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Foro-debate: La interrelación Nano-Bio-Info-Cogno

En esta ocasión, los investigadores Adriana Gil, de la empresa Nanotech, Ana Isabel Gracia del Instituto de Nanociencia de Aragón y Pedro Serena, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, darán, para nuestro foro-debate, una visión de la interrelación que existe entre la nanotecnología y otras tres disciplinas que han ido muy ligadas a ella desde su origen: la infotecnología, la biotecnología y la cognotecnología. 

NanoBioLa nanociencia y la nanotecnología estudian y hacen uso del comportamiento y las propiedades de la materia a escalas que abarcan desde unos pocos, a cientos de nanómetros. Tienen un marcado carácter multidisciplinar y abarcan áreas de conocimiento y aplicación muy diversas, algunas de las cuales tocan directamente el área de la biotecnología de forma que los desarrollos obtenidos en un campo beneficia también al otro. Del mismo modo, las tecnologías de la información y comunicación (TICs), son por un lado herramientas esenciales para el desarrollo de las tecnologías nano y bio, y a su vez, se benefician de los avances de éstas, por ejemplo con la miniaturización de dispositivos en micro-nanoelectrónica. Por último, las ciencias cognitivas completan el entramado participando en desarrollos comunes con las TICs en asuntos tales como inteligencia artificial y con las tecnologías nano y bio con desarrollos en biomateriales, materiales y dispositivos híbridos dirigidos hacia neurociencia o neurofarmacología.

Es interesante profundizar y desgranar este entramado para definir con claridad los vínculos entre estos cuatro sistemas de conocimiento y determinar el potencial que hay para futuros desarrollos, tanto en cuestiones básicas como en aplicaciones tecnológicas que afectarán a la sociedad. Con el fin de discutir sobre estas ideas pueden plantearse preguntas tales como, ¿Qué interrelaciones se pueden establecer ya entre las tecnologías Nano, Bio, Info y Cogno?, ¿Qué potencial tienen estas tecnologías para formar nuevas relaciones en el futuro?, ¿Qué aplicaciones nuevas pueden surgir del entramado NBIC?, ¿Puede hablarse de una nueva y gran revolución científica y tecnológica centrada en las NBIC?, ¿Qué tipo de empresas serán las encargadas de reabsorber estas nuevas ideas y transferirlas a la sociedad?, ¿Es posible pensar en una Nueva Economía alrededor de la convergencia NBIC? A continuación se presenta una serie de reflexiones relativas a estas cuestiones, que da paso a un análisis general del proceso de convergencia de las cuatro disciplinas involucradas, para finalmente describir algunos escenarios posibles en el desarrollo de la convergencia NBIC.

NanoInfoSi vamos ya a ejemplos concretos de interrelaciones entre estas tecnologías en desarrollo encontraremos una importante cantidad de trabajo dirigido al área de la salud, por ejemplo en el campo de los biosensores y técnicas de diagnóstico, en donde se unen principalmente herramientas nano y bio, siempre apoyadas por la tecnología de la información. Así mismo, aparecen los proyectos dirigidos a desarrollar tratamientos médicos localizados o al transporte y suministro local de fármacos. También en el campo de la salud, una imprescindible sinergia está ya establecida entre la bio y la info en lo que se llama la bioinformática, que permite por ejemplo diseñar fármacos computacionalmente, desarrollar terapias génicas o la ingeniería genética en los cultivos. Sobre las ciencias cognitivas, sus aplicaciones e interacciones con las otras tecnologías, también encontramos importantísimas áreas de trabajo ya en marcha, como es el caso del desarrollo de órganos artificiales o prótesis inteligentes, combinando los conocimientos de neurociencia, principalmente con tecnologías de la información y bio, y en muchos casos, con el área de nuevos materiales desarrollados gracias a la nanotecnología. De manera general, para entender mejor el funcionamiento del cerebro (ciencias cognitivas), tendremos que apoyarnos fuertemente en las herramientas que nos brinda la biotecnología y la tecnología de la información, que, a su vez aprovechará las conclusiones que se vayan obteniendo para proponer nuevas aplicaciones.

Teniendo en cuenta unos pocos ejemplos como los mencionados anteriormente, se pone de manifiesto que, si individualmente las cuatro tecnologías N, B, I, C tienen un potencial de desarrollo enorme, el de su combinación y sinergia es aun mayor. Por lo tanto, aunque se habla de revolución tecnológica con la Nanotecnología, en realidad el asunto es más amplio y tal revolución puede entenderse mucho mejor considerando la Nanotecnología acompañada de la Biotecnología, las tecnologías de la Información y la ciencia Cognitiva. La revolución vendrá dada por la convergencia de estos cuatro campos en desarrollo.

Foro-debate: ¿Qué influencia ha tenido la revolución digital en el desarrollo de la nanotecnología?

Para continuar con nuestro foro debate sobre nanotecnología, os presentamos las reflexiones realizadas por la profesora de la Universidad Complutense Paloma Fernández y el investigador del CSIC Javier Solís.

El interés creciente en el estudio de las propiedades y aplicaciones de los materiales estructurados en escalas meso- y nanoscópica parecen indicar que estamos asistiendo a una revolución científica perfectamente comparable a las ocurridas durante el siglo XX (cuántica, relativista y electrónica). En tan solo cinco años (2001-2005) el número de publicaciones científicas en el ámbito de las nano-ciencias ha superado los dieseis mil artículos, más de cinco veces el valor correspondiente al período  1996-2000, tal y como puede apreciarse en la Figura 1.

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Este crecimiento espectacular ha impulsado y, a la vez, es consecuencia de la evolución creciente de las cantidades de dinero público destinadas a financiar la investigación en nanociencia y nanotecnología (Fig.2, fuente: http//cordis.lu/nanotechnology), así como del creciente volumen de mercado (Fig.3) asociado a los productos nanotecnológicos que abarcan desde el sector deportivo a la cosmética.
A partir de esta puesta en contexto, vamos a abrir diferentes cuestiones relativas a la interrelación entre la nanotecnología y las tecnologías de la información (TIC) en tres ámbitos diferentes:
  1. Avance del conocimiento y la tecnología.
  2. Cambio de paradigma científico y revolución social.
  3. Interacción TIC´s , nanotecnología y sociedad

En próximos artículos debatiremos cada una de estas cuestiones…

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Unidad didáctica Nanociencia y Nanotecnología

Dentro del foro debate que estamos exponiendo en estos últimos dias, os proponemos que consultéis la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT). Recientemente ha publicado una nueva unidad didáctica sobre la nanociencia y la nanotecnología, dos disciplinas emergentes, con un elevado carácter multidisciplinar y con especial relevancia científica y social. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnología a partir de la investigación básica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevos materiales con aplicaciones en medicina (fabricación de ligamentos o tendones artificiales) o en construcción (edificios que se puedan autoabastecer energéticamente), hasta dispositivos electrónicos cada vez más diminutos y potentes.

Esta publicación puede encontrarse gratuitamente en la página web de FECYT, y descargarse en formato pdf:

http://www.fecyt.es/fecyt/seleccionarMenu1.do?strRutaNivel1=;Publicaciones&tc=publicaciones

La unidad didáctica está principalmente dirigida a estudiantes de Secundaria, y está elaborada por un grupo de científicos coordinado por José Ángel Martín Gago. El subtítulo de la unidad da un claro ejemplo de la transcendencia actual de la nanociencia y la nanotecnología: Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Por ello, y pensando en la diversidad de los lectores, se abordan los temas principales de estas disciplinas desde el rigor científico, pero de forma amena y accesible al público general.

A lo largo de los capítulos se tratan temas como nano-herramientas, nano-materiales, nano-química, nano-biotecnología, nano-electrónica, nano-simulación, nano-aplicaciones y nano y sociedad. Para aquellas personas que quieran adentrarse en este mundo de la nanotecnología, este libro puede ser un buen comienzo…

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Foro-debate: ¿Qué nuevos avances son previsibles debido a descubrimientos clave en nanotecnología y de impacto en la sociedad?

Continuando con el foro debate sobre nanotecnología, vamos a plantearnos algunas preguntas sobre cual es el alcance de la nanotecnología, en que áreas del conocimiento y de la investigación puede influir, y de qué manera. Para ello, presentamos los comentarios y las reflexiones de los profesores de la Universidad Complutense de Madrid, Bianchi Méndez y Francisco Domínguez-Adame.

Aventurarse a predecir futuras aplicaciones del conocimiento científico siempre resulta una tarea arriesgada, y con más razón cuando se trata de un conocimiento tan joven como la Nanociencia. No obstante, a la luz del camino ya recorrido es posible adivinar algunas de las implicaciones futuras de este conocimiento. Los campos científicos y tecnológicos que podrían beneficiarse a medio o largo plazo son muchos y variados.
Sin ánimo de ser exhaustivos, podemos destacar algunas de las ramas del saber y de la técnica que pueden aplicar la Nanotecnología en un futuro no demasiado lejano.

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NANOMATERIALES

A medio plazo podemos destacar las siguientes mejoras:

  • Televisiones y pantallas para presentar información. Se pretende aumentar el área útil de estos dispositivos, mejorando el brillo de los actuales TFT. Nanocristales de seleniuro de cinc o de sulfuro de cadmio con candidatos muy prometedores que, además, permitirían reducir el consumo energético.
  • Aditivos en combustibles: Se ha comprobado que las nanopartículas de óxido de cerio permiten reducir el gasto de diesel.
  • Baterías: Es clara la necesidad de aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías que se utilizan en dispositivos móviles (ordenadores portátiles, teléfonos). Se ha comprobado que los nanocristales sintetizados por técnicas sol-gel mejorar dicha capacidad debida a su estructura aerogel.
  • Catálisis: La eficacia de este proceso depende fundamentalmente del área, y la razón área/volumen es mayor en partículas de pequeño tamaño.
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Nanomateriales aplicados a dispositivos electrónicos y los tres tipos de geometrías de nanotubos de carbono

Las aplicaciones a largo plazo podrían ser:

  • Composites de nanotubos de carbón, que deberían presentar unas excepcionales propiedades mecánicas (alta resistencia y poco peso).
  • Lubricantes: Se pretenden utilizar nanoesferas de materiales inorgánicos que actúen como pequeños rodamientos, reduciendo el desgaste de superficies sometidas a grandes tensiones mecánicas.
  • Materiales magnéticos: Los nanocristales de ytrio-samario-cobalto presentan grandes campos cohercitivos. Su uso mejoraría las prestaciones de ciertos instrumentos como aquellos utilizados en Resonancia Magnética Nuclear. Asimismo, podrían mejorar la capacidad de almacenamiento de información de los discos duros empleados por los ordenadores.

ELECTRÓNICA

  • Miniaturización de circuitos integrados: Esta objetivo sigue siendo esencial para el desarrollo de la electrónica tal y como la conocemos hoy día. Se  cree que la tecnología de 22 nm estará disponible en unos 10 años.
  • Cristales fotónicos, con mejores rendimientos para focalizar haces de luz, mejorando la eficiencia de las guías de luz. Por ejemplo, un típico cristal fotónico podría estar basado en redes de agujeros realizados en un dieléctrico, cada uno fabricado con una precisión inferior a los 10 nm. Las imperfecciones deben ser necesariamente pequeñas porque en caso contrario se degradan las bandas prohibidas de estos dispositivos.
  • Computación cuántica y criptografía cuántica: Los puntos cuánticos basados en semiconductores son candidatos ideales para fabricar dispositivos que permitan aplicar todas las teorías que ya existen sobre computación y criptografía cuánticas.
  • Sensores: El sensor ideal es aquel de pequeño tamaño que resulte mínimamente invasivo. Para fabricar un dispositivo de 1 mm2 que contenga una fuente de alimentación, el sensor y el transmisor de la señal es indudable que se requiere una alta miniaturización.
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Diferentes geometrías de cristales fotónicos

BIOTECNOLOGÍA

  • Nanofarmacología: El transporte de los fármacos a los lugares específicos del cuerpo donde son necesarios reduce la necesidad de ingesta alta dosis de los mismos y mejora su eficacia. Así, se especula que los nanocristales de plata podrían liberar iones de plata durante un largo intervalo de tiempo, actuando sobre un espectro de unos 150 agentes patógenos.
  • Nanosensores: Al disminuir su tamaño resultan menos invasivos y por tanto más beneficiosos para el diagnóstico médico.
  • ADN: Sus propiedades de carácter semiconductor cuando se ha eliminado el agua son muy prometedoras para su uso como nanohilos. Además, tiene unas cualidades muy atractivas para su aplicación en nanoelectrónica por su capacidad para auto-ensamblarse y duplicarse. Se alcanzaría así el objetivo de conseguir circuitos electrónicos con capacidad para auto-repararse.
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Molécula de ADN

 

Para saber más sobre el trabajo que desarrollan estos profesores, visita las páginas web de sus grupos de investigación sobre nanotecnología:

Francisco Domínguez-Adame: QNS: Quantum Nanosystems

Bianchi Méndez: Micro y nanocaracterización de materiales electrónicos

Foro-debate: ¿Qué es la nanotecnología?

Para comenzar esta nueva sección, exponemos las líneas generales debatidas por los expertos a cerca de qué es la nanotecnología. Esta contribución está realizada por los profesores Bianchi Méndez y Francisco Domínguez-Adame, del Departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense de Madrid.

El desarrollo de la investigación científica y tecnológica suele conducir a la aparición de nuevos campos de investigación con gran impacto en la sociedad. Este parece ser el caso de la Nanotecnología, que ha emergido como una nueva corriente en el ámbito científico, que abarca diversas disciplinas y nos plantea nuevos retos científicos y tecnológicos. Uno de los aspectos comunmente aceptados en Nanotecnología es el carácter multi- e interdisciplinar. Por ello, con el objeto de iniciar el debate y no limitar el campo científico desde el cual recibir aportaciones, nos planteamos una primera pregunta, para que sea objeto de análisis y discusión: ¿A qué llamamos nanotecnología y cuales son los campos más representativos en la actividad científica en este terreno?
El objetivo es esclarecer al máximo posible el propio concepto de nanotecnología, pero la empresa no es sencilla. ¿Por qué? presentamos un bosquejo de posibles respuestas.

Quizá uno de los problemas sea intentar poner límites o acotar los campos de aplicación de la nanotecnología, pero nadie se quiere apear de este tren llamado nanotecnología, que actualmente marca el rumbo de la investigación científica y tecnológica. Esta línea ocupa uno de los primeros puestos en los Programas de financiación nacionales e internacionales. Por ejemplo, en el 7º Programa Marco de la Comunidad Europea destinará un presupuesto de 3,5 billones de euros a "Nanociencias y Nanotecnologías" en los próximos años.  Por tanto, podemos caer en la tentación de reconvertir en nanotecnología las líneas y los temas de investigación que ya se venían desarrollando desde una perspectiva en la cual no aparecía el concepto de nanotecnología, con el objetivo de no quedar excluidos en algunas áreas de investigación.

Otro aspecto a considerar es el uso de los términos  nanociencia y nanotecnología.  En los foros científicos se viene utilizando de modo generalizado el término nanotecnología, aunque en muchos casos se refiera a investigación básica y por tanto, más cerca de la nanociencia. También se puede dar la situación inversa, trabajar en nanociencia, pero con objetivos de aplicación y desarrollo tecnológico. Por tanto, podemos considerar que Nanociencia y Nanotecnología están íntimamente relacionadas y que el avance de ambas depende una de la otra.

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Los avances actuales en investigación científica se enmarcan en el ámbito de la nanociencia y la nanotecnología. Y esto es algo que se pretende transmitir a la sociedad. Parece que estamos ante una revolución científica que afecta a diversas disciplinas. Está claro que el concepto de nanotecnología es amplio, del mismo modo que la tecnología (sin el prefijo "nano") es amplia, y de hecho, existen numerosas especialidades tecnológicas. El problema cuando queremos definir algo que comprende muchos aspectos, es que una definición aceptable por la mayoría puede quedar un poco difusa.

Podemos partir de la definición más inmediata atendiendo a la etimología de la palabra usada: la nanotecnología se refiere a la investigación con objetos y entidades en el campo de los nanometros. Recordemos que un nanometro es la millonésima parte de un milímetro. La multidisciplinaridad vendría dada según la naturaleza de los objetos a estudiar. Sin embargo, los átomos, las moléculas y otras estructuras de tamaños en el orden de los nanometros ya se venían estudiando desde hace 100 años, y no se llamaba nanotecnología. En el contendio relacionado se muestra en qué lugar se sitúan los nanometros en una escala de longitudes, con objetos típicos para cada intervalo de longitud.

La Unesco ha elaborado un documento que recoge una definición dada por la US National Nanotechnology Iniciative, que va más allá del mero tamaño del objeto de investigación:
"La nanotecnología implica investigación y desarrollo tecnológico a nivel atómico, molecular o macromolecular,  en la escala de longitudes de 1 a 100 nm, con el objetivo de proporcionar una comprensión fundamental de los fenómenos y materiales a esta escala y de usar y manipular estructuras, dispositivos y sistemas que presentan nuevas propiedades y funciones debido a sus pequeños tamaños."

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Esta definición aportada por Estados Unidos, se acota en China, Japón y Corea, donde centran su atención en los materiales, especialmente en los electrónicos.  En África y América latina ponen el énfasis en los materiales dentro del contexto de la medicina y ciencias ambientales. Por otra parte, la Real Sociedad del Reino Unido hace una distinción entre nanociencia y nanotecnología, de modo que a la primera le compete el estudio y manipulación de partículas nanométricas, y a la segunda el diseño, caracterización y producción de estructuras, dispositivos y sistemas en esta escala.

En la página web de la UK Royal Society se ha publicado un informe titulado: "Nanosciences and nanotechnologies: opportunities and uncertainties" que ilustra la gran potencialidad de la nanotecnología.