Nanotecnología

Los puntos cuánticos son estructuras  denominadas 0-D ya que todas sus dimensiones están a escala nanométrica. . El tamaño de dicha estructura juega un papel crucial, ya que es el que determina los niveles de energía y por tanto la longitud de onda de la emisión de dichos niveles cuando se produce una recombinación a través de dichos niveles.. Los puntos cuánticos de mayor tamaño emiten luz con una longitud de onda grande correspondiente al rojo, mientras que los puntos cuánticos de menor tamaño emiten luz ultravioleta, de menor longitud debido a los efectos de confinamiento cuántico. Las posibles aplicaciones del desarrollo de estas estructuras han hecho que muchas empresas se interesen en ellas y en su explotación, un claro ejemplo es la empresa Invitrogen que controla un gran número de patentes de puntos. Para el 2009 se prevé que el mercado global supere los 400 millones de euros.

¿De qué están hechos los puntos cuánticos? En principio cualquier átomo en solitario podría ser perfectamente un punto cuántico. Sin embargo, con los medios actuales no se puede trabajar con átomos individualmente a escala industrial; fundamentalmente se trabaja con estructuras de GaAs, AlGaAs, cadmio, selenio y zinc, si bien en el primer punto cuántico se utlizó carbono y el desarrollo de éstos todavía sigue vigente. Suelen presentar un diámetro de entre 5 y 10 nanometros, mientras que una célula biológica normal tiene alrededor de unos mil; precisamente es este pequeño tamaño el que confiere a estos puntos unas propiedades ópticas y cuánticas especiales. La nanoestructura se comporta como un átomo “artificial” en el que los electrones pasan a formar parte de toda la estructura, Los puntos cuánticos pueden encontrarse embebidos en una matriz o también disueltos. Un ejemplo de puntos cuánticos embebidos en una matriz serían los que se encuentran en el papel monetario, son invisibles a simple vista pero si se les aplica radiación ultravioleta en un detector de billetes falsos se observan claramente. También los podemos encontrar en los diodos láser de los lectores CD y DVD, con lo cual podemos ver que ya sson muy habituales ya en nuestros días

Se han postulado un gran número de aplicaciones para este tipo de estructuras, (more…)

        Durante estos últimos meses hemos dedicado varios posts a las promisorias aplicaciones de los nanotubos de carbono en campos tan diversos como los nanodispositivos, el medio ambiente y la salud, confirmando así las elevadas expectativas de aplicación que conllevan estos prolíficos materiales. En concreto, en el área sanitaria los nanotubos de carbono se han empleado en investigaciones asociadas a terapias génicas, tratamientos contra el cáncer o dispensadores de medicamentos, entre otras muchas. Sin embargo todas estas aplicaciones terapéuticas entrañan cierto riesgo, puesto que tras realizar su función, estas diminutas estructuras tubulares podrían disolverse en el flujo sanguíneo, interactuar con el tejido biológico o llegar incluso a acumularse en ciertos órganos, perjudicando seriamente su función biológica. La incierta respuesta del cuerpo humano antes estos nanotubos genera miedos e incredulidad sobre el viable desarrollo de futuras aplicaciones médicas.

     Recientemente, los trabajos de los investigadores europeos Kostas Kostarelos (Centre for Drug Delivery Research, University of London´s School of Pharmacy), Alberto Bianco (CNRS Institute of Molecular & Cellular Biology, Strasbourg, Francia) y Maurizio Prato (Universidad de Trieste, Italia), han conseguido disipar estos miedos gracias a un completo trabajo de investigación publicado en Proccedings of National Academy of Sciences de los Estados Unidos. En su estudio describen cómo administraron a ratones nanotubos de carbono en disolución, tanto simples (SWNT) como complejos (MWNTs), vía intravenosa. Previamente estos nanotubos fueron marcados con trazadores (radiosótopos de In 111), de modo que pudiesen ser posteriormente identificados mediante microscopía electrónica. Los resultados han demostrado que tras circular por el flujo sanguíneo, los ratones expulsaron los nanotubos intactos, mediante la orina. No se encontraron restos de estos nanotubos en el corazón, el hígado o el bazo.

    De este modo se respalda toda una línea de investigación, que en un futuro promete aportar nuevas aplicaciones biomédicas de los nanotubos de carbono.

Pese a la creciente influencia de la nanotecnología, sus avances y posibles aplicaciones, uno de los problemas más comunes a la hora de comunicar y explicar los entresijos de una disciplina como ésta suele ser una presentación poco atractiva para el público de su utilidad y ventajas. La ciencia ficción ha sido tradicionalmente un buen medio de estimular el interés por el futuro de la ciencia, que acaba siendo en buena parte protagonista o escenario de sus historias, tanto en el cine, la literatura o, en el caso que nos ocupa, los cómics. Desde la propia comunidad científica se ha intentado transmitir que la percepción de esta ciencia puede tener un punto de humor; por ejemplo, a través de Grey Goos, una tira cómica protagonizada por nanobots. Según su creador Joel Fisher, "A veces la nanotecnología puede intimidar, queríamos darle una cara amistosa a esta tecnología, humanizarla". Lamentablemente, Grey Goos no llegó a la docena de apariciones. Una de sus entregas puede verse todavía aquí.

A otro nivel, muchas editoriales importantes del mundo del cómic cuentan con algún personaje imbuído de “poderes nanotecnológicos”, y, pese a lo que se pudiera imaginar, no siempre nos encontramos con fabulaciones futuristas y artilugios imposibles, sino que algunos guionistas se preocupan por documentarse y dotar de cierto fundamento a los elementos nanotecnológicos que aparecen en sus historias, dejando al margen las grandes urbes y ciborgs de los mangas asiáticos. Además, suelen presentarla como una tecnología de rostro amable y positiva, cuyos beneficios pueden aumentar el bienestar de la sociedad y los individuos.

Alan Moore (V de Vendetta), junto con Dan Jurgens, recreó en la serie Tom Strong el mundo del año 2050, donde, sin ser el núcleo de la historia, se puede ver cómo podría afectaría el desarrollo de esta ciencia a la vida cotidiana, y se pueden ver las superestructuras de la ciudad cambiando constantemente y autoregenerándose gracias a los materiales nanotecnológicos con los que se construyeron. Valiant Comics publicó la serie Bloodshot, protagonizada por un hombre al que le inyectan nanocuerpos, de forma tal que esta modificación biológica le da poderes curativos, de agilidad y fuerza superhumanos, de forma similar a lo que le ocurre a un personaje de Authority del sello Wildstorm (DC comics), llamada  The Engineer (La Ingeniera), una mujer cuya sangre ha sido sustituida por un fluido con avanzados nanomecanismos que además de mantenerla con vida recubren su cuerpo, protegiéndola, y le permiten materializar cualquier cosa que imagine su mente.

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     En un reciente artículo publicado en newscientist, se expone el desarrollo de un nuevo sistema óptico que en un futuro podría llegar incluso a devolver la visión a las personas ciegas. En el artículo se explica como la colocación de un implante en el fondo del ojo, permitiría liberar neurotransmisores con los que estimular las células de la retina.
     A diferencia de otras técnicas actuales, basadas en la aplicación de pequeñas descargas eléctricas directamente sobre la retina, esta técnica no genera el calentamiento de las células, ni requiere de baterías externas para su alimentación, puesto que funciona mediante energía solar.

      La retina contiene células fotorreceptoras capaces de liberar sustancias químicas (neurotransmisores) en respuesta a la luz. Estos neurotransmisores pasan a las células nerviosas situadas sobre los fotorreceptores, desde donde mediante una serie de reacciones eléctricas y químicas, las señales son transmitidas al cerebro, donde son descodificadas y convertidas en imágenes. Cualquier daño generado en los fotorreceptores puede provocar enfermedades como la degeneración macular o la retinitis, e incluso ceguera. (more…)

     Bajo un curioso y optimista título (”La nanotecnología mueve por vez primera una montaña”, http://www.tendencias21.net/La-nanotecnologia-mueve-por-vez-primera-una-montana_a719.html) descubrí una noticia de la que se hicieron eco numerosos diarios y foros sobre el avance de la nanotecnología en el movimiento de objetos. En este caso, investigadores de diferentes países han conseguido construir una máquina molecular sintética capaz de mover una gota visible un milímetro mediante un apuntador de rayos láser. Siempre he pensado que desde nuestro punto de vista los inventos que hacen menos cosas de lo que podemos hacer ahora mismo nosotros como seres humanos son infravalorados por nuestra sociedad, y en este caso mover un pequeño objeto es algo que ya sabíamos hacer nosotros. Lo que termina de resultar novedoso de esta máquina, como reza el espíritu de la nanotecnología, es su tamaño: la máquina es 80.000 veces más pequeña que el diámetro de un cabello, lo cual multiplica sus posibilidades de uso en regiones donde el tamaño es crítico: por ejemplo, dentro del cuerpo humano, moviendo la sangre de las arterias que recorren el cuerpo o favoreciendo el movimiento.
      El experimento consistió en recubrir una superficie de oro con una capa de moléculas especiales de rotaxano, cuya propiedad esencial es que puede modificar las características de la superficie en la que se encuentra en respuesta a impulsos lumínicos. Con un apuntador de rayos láser y aprovechando las fuerzas de repulsión entre moléculas que alteran la tensión en la superficie se consiguieron mover gotas 1 milímetro tanto en una superficie plana como con un desnivel de 12º. Sus inventores destacan que “a partir de estas ideas se podrán desarrollar músculos artificiales que utilicen nano-máquinas para realizar algunas tareas físicas”. Y es que no se han alcanzado aun las metas mayores y la nanotecnología aún no puede mover grandes objetos, pero la progresión en este campo aporta esperanzas a personas con problemas físicos que ven en estos avances una segunda oportunidad para adaptarse completamente a la sociedad de hoy en día.
      Destaca también que (more…)

Me disponía a escribir este artículo cuando una última duda me ha hecho volver a levantarme. He buscado la habitual cinta métrica olvidada en la caja de herramientas de mi casa y he medido las dimensiones de la CPU desde la que escribo. Les advierto que las primeras conclusiones, similares a las que tendrán ustedes si navegan desde un ordenador convencional, no han sido muy alentadoras: 18×42x48 centímetros. Digo esto porque el concepto de la nanotecnología, tan en auge estos últimos años y centro de las esperanzas de científicos de las más diversas áreas, se puede definir como el “estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala (nanometros)” y aparentemente la informática estaría muy lejos de la nanotecnología. Recordemos, como aparece en anteriores mensajes del blog, que 1 nanometro es igual a 10E-9 metros; más gráficamente, 1 pelo humano tiene el grosor aproximado de 100.000 nm. Entonces, ¿cómo estamos de lejos? ¿Qué tiene la nanotecnología de realidad en los últimos años? El mismo ejemplo del ordenador (ya introducido en este blog aquí) y visto premeditadamente de forma extraña al medir la torre de la CPU en la introducción, nos servirá para responder esta cuestión y comprobar la evolución de la informática en cuanto a tamaño.

Un procesador es la parte fundamental de un ordenador, así que nos centraremos en su estudio. En 1971 con la aparición del primer microprocesador (Intel 4004) se pudo insertar un procesador en un único chip, y desde entonces la mejora continua de potencia ha venido acompañada de una constante reducción de tamaño de los componentes existentes para poder integrar más elementos en la misma región (en la informática, estos componentes que se reproducen actualmente por billones en los chips son los transistores). El Intel 2004, poseía 2300 transistores y tenía un área de 10 mm2. ). Dando un salto en el tiempo de aproximadamente 30 años, encontramos los más recientes procesadores Pentium 4 de 112 mm2, con 125 millones de transistores, o el popular Core 2 Duo, con un área de 90 mm2 y 152 millones de transistores.

La primera conclusión es que para que esto haya sido posible el tamaño de los transistores ha tenido que disminuir de forma muy significativa. Las implementaciones del Pentium 4 trabajan con una tecnología de 90 nm (diámetro de un transistor), y en el Core 2 Duo con una tecnología de 65 nm (tamaños inferiores al de, por ejemplo, el virus Influenza como se aprecia en la imagen). Con los métodos actuales parece viable alcanzar una tecnología de hasta 15-20 nm. Este ejemplo pone de manifiesto la evolución de la informática, en la que ya se trabaja en escala nanométrica en los procesadores que usamos habitualmente (incluido éste en el que escribo, aunque esté “rodeado” de otros componentes), augura que la reducción de la información no se detiene y que la nanotecnología está ya en el mundo en que vivimos.

El uso de nuevas moléculas, que están en experimentación y no se usan actualmente en los ordenadores de uso personal, ya se está convirtiendo en el foco de muchos proyectos relacionados con la nanotecnología. Por ello y para terminar con el torrente de medidas sobre ordenadores, destacar uno de estos proyectos que pretende realizar un ordenador (autónomo e independiente) del tamaño de un grano de arena en Escocia

De aquí se desprenden 2 utilidades: por una parte el uso en arterias u otras regiones que requieren chips de tamaño muy reducido, y por otra permitir que se construyan objetos básicos de potencia limitada que puedan interconectarse en redes, por millones, para desarrollar una tarea de forma mucho más rápida. Si la expansión de la nanotecnología se mantiene al nivel previsto y su base teórica así parece corroborarlo, conseguirá una potencia de procesamiento sin comparación con cualquier ordenador actual, por rápido y complejo que éste parezca.

     Los nanomotores constituyen un interesante campo de investigación en nanotecnología. Se tratan de estructuras de escala nanométrica capaces de convertir energía química en trabajo o fuerza del orden de los piconewtons. Para ello, los científicos se han inspirado, una vez más, en la propia naturaleza. Encontramos ejemplos de nanomotores de gran belleza en bacterias flageladas. En estas bacterias se convierte la energía química almacenada en el ATP en trabajo mecánico. El diseño de nanomotores permitirá llegar más lejos y construir nanorobots, capaces de realizar toda una serie de funciones que incluso pueden llegar a ser terapéuticas, como por ejemplo  el transporte por el organismo de fármacos y su dosificación en el lugar adecuado. En un trabajo publicado en 2005  por la revista Nature, científicos holandeses dieron a conocer el primer nanomotor rotatorio light-driven sujeto a una superficie sólida, una nanopartícula de oro. Desde entonces, la evolución de estos dispositivos han permitido hacer girar objetos de un tamaño 10.000 veces superior al del motor.
 

     En cualquier caso, uno de los problemas que se plantean es el “encendido” y el “apagado” de estos nanomotores. Éstos deben estar acoplados a una fuente de energía y transformarla en energía mecánica de la forma más eficiente posible. Hay varias posibilidades, una de ellas sería aprovechar la energía desprendida en la formación de una aleación de estaño y cobre para impulsar así un nanomotor. El sistema tiene  la misma relación potencia-peso que un coche. Otro de los problemas a los que se enfrenta la “nanorobótica” es la elevada relación superficie-volumen de los componentes; esto genera una elevada adherencia al material sobre el que rueda el robot, lo cual se traduce en una gran fricción y rozamiento que disipa energía. A escala macroscópica este tipo de inconvenientes se puede solucionar mediante el uso de lubricantes pero a la escala de los nanómetros la solución no es tan evidente. Se plantea, por tanto, una nueva rama de investigación encaminada a la obtención de lo que algunos ya han denominado “superlubricidad” que permita reducir al mínimo la disipación de energía como consecuencia del rozamiento. Para ello ya se han ido planteando algunas ideas que, desgraciadamente, son difícilmente aplicables en situaciones prácticas. (more…)

Nuestros conceptos acerca de la naturaleza de la materia a menudo están muy influidos por los descubrimientos azarosos. Ningún evento reciente ha cautivado tanto la imaginación de los científicos y del público como el descubrimiento, hecho casualmente en 1985, de la molécula C60, con forma de balón de fútbol. Esta molécula, su pariente C70 y otras moléculas semejantes descubiertas en 1985 se conocen como fullerenos, o más comúnmente buckyballs .

A partir de estos descubrimientos, miles de grupos de investigación en todo el mundo han estudiado las propiedades físicas y químicas de estas moléculas tan estables. Éstas representan una tercera forma alotrópica del carbono además del grafito y del diamante. 

La preparación de los fullerenos es casi trivial. Cuando se establece un arco de corriente entre dos electrodos de carbono bajo una atmósfera de helio, el hollín que se deposita es rico en C60 y C70. Aunque la preparación es sencilla, la separación y purificación de unos pocos miligramos de C60 resulta laboriosa y costosa. Recientemente se descubrió que se pueden separar cantidades relativamente grandes de buckyballs mediante cromatografía de exclusión por tamaño. (more…)

Los elementos pueden existir en diversas formas, o alótropos, dependiendo de las condiciones y modos en que se han formado. Así se conocen más de 40 formas de carbono muchas de las cuales son amorfas y no cristalinas.

Por ejemplo, el coque es el residuo sólido que se obtiene después de separar los componentes volátiles del petróleo crudo o del carbón. La combustión incompleta de los compuestos orgánicos produce hollín. El negro de carbón es un importante producto comercial, que resulta de calentar los hidrocarburos a temperaturas cercanas a 1000ºC en ausencia de aire, y que tiene múltiples aplicaciones, entre ellas como tinta de impresión. El carbón activo es altamente poroso y posee la propiedad de absorber trazas de sustancias orgánicas del aire (filtros de aire, máscaras de gas) y del agua (filtros de agua). Probablemente las formas cristalinas más conocidas del carbono son el grafito y el diamante.

El grafito, el alótropo de carbón más estable, esta formado por un extenso sistema políciclico de anillos bencénicos fusionados que se disponen en capas, separadas entre sí 3,35 A. El carácter completamente deslocalizado de estas láminas, formadas únicamente por la unión de carbonos sp2, es el origen del color negro y de la conductividad del grafito. Además, como estas láminas pueden desplazarse lateralmente, el grafito tiene propiedades lubricantes. También se emplea en las minas de los lápices.

En el diamante, los átomos de carbono, todos ellos con hibridación sp3, forman una red entrecruzada de ciclohexanos en conformación silla. Debido a ello el diamante es incoloro, aislante, y el más denso y duro de los materiales conocidos. Es menos estable que el grafito, en 0,45 kcal/g De átomo de C. Se transforma en grafito a altas temperaturas o cuando se somete a una radiación de energía elevada, propiedad que, es poco apreciada en joyería. (more…)

El proyecto europeo GOODFOOD “Food Safety and Quality Monitoring with Microsystems”, pretende avanzar en la investigación y desarrollo de nuevos métodos analíticos basados en micro y nanotecnologías que se adapten a las necesidades del sector alimentario: los biosensores. En este caso los biosensores, tienen como finalidad garantizar la seguridad y calidad en toda la cadena alimentaria. Mediante el desarrollo de sistemas de detección de pequeño tamaño, bajo coste, bajo consumo energético, fácil manejo y respuesta rápida, será posible la utilización masiva de sistemas de control en las diferentes etapas de la cadena alimentaria desde la materia prima hasta el producto final.

En este proyecto europeo participan una buena cantidad de empresas europeas entre las que podemos encontrar algunas españolas como por ejemplo Azti-Tecnalia . Esta empresa ha presentado un nuevo prototipo de biosensor capaz de detectar en tiempos muy cortos, comparados con las técnicas tradicionales de análisis pesticidas en alimentos como el vino, etc., y patógenos (como la salmonela en comida o listerina en pescado). Sin duda seguiremos atentos a la evolución de estos dispositivos (biosensores) y hablaremos de ellos más detenidamente.