el diesel y la gasolina, haciendo la produccin de combustibles a partir de materias primas de bajo grado econmicos, aumentando el kilometraje de los motores, y haciendo que la produccin de combustibles a partir de materias primas normales ms eficientes. Mejor Calidad del AireLa nanotecnologa puede mejorar el rendimiento de los catalizadores utilizados para transformar los vapores que escapan de los coches o las plantas industriales en gases inofensivos. Eso es porque los catalizadores a base de nanopartculas tienen una mayor rea superficial para interactuar con los productos qumicos que reaccionan que los catalizadores hechos de partculas ms grandes. El rea superficial ms grande permite ms productos qumicos para interactuar con el catalizador simultneamente, lo que hace que el catalizador ms eficaz. Comprobar nuestra Nanotecnologa y Aire Quali pgina y para ms detalles.Agua LimpiaLa nanotecnologa se est utilizando para desarrollar soluciones a tres problemas muy diferentes en la calidad del agua. Uno de los retos es la eliminacin de los desechos industriales, como un disolvente de limpieza llamado TCE, de las aguas subterrneas. Las nanopartculas se pueden utilizar para convertir el producto qumico contaminante a travs de una reaccin qumica para que sea inofensivo.Los estudios han demostrado que este mtodo puede ser utilizado con xito para llegar a contaminantes dispersos en los estanques subterrneos ya un costo mucho menor que los mtodos que requieren de bombeo del agua de la tierra para su tratamiento.Sensores QumicosLa nanotecnologa puede permitir a los sensores para detectar cantidades muy pequeas de vapores qumicos. Varios tipos de elementos detectores, tales como nanotubos de carbono, nanoalambres de xido de zinc o nanopartculas de paladio pueden ser utilizados en sensores basados en la nanotecnologa. Debido al pequeo tamao de los nanotubos, nanocables, o nanopartculas, unas pocas molculas de gas son suficientes para cambiar las propiedades elctricas de los elementos sensores. Esto permite la deteccin de una concentracin muy baja de vapores qumicos.

Artculos DeportivosSi eres un fan de tenis o golf, se le alegra saber que incluso los artculos deportivos ha vagado en el reino de nano. Aplicaciones de la nanotecnologa actuales en el campo de deportes incluyen el aumento de la fuerza de raquetas de tenis, llenando cualquier imperfeccin en materiales de ejes del club y la reduccin de la velocidad a la que las fugas de aire de pelotas de tenis. TejidoHaciendo tejido compuesto con partculas de tamao nanomtrico o fibras permite la mejora de las propiedades de la tela sin un aumento significativo en el peso, grosor o rigidez como podra haber sido el caso con las tcnicas utilizadas anteriormente.

INVESTIGACIN Y DESARROLLO

Al realizar una busqueda en bases de datos se observa que existe una gran cantidad de articulos publicados sobre nanotecnologa. la distribucin de estos por paises se observa en el siguiente grafico.

Grafico 1. Distribucin de articulos/investigaciones sobre nanotecnologia por pases

Se observa que el 50% de de la investigacin hasta la fecha sobre nanotecnologia se ha realizado en cuatro paises y el el 75% de la investigacin se concentra en 13 paises.Estados Unidos ha invertido desde 2001 hasta la fecha ms de 22000 millones de dolares y el presupuesto para el ao 2016 es de 1500 millones de dolares en 11 agencias gubernamentales.

SEGURIDAD EN NANOTECNOLOGA

Al tener un campo tan amplio de accin con nuevos materiales con distintas caractersticas, no existe una guia que aplique para todos los casos. Sin embargo, las agencias gubernamentales han diseado distintos protocolos que reducen los riesgos en la manipulacin y creacin de productos nanotecnolgicos.

Union europea:Existen tratados en los que se dictamina que las aplicaciones de la nanotecnologia deben cumplir con altos estndares de salud pblica, seguridad y proteccin del consumidor y del medio ambiente.No existe una gua estandarizada por la amplia aplicacin y manufactura de materiales nuevos y desconocidos, sin embargo, deben tomarse todas las medidas necesarias para asegurar la salud y seguridad en el trabajo. EEUUNo se cuenta tampoco con un protocolo claro, sin embargo, poseen un paradigma de evaluacin de riesgos donde se identifican los posibles riesgos para poder trabajar sobre ellos.

Fig 5. paradigma de la evaluacin de riesgos integrada con las etapas del ciclo de vida de los nanomateriales (tomado de http://www.nano.gov/you/environmental-health-safety) Adicionalmente, el instituto nacional para la salud y seguridad ocupacional (NIOSH por sus siglas en ingls) de estados unidos tiene identificadas 10 areas criticas en las cuales enfocarse:

Toxicidad y dosis interna de los nanomateriales Evaluacin del riesgo Epidemiologia y vigilancia Controles de ingeniera y EPP Metodos de medicin Evaluacin de la exposicin Seguridad frente a incendios y explosiones Realizacin de recomendaciones y guias basado en trabajos existentes Establecimiento de asociaciones y colaboraciones para la identificacin y distribucin de resultados junto con la capacitcin de trabajadores. Identificar usos de nanotecnologa para usos en seguridad salud ocupacional

RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGA Impactos en la sociedad: Importantes cambios en la estructura de la sociedad y el sistema poltico Riesgos personales de uso criminal o terrorista Desequilibrio econmico debido a una proliferacin de productos baratos Desequilibrio social por nuevos productos o forma de vida

Impactos ambientales: Daos colectivos derivados de productos no regulados las nanopartculas podran reaccionar con sustancias presentes en el medio o catalizar reacciones presentes el medio. Incluso podran llegar a ser txicas para los microorganismos del entorno, lo que podra dara a pie a una bioacumulacin de la toxicidad en la cadena trfica que llegara magnificada a los seres humanos. En cuanto a los productos de consumo, el Instituto Gubernamental para la Salud y el Medio Ambiente de Holanda (RIVM) asegura que el mayor riesgo lo encierran las nanopartculas libres utilizadas en productos de limpieza, cosmticos y productos de cuidado personal, mientras los nanomateriales incorporados en aplicaciones, como en electrnica, equipos deportivos o recubrimientos presentan un menor riesgo.

Impactos a la salud En 1997 investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de Montreal mostraron que el dixido de titanio y el xido de zinc usados como nanopartculas en la mayora de los bloqueadores solares producen radicales libres en las clulas de la piel, daando el ADN. En 2002, el Centro de Nanotecnologa Biolgica y Ambiental de la Universidad de Rice, Houston, inform que las nanopartculas se acumulan en los rganos de animales de laboratorio (hgado y pulmones). Esto podra dar origen a tumores, al igual que el dao del ADN. Los nanotubos, similares a finsimas agujas, podran clavarse en los pulmones con efectos parecidos al que provoca el asbesto. En 2003 en un estudio solicitado por el Grupo ETC, el txico-patlogo Vyvyan Howard concluy que el tamao de las nanopartculas, ms que el material que las constituye, es un riesgo en s mismo porque aumenta exponencialmente su potencial cataltico y el sistema inmunolgico no las detecta. En 2004, Howard inform en una conferencia mundial sobre nanotoxicidad que las nanopartculas se mueven de la madre al feto por medio de la placenta. Se mostr que las nanoesferas de carbono disueltas en agua, simulando un grado de contaminacin ambiental comn, daan el cerebro de los peces y provocan mortandad en pulgas de agua

Referencias

http://www.pnas.org/content/88/20/9208.full.pdfhttp://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/critical.htmlEuropean Comission, Towards a european strategy for nanotechnology, 2004, disponible en internet:< http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/nanotechnology_communication_en.pdf>Environmental, health and safety issues http://www.nano.gov/you/environmental-health-safety

Bhushan, B., Springer Handbook of Nanotechnology, Springer, 2004.