Nanotecnología: la revolución más prometedora.

Rodrigo Mitchell López Báez

Los avances científicos y tecnológicos van a un ritmo tan acelerado que apenas podemos

asimilar. La ley de Moore, expresa que la tecnología (en especial los transistores) sería cada

vez más pequeña y más eficiente (Moore 1975). Con un crecimiento exponencial,

proyectando que cada 18 meses la capacidad de los circuitos integrados se duplicaría. Sin

embargo esta ley, que ha sido bastante acertada, comienza a decaer pues nos topamos ante

límites físicos que impiden que el crecimiento continúe.

La nanotecnología tiene lugar en áreas como la medicina, la industria textil,

materiales, alimentos, electrónica, etc. Sus posibilidades son increíblemente sofisticadas y

es por todo esto que es de gran interés para los científicos y recientemente para los

gobiernos de países como EEUU, Japón, China y la Union Europea. Y se han dado cuenta

de que su desarrollo cambiará la forma en la que el ser humano resuelve sus necesidades.

En el 2008 la revista “Científica“ publicó las proyecciones que se tenían sobre las

inversiones de diferentes países en nanotecnología. Se estimaba que en el mundo se

invertirían 7,849 millones de dólares. En el 2011 Científica publicó que en el mundo ya se

han invertido 67,500 mdd y la inversión de Estados Unidos sería de 2,180 mdd y China

atrás con 1,300 mdd. Los gobiernos están interesados en el desarrollo de estas tecnologías

pues los beneficios son grandes. Esta ciencia multidisciplinar está llena de oportunidades.

Donde más se destaca es en la medicina, la industria farmacéutica y la electrónica. La

primera por fines muy humanos, la segunda también pero ciertamente lucrativos (es la

segunda industria que más dinero mueve) y la tercera por la era tecnológica en la que nos

estamos desenvolviendo. La nanotecnología será una revolución que cambiará la forma en

la que el ser humano, actualmente, resuelve sus necesidades.

La nanomedicina es la aplicación de las nanociencias para el control de estructuras

biológicas con precisión atómica, y así mantener y establecer la salud. Un gran problema en

la medicina es el bajo nivel de eficiencia y precisión en los medicamentos y aunado a esto

los efectos secundarios. Hace falta tiempo, investigación y recursos para perfeccionar

técnicas e innovar nuevas posibilidades, sin embargo se tienen muchas expectativas y ya se

ha comenzado a diseñar técnicas para hacer realidad la nanomedicina. Incluso muchos

proyectos en laboratorio ya están esperando poder actuar en los problemas de salud

actuales.

El diagnóstico es la primera parte en la identificación de una enfermedad. Mediante

resonancia magnética, ecografías y topografías se analizan los tejidos. Los nanodispositivos

son usados como agentes de contraste en la imagenología. Estos han presentado una mayor

eficiencia en comparación a los agentes tradicionales. Por ejemplo las nanopartículas

superparamagnéticas de óxido de hierro mejoran la sensibilidad en la resonancia magnética

para la identificación de tumores. Su detección es esencial para la determinación del

tratamiento a seguir. En el torrente sanguíneo corren glóbulos rojos (eritrocitos), glóbulos

blancos (leucocitos) y plaquetas. Estas últimas son las encargadas de la coagulación de la

sangre para controlar el flujo ante una hemorragia. Este proceso de hemostasia puede ser

identificado por nanopartículas que son afines a los componentes de las plaquetas. Así se

puede identificar dónde está el sangrado e incluso el paquete de nanopartículas podría

suministrar el medicamento apropiado para ayudar al proceso. Se han probado soluciones

nanohemostáticas que disminuyen el tiempo de sangrado sin dañar a células vecinas. De

forma similar se usan identificadores, para registrar el paso de sangre en arterias que

pueden ser responsables de infartos, así se pueden diagnosticar y prevenir. Un gran

problema en la administración de fármacos es su baja absorción y su escasa capacidad de

atravesar membranas biológicas. Incluso algunos no pueden ser administrados de forma

oral debido a la degradación enzimática que ocurre en el estómago. El uso de materiales

nanoestructurados que encierren a los medicamentos, permitiría la administración oral,

habría menos efectos secundarios como la irritación de la mucosa gastrointestinal y,

claramente, aumentaría su eficiencia. La liberación del fármaco sería de manera específica.

Se están trabajando con los llamados “buckyfulerenos“ que son esferas de átomos de

carbono con arreglos hexagonales y pentagonales. Pueden ser formadas por 60 átomos

(C60) e incluso de 540 átomos, siendo estás más inestables. Dentro de éstas esferas se

introduciría el fármaco y al llegar al sitio específico se liberaría. Lo cual permitiría que la

eficiencia de los medicamentos fuera hasta del 100%.

Una técnica muy interesante para curar enfermedades complicadas, es yendo directo

al ADN. Se pueden insertar secuencias de ARN que pueden modificar el código genético y

así poder arreglar alteraciones. Esto es algo real, sin embargo, lo complicado es penetrar

hasta el núcleo de las células y para configurar el ADN. Durante el camino, este ARN

sintético, se enfrenta al sistema inmune y a numerosas enzimas. Lo que se quiere

desarrollar son recubrimientos nanoestructurados que “oculten“ al ARN del sistema

inmunológico y así pueda penetrar hasta los más íntimo de la célula y poder efectuar su

misión. De poder llevarse esto acabo, está técnica podría ser el nuevo tratamiento y cura de

enfermedades como el cáncer y el sida. Los avances en la medicina en sinergia con la

nanotecnología son capaces de cambiar completamente el modo de vida de la especie

humana e incluso sea un paso más hacia la singularidad. Tenemos que esperar a que estas

nuevas tecnologías completen su desarrollo, que rompan esas barreras e iniciar una nueva

era. Como diría Thomas Kuhn, estamos en el periodo de crisis, dónde estamos rompiendo

paradigmas, a punto de que explote una revolución científica que cambiará el mundo como

lo conocemos.

Uno de los materiales más polémicos ha sido el grafeno, la tercer forma alotrópica del

carbono. Una capa bidimensional de átomos de carbono con un arreglo hexagonal. Se sabía

de su existencia desde hace más de medio siglo, pero se consideraba un material

sumamente inestable y complicado de sintetizar. En el 2004 Konstantín Novosiólov y

Andréy Gueim estudiaban al grafito. Un método para poder retirar impurezas y hacer un

mejor estudio es colocándole cinta adhesiva al grafito. Esa cinta adhesiva siempre

terminaba en los desechos, sin embargo Novosiólov quiso estudiar los residuos en la cinta y

se encontró con capas bidimensionales de carbono cristalino. En el 2010 Novosiólov y

Gueim fueron galardonados con el premio Nobel de física por los innovadores

experimentos con este material. Otros métodos de obtención de grafeno es la deposición

térmica del SiC, la deposición química de vapor (con la que se han conseguido incluso

monocapas de grafeno) y la exfoliación de óxido de grafito. Esta última ha sido de los

mejores enfoques para obtener grafeno en grandes cantidades u de manera económica, los

grupos oxígenos que crean la separación entre las capas de grafeno hace más fácil la

exfoliación. No obstante, len os primeros métodos que son más prácticos, se obtiene muy

poco material lo cual solo es funcionales para la investigación del material y no para su uso

a grandes escalas.

Lo que más ha llamado la atención de los científicos son las extraordinarias

propiedades que tiene el grafeno. Mecánicamente puede soportar presiones mayores a

1,060 GPa, siendo 200 veces más resistente que el acero. Su conductividad térmica es de

aproximadamente 3,000 W/mK siendo varias veces mayor a la del cobre. Su alta área

superficial específica de 2,630 m2/g lo convierte en un excelente material para almacenar

energía. La característica más popular ha sido su altísima conductividad eléctrica, teniendo

una movilidad electrónica de hasta 15,000 cm2/Vs a temperatura ambiente, muchísimo

mayor a la que posee el silicio.

Las propiedades de los materiales cambian de acuerdo la manera en la que sus átomos

están acomodados. Según se configuren los átomos de carbono podemos tener carbón,

diamante, fulerenos, grafeno o nanotubos. Además, cuando se manipula la materia a la

escala de átomos y moléculas se expresan fenómenos y propiedades totalmente nuevas.

Piezas de un material de tamaño nanométrico pueden presentar propiedades completamente

diferentes a las de mayor tamaño. Por las interacciones mecano-caunticas que se presentan

en los materiales nanoestructurales, no es físicamente posible simplemente hacer

maquinarias macrométricas a escala nano y esperar que funcionen de la misma manera. Un

claro ejemplo son los engranes. La física clásica puede explicar las fuerzas que influyen en

un par de engranes en un motor, pero a nivel molecular las interacciones cambian, fuerzas

como de Van Der Walls, electroestáticas y electromagnéticas alteran lo que nuestro sentido

común esperaría. Eso es la física cuántica, algo que nuestro razonamiento normal no puede

entender. “Pienso que se puede afirmar tranquilamente que nadie entiende la mecánica

cuántica... No te pongas a repetir, si puedes evitarlo '¿pero cómo puede ser así?' porque te

irás por una coladera hacia un callejón sin salida del que nadie ha escapado. Nadie sabe

cómo puede ser así." (Feymann 1959)

La nanotecnología puede conducir a la fabricación de nuevos materiales, aparatos y

sistemas con propiedades únicas que no pueden obtenerse con las tecnologías actuales de

procesado de materiales y fabricación. El silicio, con el que están hechos los transistores,

no es suficientemente resistente para soportar rayos de alta energía en el proceso de

fotolitografía. Al usar longitudes de onda más cortas se pueden moldear patrones más

pequeños y con una mejor resolución para que los circuitos integrados fueran más

pequeños. De igual manera, no podemos únicamente concentrarnos en dispositivos cada

vez más pequeños pues ya no serían funcionales para el trasporte controlado de electrones.

Hoy en día la industria electrónica está en busca de materiales semiconductores que puedan

soportar estas longitudes de onda y que al mismo tiempo sean eficientes a pesar de su

tamaño con un método de producción práctico y económico. Y por otro lado desarrollar una

electrónica molecular, donde la manipulación de átomo por átomo construya los circuitos

electrónicos. Aquí se ejemplifican claramente las dos formas en las que se trabaja la

nanotecnología: Bottom-up y Top-Down. La primera es la más prometedora, “construir de

abajo hacia arriba“ y puede ser mediante el autoensamblaje o la manufactura

molecular(electrónica molecular). Top-Down es ir reduciendo el tamaño de los dispositivos

mejorando su eficiencia (semiconductores más pequeños).

En el 2013 la Unión Europea aprobó un proyecto llamado Flagship Graphene, donde

se invertirán 100 millones de euros cada año durante los próximos 10 años a una meta muy

clara: convertitr al grafeno en el próximo silicio, usarlo como semiconductor y hacer

historia, cambiando la manera en la que hacemos electrónica, dispositivos y la manera en la

que convivimos los seres humanos. En el proyecto está involucrada la compañía Nokia y es

liderado por Novosiólov. Es un proyecto muy ambicioso que tiene en el centro un material.

Sin duda este proyecto marcará un punto de inflexión para el desarrollo de la

nanotecnología en el futuro.

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