Nanotecnología

Siguiendo con la relación entre la nanotecnología y física de superficies, María Vila nos hablará a continuación sobre el silicio poroso, un tema de investigación que alcanzó un gran interés entre la comunidad científica hace algunos años debido a las notables propiedades de este material, debidas en gran medida a la gran relación superficie/volumen que posee.

Por María Vila

El Silicio Poroso fue descubierto en 1956 por Arthur Uhlir en los laboratorios Bell de EE.UU mientras intentaban desarrollar una técnica para pulir obleas de Silicio. Se dio cuenta de que bajo ciertas condiciones se producía una disolución parcial de la oblea, obteniendo así silicio poroso.

Fig 1. Número de publicaciones relacionadas con el Si poroso desde su descubrimiento

No fue hasta la década de los 80 cuando el silicio poroso comenzó a tener interés en la comunidad científica (Fig.1), coincidiendo con la demostración de Canham de la fotoluminiscencia a temperatura ambiente del mismo, convirtiéndose en un material prometedor para aplicaciones optoelectrónicas.

Actualmente la línea de investigación se centra en las propiedades explosivas del material, ya que se ha descubierto que el silicio poroso explota con oxígeno a temperaturas criogénicas, produciendo energías superiores a las del TNT.

Fabricación

Al principio se obtenía por strain-etching usando ácido fluorhídrico, ácido nítrico y agua. Este método es especialmente atractivo debido a su simplicidad y a que se obtienen capas muy finas de silicio poroso (25Å).
Además se puede obtener mediante anodización, usando un cátodo de platino y usando la misma oblea de silicio como ánodo. Esto se sumerge en un electrolito de ácido fluorhídrico.

Microestructura

A escala microscópica el silicio poroso está formado por nanocristales de Si, coexistiendo en una matriz de silicio puro con silicio poroso (Fig.2). Presenta numerosos defectos superficiales debido a su superficie porosa que se extiende tanto por la superficie externa como a lo largo de la dirección del flujo de corriente. La región porosa está formada por nanocristales de silicio interconectados y organizados en estructuras muy restringidas dimensionalmente.

Fig 2. Interfaz de Si y Si poroso.

Estado del arte

Son numerosas las líneas de investigación abiertas y las aplicaciones que se están desarrollando hoy en día, comentando algunas aplicaciones interesantes:

Filtro ultrarápido de Silicio

Usando una membrana de unos pocos nanómetros de grosor se pueden filtrar líquidos y moléculas muy parecidas en tamaño. Esta nueva membrana funciona 10 veces más rápido que las que se usan actualmente para purificar la sangre o para separar un único tipo de moléculas del resto.
Estas membranas se han crecido depositando tres capas, una de silicio amorfo entre dos de dióxido de Si, sobre una oblea de Si. Sometiendo a esta oblea a temperaturas superiores a 700 C, se consigue la cristalización del silicio amorfo, formándose los poros. Con un control exhaustivo de la temperatura son capaces de controlar el tamaño medio de los poros.

Fig 3. Oblea de Si con 160 membranas de silicio nanoporoso. Cada una con un grosor de 15nm.

http://www.technologyreview.com/computing/18189/?a=f

Mejora en baterías de Silicio

El equipo de Hanyang ha desarrollado un electrodo a partir de silicio poroso que podría duplicar la capacidad de carga de estas baterías, además de obtener una carga y descarga muy rápida.
La afinidad electroquímica entre el litio y el silicio hacen al silicio un candidato óptimo para ser ánodo de la batería, pero además, los electrodos de silicio poroso tienen una carga superior a 2,400mA/h·g. Por otra parte, crear silicio poroso para tal efecto es mucho más económico y sencillo.

http://www.technologyreview.com/energy/21750/?a=f

Otros avances

http://www.technologyreview.com/biomedicine/16998/?a=f
http://www.technologyreview.com/energy/25170/

Como introdujimos en el primer artículo de esta serie de Superficies y nanotecnología, la tribología es un aspecto muy importante de la ciencia de superficies. Vamos a conocer un poco más de que se trata:

Por Marta Marcos

La Tribología es la ciencia y técnica que estudia la interacción entre superficies en movimiento y los problemas relacionados con ellos: la fricción, el desgaste, la adhesión. y la lubricación.

Para entender la tribología se requiere de conocimientos de física, química y tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento.

Con la tribología como ciencia se estudia la fricción y sus efectos asociados, como el desgaste, tratando de prevenirlos con mejores diseños y prácticas de lubricación. Toma en cuenta, entre otros aspectos, los siguientes: el diseño de la maquinaria industrial, los materiales de las superficies en contacto, el sistema de aplicación del lubricante, el medio circundante y las condiciones de operación.
La tribología está presente prácticamente en todas las piezas en movimiento tales como por ejemplo rodamientos pistones, embragues y frenos, y ayuda a resolver problemas en maquinaria, equipos y procesos industriales tales como motores eléctricos y de combustión, compresores, turbinas, fundición, elementos de almacenamiento magnético, prótesis articulares, etc.

La tribología se centra en el estudio de cuatro fenómenos:
1. La fricción entre dos cuerpos en movimiento
2. El desgaste como efecto natural de este fenómeno
3. La lubricación como un medio para reducir el desgaste
4. La adhesión como la capacidad de mantener dos cuerpos unidos

La fricción se define como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento que experimenta un sólido al moverse sobre otro con el que está en contacto. Esta resistencia al movimiento depende de las características de las superficies. La fricción depende de:
1. La interacción molecular (adhesión) de las superficies
2. La interacción mecánica entre las partes

Como desgaste entendemos el daño de la superficie por mover una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo. Es un proceso en el cuál las capas superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Al igual que la fricción, el desgaste no es solamente una propiedad del material, es una respuesta integral del sistema.

El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las superficies. La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento. Estos materiales intermedios se denominan lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste. El término lubricante es muy general, y puede estar en cualquier estado: sólido, líquido, gaseoso e incluso semisólido o pastoso.

La curva de Stribeck representa las características generales de superficies lubricadas en movimiento relativo entre sí. Se puede dividir en tres zonas:
1. Zona I: lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica. Las superficies del rodamiento están están perfectamente separadas con una película gruesa de fluido, por lo que no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidad disminuye, decrece la película hasta el punto C.
2. Zona II: lubricación mixta o elactohidrodinámica parcial. Es una transición entre la lubricación de la Zona I y la de la Zona III, generalmente observada en el arranque o en la parada de maquinaria.
3. Zona III: lubricación marginal. Donde toda la lubricación depende de los aditivos del lubricante que está inmóvil o con un despliegue de velocidad casi nula.

Bibliografía
1. http://www.roadhouse.es/manual/cap2.PDF
2. http://www.mantenimientomundial.com/sites/mmnew/bib/notas/friccion.pdf
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Tribología

Por Alicia Gómez Gutiérrez

Como en la mayor parte de las ramas de la física, una de las grandes limitaciones que ha frenado el avance de la ciencia ha sido la dificultad de probar experimentalmente las predicciones teóricas. De hecho, hay casos en los que la predicción teórica y su demostración experimental están separadas en el tiempo incluso décadas. El nacimiento de la física de superficies y su empujón para convertirse en una ciencia independiente viene fuertemente influenciado por el avance tecnológico que se llevó a cabo a partir de los años 60. Por ello, se puede concluir, que la ciencia de superficies nació de la unión de la CIENCIA y la TECNOLOGÍA y su crecimiento y consagración como ciencia viene de la mano del avance tecnológico como se detalla a continuación.

En los años 60 tuvo se fabricaron las primeras cámaras de ultra alto vacío, pero, ¿qué es el vacío?. Los filósofos griegos consideraban el vacío como falto de contenido pero la definición de la Sociedad Americana de Vacío lo define como un espacio lleno con gases a una presión total menor que la presión atmosférica. En la física de superficies este descubrimiento supuso la posibilidad de evitar el contacto directo de la superficie con la atmósfera y por tanto, mantener las superficies limpias evitando su contaminación. Un ejemplo muy ilustrativo es el papel de la piel de la manzana que evita la oxidación de la pulpa al aislarla de la presión ambiental.

Las técnicas de vacío se han extendido a numerosos ámbitos tanto de últimas tecnologías como de nuestra vida cotidiana. Claros ejemplos son es el funcionamiento de una aspiradora , de una televisión, la conservación de la comida…

En los años siguientes numerosos avances fueron introducidos en las cámaras de UHV. Por ejemplo, el uso combinado de todo tipo de técnicas de difracción y espectroscopía como la espectroscopía de electrones Auger, la difracción de rayos X , la difracción de electrones de altas y bajas energías… dieron un gran empuje a la física de superficies permitiendo el estudio de nuevos fenómenos completamente distintos a los estudiados en el material completo o bulk. Estos avances, a su vez, suponían la renovación y mejora de técnicas conocidas desde los años 40 que posteriormente fueron aplicados a numerosos ámbitos de la industria y tecnología.

Finalmente, la introducción de la microscopía supuso el último empujón para la física de superficie. En un principio la microscopía electrónica, y más adelante las microscopías de campo próximo como la microscopía de efecto túnel (STM) y la de fuerza atómica (AFM), consiguieron no sólo obtener imágenes de la superficie, sino que llegaron, en el caso de AFM y STM, hasta resoluciones que permitían distinguir, incluso manipular los átomos, como se muestra en la imagen. En esta imagen se ha escrito la palabra ÁTOMO con átomos de hierro manipulados mediante un AFM sobre una superficie de cobre. Un caso claro del avance que supuso el uso de la microscopía en la ciencia de superficies, fue obtener en 1987 la imagen de la reconstrucción 7×7 de la superficie de silicio que fue predicha teóricamente como se puede ver en imágenes de post anteriores.

En los últimos años, la ciencia de superficie se está dividiendo en numerosas ramas centrándose en nuevos e interesantes aspectos de la física de superficie. Una de ellas, muy estudiada en la actualidad, se basa en el estudio de sistemas biológicos, para lo que se tiene que salir del UHV y realizar un estudio en atmósfera controlada. El estudio de estos sistemas puede llevar a numeras aplicaciones basadas en la imitación del comportamiento de la naturaleza como pueden ser implantes médicos, biosensores, superficies inteligentes, … Un ejemplo de esto, es la creación de una superficie totalmente impermeable y autolimpiante cuyo desarrollo ha estado totalmente basado en la imitación de la hoja de loto.

Con todo ello, se puede concluir que la aparición, desarrollo y segmentación de la física de Superficies no sólo ha contribuido al avance de la ciencia sino que su expansión ha ido acompañada de un gran desarrollo tecnológico que ha pasado a formar parte de nuestras vidas.

Por Yu Kyoung Ryu

La Física de Superficies está estrechamente ligada con la nanociencia en el momento en que reducimos el tamaño del sólido y la relación superficie/volumen aumenta. Los sistemas de baja dimensionalidad poseen propiedades físicas (ópticas, eléctricas, térmicas, mecánicas) que difieren completamente de las del material masivo y se comportan como verdaderos laboratorios donde podemos estudiar  importantes efectos cuánticos. Todos los tópicos principales de la ciencia de superficies que se pudieron desarrollar gracias a la tecnología de ultra alto vacío y la era de la microelectrónica, tales como la búsqueda de catalizadores eficaces para importantes aplicaciones industriales, sensores, o la tribología se han reciclado a escala nano y además, a fecha de hoy, con técnicas disponibles a altas presiones (STM, AFM) que permiten la caracterización in situ de la evolución de las superficies, la fabricación por nanolitografía y la entrada a aplicaciones biológicas y medicinales.

Entre los últimos avances en este campo claramente multidisciplinar se encuentra el twin-action nanosensor, un nanosensor óptico de polímero que cambia de color según detecta diversos iones metálicos a distintas temperaturas (figura 1). La gracia de usar este tipo de material es el abaratamiento en los procesos de síntesis (frente a la fabricación de sensores de nanopartículas de oro, plata o puntos cuánticos basados en semiconductores) y la posibilidad de tunear los colores según el estímulo externo. El potencial de este dispositivo como posible detector de iones y termómetro ultra sensible queda patente. Podéis leer más información sobre este sensor y otros muchos, aparte de diversos artículos relacionados en www.sensorsportal.com/HTML/…/Nanosensors.htm.

Siguiendo con los sensores, jugando con la geometría y el material con el que están fabricadas las puntas y las constantes de fuerza y frecuencias de resonancia de los cantilevers de los microscopios de campo próximo, jugando con los mismos principios físicos sobre los que están basados, se puede trabajar con superficies e intercaras de muy distintas características. Por ejemplo, existen sensores biológicos basados en microscopios de fuerza atómica que detectan  antígenos, anticuerpos o proteínas.

Aparte de la fabricación y la caracterización experimentales, también se desarrollan potentes cálculos teóricos ab initio con el fin de diseñar nanoclusters con una geometría y estructura electrónica determinadas que influyan sobre la reactividad de los procesos químicos que sirvan de base para la fabricación de nanocatalizadores muy efectivos y localizados.  El grupo de nanocatálisis del Brookhaven National Laboratory realiza dichos cálculos con sistemas metal-carbono (metcars): Ti₈C₁₂ y Mo₈C₁₂ (figura 2). Si entráis en su página web www.chemistry.bnl.gov/nanocatalysis/, en el apartado: Ab initio study of building blocks for nanoparticle catalysts, podéis profundizar sobre estos sistemas y además, hay otros apartados que incluyen la explicación sobre el proceso de síntesis de las nanopartículas y diversas técnicas de caracterización de la reactividad de las superficies de los nanocatalizadores obtenidos experimentalmente.

Por último, queda recordar, como siempre, que de nada serviría tener éxito en la parte de síntesis de buenos nanosistemas funcionales si no se dispusiese de técnicas de caracterización altamente sensibles a la superficie que nos permitan seguir y entender la evolución temporal y los distintos procesos químicos y físicos que tienen lugar sobre ella, tanto en ultra alto vacío -EELS, AES, XPS…- como a altas presiones -relajaciones, reconstrucciones, reactividad…-

A continuación tenéis las páginas web de distintos grupos que se dedican a la ciencia de superficies. En todas ellas se puede ver claramente el traslado de todo lo que estudiaban y publicaban hace 20 años a la escala nano en la actualidad.

www.uam.es/lasuam

www.chem.unt.edu/research/centers/ssl/

www.athena4.chemeng.upatras.gr/

www.nano.kaist.ac.kr/

Continuando con nuestro acercamiento a la ciencia de superficies…

Por Óscar Iglesias Freire

La ciencia de las superficies surgió con fuerza como una rama científica propia a principios de los años 60 del siglo pasado de la confluencia de conceptos y mecanismos englobados en la física y en la química con innovaciones tecnológicas. Aunque se realizaron previamente multitud de estudios sobre superficies y fenómenos superficiales – algunos, como los de Irving Langmuir, incluso galardonados con el Premio Nobel (I. Langmuir, Nobel Lecture 1932) –, estos fueron clasificados dentro de otras subdisciplinas científicas tales como la química física o la física de electrones. La aplicación de estos conceptos a la ciencia de superficies fue posible gracias al desarrollo de grandes avances en los sistemas experimentales, algunos de los cuales destacan especialmente por la revolución que supusieron en la comprensión y manipulación de las superficies de los materiales.

Nacimiento: A mediados de los años 60 se comenzó a trabajar decididamente en este campo, debido principalmente a la posibilidad de fabricar muestras monocristalinas, crear condiciones de ultra alto vacío (UHV) y diversos descubrimientos relacionados con las interacciones electrón-sólido. Las muestras monocristalinas son útiles para realizar estudios de alta precisión y las presiones UHV, necesarias para conseguir superficies estables durante tiempos suficientemente grandes como para poder llevar a cabo medidas de caracterización. Por otro lado, durante este periodo histórico se desarrollaron modelos teóricos que permitieron caracterizar razonablemente bien superficies simples mediante la técnica de LEED (Duke, C. B. (1974) Adv. Chem. Phys. 27, 1–210). Hoy en día, es posible determinar completamente superficies de materiales monocristalinos (tanto su geometría como su composición), de manera rutinaria mediante espectroscopía electrónica.

Crecimiento: La ciencia de superficies experimentó un enorme crecimiento de la mano del desarrollo de la microelectrónica, habiendo dos motivos principales para ello. En primer lugar, el desarrollo de la miniaturización de los dispositivos electrónicos requiere un mayor conocimiento de los fenómenos superficiales y, por otra parte, el aumento de la potencia de cálculo ha permitido tanto la utilización de modelos teóricos predictivos sobre los efectos de las superficies en las propiedades de los materiales, como la mejora en la adquisición y el procesamiento de datos experimentales.

Consagración: El estudio científico de las superficies se consagró a mediados de los años 80 del siglo XX con la invención de la microscopía de campo próximo (Scanning Probe Microscopy, SPM, G. Binnig and H. Rohrer, Nobel Lecture 1986). Estas técnicas de caracterización permiten la obtención de imágenes reales de la superficie de cualquier tipo de material siendo incluso posible alcanzar la resolución atómica. Además, es posible realizar medidas in-situ y ver la evolución temporal de la superficie, caracterizar superficies sólido-líquido o realizar espectroscopía túnel (STS) de manera local. La capacidad de identificar la estructura local en amplias áreas de la superficie de una muestra ha permitido mejorar enormemente, además, la preparación de muestras.

Futuro: La tendencia actual es estudiar sistemas cada vez más complejos (Plummer, E. W. et al., J. (2002) Surf. Sci. 500, 1–27) y, por ello, la propia ciencia de superficies tiende a dividirse, cada vez más, en multitud de áreas interdisciplinares. Probablemente, la ciencia de superficies quedará difuminada entre otras subdisciplinas que adquirirán una mayor relevancia en las nuevas tecnologías del futuro (Duke, C. B., Proc. of the Nat. Acad. of Sci. 100, 3858–3864).

En las figuras (por orden de aparición): Figura 1. Irving Langmuir (1881-1957), premio Nobel de química en 1932. Figura 2. Oblea de silicio monocristalino. Figura 3. 32 nm SoC Transistor (Proceedings of International Electron Devices Meeting 2007). Figura 4. Heinrich Rohrer y Gerd Binnig, premios Nobel de física en 1986, con un STM.

Con este artículo abrimos una serie de posts dedicados a la relación entre la ciencia de superficies y la nanotecnología. Iremos descubriendo poco a poco en qué son las superficies y cómo se conectan con la nanociencia.

Por Belén Sotillo

La Ciencia de Superficies se dedica al estudio de de las propiedades físicas y químicas de las interfases, es decir, de las regiones que se encuentran entre dos fases distintas. Como ejemplos de interfases tenemos: sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gas (a ésta la conocemos comúnmente como superficie), líquido-líquido o sólido-vacío. Para más información ver: http://www.uksaf.org/tutorials.html

Las propiedades físicas y químicas de una interfase o intercara van a diferir de las que tiene el material masivo, debido a que los átomos superficiales no van a tener todos sus enlaces formados con otros átomos de su misma especie, y por lo tanto se van a tener que reorganizar para buscar sus nuevas posiciones de mínima energía (todos los sistemas tienden espontáneamente a una situación de equilibrio, de mínima energía). Además, podemos tener átomos ajenos (adsorbatos) que se enlacen con los átomos superficiales dando lugar a nuevas reorganizaciones y nuevas propiedades. Es decir, el estudio de las superficies no es algo sencillo.

Tampoco es sencillo dar un valor concreto para el espesor de la interfase o intercara. En general, va a depender de la propiedad concreta que se esté estudiando en cada caso. Así, por ejemplo para estudiar el enlace entre los átomos de sustrato y átomos de adsorbatos sólo hace falta considerar dos capas atómicas: una del sustrato y otra del adsorbato. Sin embargo, para estudiar por ejemplo una zona de carga espacial es necesario tener en cuenta varias capas atómicas.

La Ciencia de Superficies no sólo tiene interés a nivel científico, sino también tecnológico. Así por ejemplo los catalizadores, muy importantes para la industria química, son objeto de estudio por parte de la Ciencia de Superficies. O también la fricción, lubricación y desgaste entre, por ejemplo, las piezas de una máquina son estudiadas por esta ciencia (lo que tenemos son superficies en contacto). Esto último se conoce como tribología (http://en.wikipedia.org/wiki/Tribology) .

Desde hace unos cuantos años, la Nanotecnología está llamando la atención de muchos científicos, debido tanto a su alto potencial a nivel tecnológico, como a su utilidad para estudiar sistemas en los que los fenómenos cuánticos cobran importancia. Y para la Ciencia de Superficies en concreto se han abierto nuevos caminos de investigación.

En los sistemas nanométricos, las superficies pasan a jugar un papel más importante que el que tenían en los sistemas macroscópicos. Esto es así porque, al reducir la escala, el número de átomos que tenemos en la superficie con respecto al número de átomos que tenemos en volumen va a aumentar drásticamente. Por tanto, se hace necesario comprender bien las propiedades de las superficies y así poder controlarlas.

Como ejemplo, podemos mencionar los catalizadores. Se ha demostrados que el tener catalizadores nanoestructurados o directamente nanopartículas aumenta enormemente el poder catalítico de una sustancia, ya que aumentamos la superficie disponible para que se produzca la reacción (http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2680.php).

La superficie también es importante en el crecimiento de nanoestructuras. Esto es así porque la forma de una nanoestructura va a ser aquella que minimice la energía superficial. Y como la forma de la nanoestructura afecta a sus propiedades, el conocimiento de las propiedades superficiales va a ser importante para poder seleccionar una cierta forma y por tanto una cierta propiedad.

Nanopartículas de Paladio con formas distintas (http://www.owlnet.rice.edu/~sc4649/Classwork/Dr%20Wong%20Research/Pd%20Nanoparticle%20synthesis/Xia%3B%20Shape-controlled%20Synth%20of%20Metal%20Nstructures%3B%20Case%20of%20Pd.pdf)

Además, se está estudiando utilizar la energía superficial para fabricar generadores en la nanoescala: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=15175.php .

También se está estudiando la tribología a escala nanométrica para, por ejemplo, mejorar las capas de lubricante (http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1507). Es decir, que la Ciencia de Superficies es y continuará siendo un campo de estudio muy activo gracias en gran parte a la Nanotecnología.

Por Santiago Lamas Calzada

El pasado mes de Marzo un grupo de científicos del prestigioso MIT (Massachusetts Institute of Technology), ha publicado un artículo en la revista Nature Materials en el que explican rigurosamente su descubrimiento; mediante la generación de ondas termoeléctricas, han logrado que unos nanotubos de carbono recubiertos de un combustible puedan conducir dichas ondas a través de ellos, generando una avalancha de electrones. Este fenómeno no era conocido previamente y podría marcar una antes y un después en la concepción que tenemos hoy en día de producir electricidad. El artículo ha sido firmado por ocho científicos, aunque el principal descubridor de este fenómeno es Wonjoon Choi, estudiante de doctorado en el MIT. Y el proyecto ha sido financiado por el Departamento de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas (siglas en inglés AFORSR) y la Fundación Nacional de Ciencias (siglas en inglés NSF) de Estados Unidos.

Sabemos que los nanotubos de carbono son importantes porque poseen propiedades tan interesantes como su gran ligereza o fortaleza, comparada por ejemplo con el acero, pero en este caso se trata de usarlos como medio físico para la conducción y amplificación de la corriente eléctrica. Dr. Michael S. Strano, coautor del artículo y profesor de Ingeniería Química del MIT, explica el efecto que han descubierto tomando un símil; consideremos unos cuantos cuerpos ligeros en el mar y que son arrastrados por las olas, del mismo modo la onda térmica, que es un pulso de calor en movimiento, empuja a los electrones a través de los nanotubos de carbono, generando corriente eléctrica.

En experimentos posteriores, los nanotubos fueron recubiertos por una capa de combustible altamente reactivo que puede producir calor por descomposición. Por medio de un rayo láser, se enciende el combustible por un extremo del sistema de nanotubos y el calor del combustible penetra en el interior de cada uno de los nanotubos de carbono. El propio calor alimenta nuevamente a la capa de combustible y se crea una onda térmica de movimiento rápido que es guiada por el nanotubo. La temperatura generada es de 3.000 grados Kelvin, siendo la velocidad del anillo que genera la onda térmica 10.000 veces superior a la propagación de la reacción química únicamente del combustible. Y es el calor producido por la recombustión que resulta, el que empuja a los portadores de carga, electrones o huecos, a lo largo del nanotubo, creando una corriente eléctrica importante. Tras realizar unas mejoras en el experimento, lograron que el sistema produjese una energía, que en relación a su peso, es de unas cien veces mayor que la de una batería de Litio estándar. Estas ondas que se generan ya habían sido estudiadas matemáticamente desde hace más de un siglo, pero ha sido este grupo el primero en predecir que las ondas de combustión pueden ser guiadas a través de los nanotubos y que además podrían producir una corriente eléctrica considerable.

En la parte superior izquierda el estudiante de doctorado Wonjoo Choi y el profesor de Ingeniería Química Michael S. Strano. A su derecha una representación virtual del interior de un nanotubo de carbono. En la parte inferior parte de un video en el que se explica los pasos básicos del sistema que ha creado este equipo del MIT.

Por otro lado, en su estudio han descubierto que tomando diferentes tipos de materiales reactivos (combustibles) en el revestimiento de los nanotubos, el sentido de la onda térmica que empuja a los electrones o huecos cambia, de modo que la corriente creada sería alterna. Y esto sí que ampliaría el abanico de posibilidades en la parte del sector de telecomunicaciones, ya que la corriente alterna es la base para las ondas de radio, de telefonía, etc. Por ello van a seguir trabajando en esta línea de investigación con mayor profundidad ya que el sistema actual que han llevado a cabo, pierde demasiada energía en forma de calor y luz.En cuanto a las aplicaciones que podría tener este descubrimiento, son complicadas de predecir exactamente, pero el Dr. Strano señala que quizá podría ayudar al uso de microdispositivos electrónicos que podrían mantener la energía acumulada de forma indefinida hasta el momento de su uso, a diferencia de las baterías actuales que tienen fugas y su carga se va perdiendo poco a poco. Como los nanotubos son tan pequeños, el Dr. Strano sugiere que podrían crearse una especie de matrices de nanotubos a fin de suministrar cantidades más significativas de energía para dispositivos de un tamaño macroscópico.

No hay duda alguna de que esta novedosa forma de usar los nanotubos de carbono para generar electricidad abre nuevas posibilidades en numerosos campos de la ciencia, tales como la microelectrónica o las energías alternativas.

Otros enlaces de interés:

1.http://web.mit.edu/press/2010/thermopower-waves.htm

2.http://www.neoteo.com/electricidad-con-nanotubos-de-carbono-mit.neo

3.http://www.elpais.com/articulo/sociedad/Nanotubos/ondas/calor/nueva/fuente/electricidad/elpepusoc/20100311elpepusoc_16/Tes

Por Santiago Lamas Calzada

El pasado Abril, un grupo de científicos de Irlanda, Suecia y Estados Unidos ha publicado un estudio en el que se demuestra que una enzima que se encuentra en los glóbulos blancos es capaz de descomponer los nanotubos de carbono. El artículo ha sido publicado por la prestigiosa revista Nature Nanotechnology y viene a desmentir lo que se venía afirmando hasta ahora; que los nanotubos de carbono no podían ser descompuestos por el cuerpo o la naturaleza.

Primero vamos a explicar rápidamente la estructura del nanotubo de carbono. Partimos del grafeno, que es una estructura laminar plana con forma de rejilla hexagonal en cuyos vértices hay un átomo de carbono. Si tomamos uno de estos folios formados por grafeno y lo enrollamos en forma de tubo tendremos un nanotubo de carbono simple. Existen muchos tipos de nanotubos dependiendo del número de capas concéntricas, de los diferentes diámetros, etc. Unas de las propiedades más importantes de los nanotubos es que son muy ligeros y hasta cuarenta veces más fuertes que el acero por lo que sus aplicaciones en la ingeniería son muy numerosas. Además, el hecho de que se haya demostrado que podrían ser utilizados para la distribución de fármacos o sensores en el cuerpo humano ha disparado su interés en el mundo de la medicina.

Pese a estas propiedades tan interesantes, algunos trabajos en los que se exponía a ratones de laboratorio a los nanotubos mediante inhalación o por inyección dieron como resultado el desarrollo de una inflamación severa, deterioro de la función pulmonar e incluso cáncer. Otro problema sobre el que se insistía, hasta este estudio, era su biopersistencia, es decir la aparente incapacidad del cuerpo humano para eliminarlos del organismo.

Modelo molecular de una enzima humana de mieloperoxidasa (hMPO) descomponiendo un nanotubo de carbono monocapa. © Nature Nanotechnology.

El grupo ha demostrado en su trabajo que la mieloperoxidasa humana (hMPO), que es una enzima del sistema de defensa de un tipo de glóbulos blancos, los neutrófilos, puede conseguir descomponer los nanotubos de carbono de pared simple, básicamente en dióxido de carbono y agua. Aunque las diferentes rutas que se llevan a cabo hasta los productos no son aún conocidas, los investigadores han comprobado que al menos existe una manera de dividir los nanotubos en compuestos biológicamente inofensivos para el cuerpo humano. Previamente el director de este trabajo y otros investigadores habían publicado otro artículo en el que ya se había mostrado que la pared de un nanotubo de carbono simple podía ser biodegradada mediante catálisis por la enzima peroxidasa del rábano (horseradish peroxidase o HPR), durante varias semanas, pero no había sido suficientemente investigado.

Además, después de demostrar la eficacia de la hMPO en la degradación de los nanotubos de carbono, el equipo ha desarrollado una técnica para estimular a los neutrófilos a que ataquen a los nanotubos mediante la captura de los mismos y así poner en contacto a la enzima para comenzar la descomposición. Consiste en impregnar una muestra de nanotubos con unos anticuerpos ya conocidos, en este caso la inmunoglobulina, que será el objetivo de los neutrófilos, éstos los captan y la enzima hMPO comienza a descomponer los nanotubos. Al cabo de 12 horas el 100 % de los nanotubos habían sido degradados frente al 30 % de los que no tenían los anticuerpos implantados.

El estudio ha sido realizado por 20 científicos de varias instituciones y el director de la investigación Dr. Valerian E. Kagan del Departamento de Medioambiente y Salud Ocupacional de la Universidad de Pittsburg (Pensilvania, EEUU). Ha sido cofinanciado con 3,36 millones de euros por Institutos Nacionales de Salud y por el 7º Programa Marco de la Comisión Europea, y se ha llevado a cabo dentro del proyecto NANOMMUNE para la evaluación exhaustiva de los efectos peligrosos de los nanomateriales de diseño en el sistema inmunitario, coordinado por el profesor Dr. Bengt Fadeel del Instituto Karolinska.

Otros enlaces de interés:

http://ki.se/ki/jsp/polopoly.jsp?l=en&d=130&a=98408&newsdep=130

http://www.nanowerk.com/news/newsid=15681.php

http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100407155651.htm

En su anterior contribución, Ana Cros y Andrés Cantarero nos plantearon una serie de cuestiones acerca de cómo afectará a nuestra sociedad el desarrollo de la nanotecnología. En esta nueva aportación nos darán su visión personal sobre dichas cuestiones.

Comenzaremos meditando brevemente sobre la ciencia en el pasado. Una mirada a nuestra historia reciente certifica la importante influencia que la tecnología tiene en el desarrollo social. La revolución que Internet ha supuesto en la comunicación, el acceso a los móviles, la difusión de la música en reproductores MP3, la revolución informática… todo ello son manifestaciones de la utilización de la tecnología por parte de la sociedad. La nanotecnología supondrá sin duda un paso más en este desarrollo, permitiendo, por ejemplo, integrar circuitos de tamaño nanométrico en nuestros tejidos para regular algunas de las funciones biológicas; revolucionará la forma de administración de fármacos, haciendo que actúen de manera eficaz allí donde serán más nocivos para la enfermedad y reduciendo al mínimo los efectos secundarios para el individuo; en el campo de los materiales, la explotación de sus propiedades en la nanoescala está dando lugar ya a materiales más resistentes a las altas temperaturas, menos frágiles, con propiedades lubricantes especiales, o capaces de filtrar los rayos ultravioleta nocivos para nuestra piel. El mercado comercializa ya algunos de estos logros, aunque nosotros, como consumidores, no seamos conscientes de las características específicas que dan lugar a estas propiedades. Así, poco a poco, iremos utilizando y aceptando de forma paulatina y casi inconsciente algunos de estos avances, que cambiarán parte de nuestros hábitos de comunicación o incluso nuestra forma de entender la salud. Otros descubrimientos, sin ninguna duda, representarán un choque a los valores económicos, ambientales y éticos de nuestra sociedad.

Aunque la nanotecnología es un campo nuevo y excitante, los problemas éticos y políticos que suscita no tienen por qué ser radicalmente diferentes que los que ya ha afrontado la sociedad hasta ahora, fruto de logros científicos como la imprenta o la electricidad, u otros más recientes como clonación, la alteración genética de productos alimenticios o la utilización de fármacos para potenciar el rendimiento de los deportistas. Puede proporcionarnos, sin embargo, una nueva oportunidad para resolver estos conflictos con mayor planificación y éxito.

Basándonos en la experiencia previa, podemos identificar tres puntos clave en los que centrar nuestra atención para evitar conflictos y propiciar una aplicación controlada y ordenada de los avances que implicará la nanotecnología.

1.- Hasta ahora estos avances tecnológicos han servido para hacer aún más insalvable la diferencia entre los países desarrollados y los países en vías de desarrollo. Es necesario por tanto incentivar aquellas iniciativas que tiendan a disminuir esta diferencia, potenciando la participación de los países del tercer mundo en la nanotecnología y favoreciendo la aplicación de las novedades nanotecnológicas en estos países. Evitar, en suma, que la nanotecnología sea una nueva fuente de diferencias entre las distintas sociedades.

2.- En la actualidad nuestra sociedad es más consciente que nunca de la necesidad de proteger el medio ambiente. Los sistemas de autorización de sustancias actuales se basan en la descripción de la composición química de los productos, bien a través de un inventario europeo (Einecs) o un inventario mundial (CAS). Sin embargo, en el campo de los nanomateriales esta descripción puede no ser suficiente, puesto que la misma disposición espacial de los elementos atómicos que los componen puede ser la desencadenante de los efectos nocivos. Deberán por tanto desarrollarse leyes de control específicas, investigando exhaustivamente las implicaciones tóxicas y medioambientales de los productos derivados de la nanotecnología antes de su uso generalizado. Conocer en profundidad el efecto que los nuevos productos pueden tener sobre nuestra salud o el entorno con anterioridad a su comercialización generará sin duda la confianza necesaria para su consumo responsable.

Por otra parte, entre los temas actuales de debate en nanotecnología, uno de los más "calientes" en estos momentos concierne a la energía (nanoenergía). El problema energético y la dependencia mundial de los hidrocarburos y otros combustibles fósiles hace que este campo tenga un enorme desarrollo, con una financiación importante tanto del sector público como privado. Las aplicaciones de la nanotecnología en torno a la generación de energía parecen ser extraordinarias. A título de ejemplo, uno de los estudios de interés en estos momentos es el de la aplicación de nanopartículas (nanoclusters) como catalizadores para la producción de gases (syngas) o líquidos (synfuel) combustibles verdes o no fósiles. En este mismo campo, la utilización de nanopartículas (nanotubos de carbono, por ejemplo) en la producción de células solares fotovoltaicas está demostrando que es posible aumentar el rango espectral de absorción de luz y por tanto el rendimiento efectivo de dichas células solares.

3.- Uno de los puntos política y económicamente más controvertidos en el desarrollo de las nuevas tecnologías es el relativo a la protección del conocimiento. El derecho que protege la propiedad intelectual está en continua expansión. La proliferación excesiva de patentes sobre el desarrollo de nanomateriales básicos y sus mecanismos de procesado puede llegar a frenar la capacidad de los investigadores de crear nuevos materiales, al quedar atrapado en el intrincado laberinto legal de las patentes. La complejidad tras la que se esconden estos derechos dejará sin duda fuera de juego a los investigadores que no cuenten con asesoramiento sobre la viabilidad, no ya científica, sino legal, de sus investigaciones. Una forma de afrontar este problema consiste en garantizar y alentar el libre acceso a todos aquellos resultados de la investigación que sean financiados por el erario público. En este punto, la política científica actual implica un grave riesgo, puesto que se potencian preferentemente aquellas investigaciones que desembocan en productos susceptibles de ser patentados, frente al estudio de la viabilidad y reproducibilidad de los resultados. Por otra parte, la tendencia al secretismo en aquellos descubrimientos que puedan tener repercusiones en torno a la amenaza del terrorismo es un proceso que no ayuda a la libre divulgación de los resultados científicos. Las organizaciones internacionales deben implicarse en el desarrollo de normas de conducta científica que lleven a un equilibrio entre las presiones políticas tendentes a proteger el conocimiento potencialmente peligroso y la necesidad de divulgación de los nuevos logros científicos.

Estos y otros puntos críticos han sido estudiados ya en numerosos foros internacionales, entre las que destaca la plataforma intergubernamental constituida en junio de 2004 en Alejandría (Virginia), por iniciativa del Meridian Institute y la NSF (National Science Foundation Estadounidense). Más de sesenta representantes de veinticinco paises se reunieron para instaurar una "Oficina Consultativa Internacional para una nanociencia responsable". Entre sus recomendaciones destaca la necesidad de crear un observatorio social europeo de nanotecnología.

Finalizaremos resaltando un punto clave: para influir en el desarrollo futuro de la nanotecnología no es necesario acertar ahora en nuestras predicciones en cuanto a su impacto, tarea absolutamente inabordable. Es necesario, en cambio, establecer unas bases legales y una ruta de pensamiento que garanticen nuestra capacidad de gestionar los productos de la innovación y los conflictos que puedan aparecer entre los nuevos logros y la sociedad. En ausencia de un debate vivo, las nanotecnologías corren el riesgo de ser combatidas activamente por numerosos movimientos de protesta, como ocurrió durante la inauguración del polo MINATEC, en Grenoble.

Lecturas recomendadas:

• Nanotechnology and Societal Transformation, M. M. Crow y D. Sarewitz (Columbia University).
• Societal Implications of Nanoscience and Nanotechnology, http://www.wtec.org/loyola/nano/NSET.Societal.Implications/
• Libro blanco de la gestión de riesgos debidos al desarrollo de las nanotecnologías (Internacional Risk governane Council, IRGC), http://www.irgc.org/irgc/_b/contentFiles/IRGC_white_paper_2_PDF_final_version.pdf
• Nanotecnología: una revolución en nuestras manos. Muy interesante. Marzo 2002.

Otros foros de carácter internacional sobre nanotecnología:

• MIT Stanford UC Berkeley Nanotechnology Forum:

http://www.mitstanfordberkeleynano.org/

• Institute of Nanotechnology Forum:

http://www.nano.org.uk/forum/viewforum.php?f=20

• Nanotechnology Forum:

http://www.groupsrv.com/science/forum-21.html

Por Santiago Lamas Calzada

Uno de los principales desarrollos de la nanotecnología se encuentra en los sectores de la agricultura y la alimentación, necesitando involucrar casi todas las disciplinas tanto de las ciencias básicas y de la salud, como de las ingenierías asociadas. En la agricultura ya se han llevado a cabo numerosos estudios, en los que se desarrollan herramientas para mejorar la capacidad de los cultivos en la absorción de los nutrientes del suelo, resistencia a las inclemencias del tiempo o las plagas, etc., permitiendo aumentar considerablemente las cosechas. Y en la alimentación, se están llevando a cabo métodos de detección de microorganismos perjudiciales para el ser humano, alimentos más saludables y nutritivos, etc. A continuación vamos a explicar de forma muy resumida varios ejemplos de algunas de las principales aplicaciones en agroalimentación que se están llevando a cabo en estos últimos años y que afectarán en gran medida a nuestra vida cotidiana.

En primer lugar hablaremos sobre algunos de los diferentes estudios que se están realizando en el sector de la agricultura. Un ejemplo peculiar es el sistema que ha desarrollado el Dr. German Moreno Moya, químico graduado en la Universidad Nacional de Colombia, y miembro de la empresa Agrosolar, que ha desarrollado y patentado el Sistema de Transporte Coloidal (STC), que mediante la globulización del producto logra aumentar la eficiencia a la penetración en las plantas y un mayor recubrimiento del área donde se deben aplicar los diferentes tratamientos. De modo que se reducen las cantidades de residuos químicos en las cosechas, tales como fertilizantes, herbicidas, insecticidas, fungicidas hasta en un 40%, y por tanto también se disminuyen los gastos en la producción (explicación audiovisual aquí).

Otra posibilidad en el avance de la agricultura es la creación de un nanoplaguicida, que está llevándose a cabo por diferentes institutos de investigación agrícola de India y México. Éste impediría la germinación de la semilla de las plantas no deseadas que serían atacadas por el pesticida creado a partir de nanopartículas (un link muy interesante sobre nanoplaguicidas).

Por otro lado, son cuantiosos los avances y estudios en la industria alimentaria que hacen referencia a la nanotecnología. Entre ellos, muchos se dedican al desarrollo de la industria láctea. Un estupendo ejemplo es la empresa FrieslandCampina con sede en Amersfoort (Países Bajos) que está estudiando fabricar productos con bajo contenido en grasa sin variar el gusto y la textura de los mismos. Otras empresas están intentando extraer moléculas activas de la leche con las que se podría fabricar fármacos para combatir la osteoporosis, o que permitan crear una leche mejor adaptada al metabolismo de los niños, mediante el aislamiento de la caseína. Incluso un grupo de científicos polacos ha conseguido extraer del calostro ovino, unas moléculas que son capaces de estabilizar la salud de los enfermos de Alzheimer.

Es importante mencionar investigaciones que desarrollan tecnologías que permiten la detección rápida y manual de bacterias patógenas en los alimentos, que provocan infecciones en el ser humano como la Escherichia coli O157:H7, la Listeria monocytogenes o la Salmonella spp, ésta última investigada por científicos del Agricultural Research Service de EEUU (resumen aquí) donde los biosensores incluyen partículas de tinta orgánica fluorescente unidas a anticuerpos que al adherirse al microorganismo provoca que brillen permitiendo su detección.

Otras compañías como Lionix (creada por la Universidad de Twente, Enschede, Países Bajos) pretenden controlar en sus laboratorios la correcta conservación de los productos frescos como la ensalada, permitiendo incluso detectar la presencia de un único elemento patógeno en una cantidad de 25 gramos de materia.

Quizá uno de los mayores y más importantes retos sea la descontaminación del agua. Ya hay proyectos que trabajan en la aplicación de nanopartículas que mediante fotocatálisis, permitan purificar las aguas, eliminando virus, bacterias y protozoos presentes en la misma, para el consumo humano y agrícola. Contra todo pronóstico, incluso existen aplicaciones para ayudar a resolver problemas de nutrición en países en vía de desarrollo; un ejemplo de ello se llevó a cabo en Marruecos, en el que se agregó vitamina A, yodo y hierro a la sal común sin alterar sus propiedades alimenticias. Esto permitió que se redujese significativamente la anemia y el bocio en niños de edad escolar.

Todos estos ejemplos tienen un potencial brutal, que puede permitir grandes avances para la mejora de nuestras vidas, pero hay organismos como Friends of the Earth o el ETC Group, que advierten de la existencia de nuevos riesgos para la salud y el medio ambiente y manifiestan su preocupación por la falta de regulación de la nanotecnología en sectores como la agricultura y la alimentación.

Otros enlaces de interés:

1.http://files.nanobio-raise.org/Downloads/Nanotechnology-and-Food-fullweb.pdf

2.http://www.ppgte.ct.utfpr.edu.br/rev04/04_implicaciones_ambientales_y_a_la_salud_de_la_nanotecnologia.pdf

3.http://www.deere.com/es_ES/images/library/publications/furrow/2005/2005_o1.pdf

4.http://www.informacionconsumidor.org/Ciencia/ArticuloCiencia/tabid/71/ItemID/64/Default.aspx

5.http://www.infoagro.net/salud/temas%20actualidad/Nanotecnologia.pdf

6.http://vet.unne.edu.ar/revista/20-1/RevVet_vol%2020_nro%201_2009-14_Nanotecnologia-Coppo.pdf