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Enseñanza de Nanociencia y Nanotecnología con un
enfoque STEM
Ivonne Rosales Chávez1, Laura Saldivar Tanaka2, Mónica Anzaldo Montoya3
1Facultad de Química, UNAM, 2Egresada de El Colegio de México, 3Conacyt-El Colegio de San Luis, A.C.
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3
Dra. Laura Saldívar Tanaka
•Lic. en Biología, UNAM; Maestra en Ciencia Cornell University
•Investigadora independiente
Temas de investigación: Política pública en materia ambiental y de ciencia ytecnología; regulación de riesgos tecnológicos, con énfasis en nanotecnología;desarrollo alternativo y sustentable; manejo comunitario de recursosnaturales; gobernanza ambiental; métodos participativos (diagnóstico,planeación, ordenamiento y evaluación); género y desarrollo; educaciónambiental; producción y promoción de la agroecología.
Asociaciones: Comité Técnico de Normalización Nacional en Nanotecnología(CTNNN); Redes temática CONACYT Nanociencia y Nanotecnología yConvergencia
• Licenciada en Relaciones Internacionales (UDLAP) y Doctora en Desarrollo Científico y Tecnológico para la Sociedad por el CINVESTAV
• Investigadora CONACYT-El Colegio de San Luis
• Temas: estudios sociales de la CyT, políticas de CTI, gobernanza de las nanotecnologías, soberanía alimentaria y conocimientos científicos.
• Miembro de la Red Latinoamericana de Es. Sociales de las NT y Comité Técnico Nacional en Nanotecnologias (CTNNN)
4El Colegio de San Luis
5
Dra. Ivonne Rosales Chávez
• Lic. Química y Dr. en Ciencia e Ingeniería de Materiales
• Catedrático UNAM
Temas de investigación: Arqueometría, cristalografía & Relacionescristalográficas grupo-subgrupo, nanociencia, especialización en técnicas deanálisis de superficie como MEB – MSB-MFA
Asociaciones: International Union of Crystallography, CTNNN – Comité deNormalización Internacional Espejo de la ISO, Red Temática de Nanociencias yNanotecnología de México
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nanociencia & nanotecnología
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Crema facial
1. ¿Por qué presentan dichaspropiedades?
2. ¿De qué están hechos?
Átomo Molécula Virus Bacteria Célula Línea Pelota de tenis
Imagen adaptada de:
¿Qué es la nanoescala?
Nanomateriales
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Microscopio electrónico
de transmisión
Microscopio electrónico
de barrido con electrones
Microscopio de fuerza atómica
Átomo Molécula Virus Bacteria Célula Línea Pelota de tenis
Imagen adaptada de:
¿Qué es la nanoescala?
Nanomateriales
1 nm =1 x10-9 m
doi: dx.doi.org/10.21521/mw.6046
Mucha, A & Janecsek, M
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SARS-COV280-220 nm
2020
SARS-COV280-220 nm
2020Virus
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Vírus gripe aviar, H5N1
Nanociencia
Ciencia interdisciplinaria:Física-Química-Biología-Ingeniería...
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La nanotecnología permite realizar el diseño y fabricación deestructuras o materiales en la nanoescala con múltiples aplicacionesa partir de moléculas, partículas, etc.
• medicina• ingeniería• ciencia de los materiales • ciencia de la computación• biología• virología
Nanotecnología
Bottom up
Top down
Nanomateriales
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Vírus Covid-19
• vacunas • desinfectantes • diagnósticos
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Recubrimiento de TiO2 nanométrico que neutraliza odescompone compuestos orgánicos volátiles y óxido denitrógeno que hay en el aire contaminado, permitiendo laautolimpieza de la superficie
TiO O
https://modelosparametricos.wordpress.com
Edifícios come smog
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Crema facial
1. ¿Por qué presentan dichaspropiedades?
2. ¿De qué están hechos?
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Tabla periódica de
los elementos químicos
Dmitri Mendeléyev
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Construyendo bloques para la nanotecnología del mañana
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Hidrógeno - H
Calcio - Ca
Carbono - C
Oxígeno - O
Nitrógeno - N
Cloro - Cl
Idea basada en el trabajo “Chemistry with Lego” desarrollado por Riccardo Bonomi y proyectos educativos del Edgerton Center del MIT
LEGO
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Base
O8
N7
C6
F9
He2
Ne10
IVA VA VIA VIIA
VIIIAX Y
Regla del octeto
Valencia (química)
Electrones implicados en elenlace con otros átomos
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Agua
OH
HOH
H
OH
H
OHH
OHH
OHH
Molécula de agua, H2O
H O H
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Sal
Na Cl
Molécula de agua, NaCl
Na Cl
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1-D nanotubos
C6
carbono
Ti22
titanio2-D película delgada
0-D nanopartículas
Nanoestructuras
3-D nanocristales
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Uso de anticuerpos como constructores de nanotecnología
Estructuras con dimensiones nanométricas (1x10-9 m)
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Estructuras y moléculas de tamaño nanométriconaturales, incidentales o sintetizadas
Enlace iónico compuestos
Enlace covalentemoléculas
NaCl
Nanomateriales
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nanociencia & nanotecnología
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Productos en los principales sectores:
Electrónica: 1925
Medicina: 1065
Construcción: 838
Cosméticos: 828
Textil: 765
Automotriz: 628
Ambiental: 547
•8879 productos
Fig. Principales NM usados en productos por sector industrial
https://product.statnano.com/
Aplicaciones
Desinfección y control de propagaciónSuperficies auto desinfectantes, con materiales que contienen polimeros con NP de metales como cobre, plata y zinc
Productos desinfectantes que contienen NM, aparentemente menos tóxicos y mas eficientes que los existentes. •Nano-plata: antibacterial y antiviral HIV •Nano-cobre: efectivo contra el virus HuCoV229E
NMs en equipo de protección personal (PPE):• Mascarillas• Filtros de aire • Textiles para los uniformes de protección• Equipo para rastrear contagio
Aplicaciones Vs. COVID-19
NM con propiedades antivirales y antimicrobianas, matan o inactivan bacterias, hongos y levaduras
Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406 https://product.statnano.com/industry/medicine
Diagnostico y monitoreo
Pruebas de diagnoticos altamente específicos, sensibles y rápidos, utilizan la NT y los NM.
•NP de oro o grafenos con anticuerpos como indicadores.
•NP de oro en bio-sensores
Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406
Los nano-biosensores son una alternativa a los equipos de laboratorio, para análisis clínicos y ambientales
https://media1.picsearch.com/is?vxzpvnicTs9D8kwzYaHD_CXqBp0scA2PeV3458lHsG4&height=181
https://media5.picsearch.com/is?uJgiA95zKITctEOguRYGdaK-lgimL0yv66ngLHAagHA&height=253
Aplicaciones Vs. COVID-19
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Diagnostico y monitoreo
Pruebas de diagnoticos altamente específicos, sensibles y rápidos, utilizan la NT y los NM.
•NP de oro o grafenos con anticuerpos como indicadores.
•NP de oro en bio-sensores
Aplicaciones Vs. COVID-19
Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406
Los nano-biosensores son una alternativa a los equipos de laboratorio, para análisis clínicos y ambientales
https://media1.picsearch.com/is?vxzpvnicTs9D8kwzYaHD_CXqBp0scA2PeV3458lHsG4&height=181
https://media5.picsearch.com/is?uJgiA95zKITctEOguRYGdaK-lgimL0yv66ngLHAagHA&height=253
Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406
Ataque y desactivación del SARS-CoC-2 en pacientes- Farmacos con NMs en aerosoles que puedan penetrar en los pulmones ya infectados. Vacunas suministradas por nano-portadores no toxicos ni inmunogénicos y que evadan a los fagocitos.
Fig. NM para neutralizar virus y elaborar vacunas e inmuno moduladoresSuprimir la respuesta inmunológicaLa NT puede ser usados para regular la respuesta inmunológica: 1.Suministrando inmunosupresores a celulas y organos específicos.
2.Nano-herramientas diseñadas explicitamente para modular el sistema inmunológico
Aplicaciones Vs. COVID-19
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Necesidad de estudios que prueben su innocuidad
Convergencia Equipos multi e interdisciplinarios e internacionales que buscan soluciones a esta crisis que nos afecta a todos, sin embargo es escencial llevar a cabo estudios de:
•Nano-eco-toxicidad. Los NMs suelen tener propiedades nuevas respecto a sus homologos de mayor tamaño, se aglomeran y agregan y pueden acumularse y biodegradarse de forma diferente.
•Aspectos Eticos, Legales, Sociales y Ambientales (ELSA). • Nano Bio dilemas éticos;• Costos de la investigación en NC y NT es muy costosa• Posibles efectos medio ambientales, poco estudiados sobre los efectos que la industria NT
pueda tener a lo largo de su ciclo de vida, desde la extracción hasta la disposición de desechos.
Necesario asegurar que no existan efectos no deseados y se desarrolle bajo la lógica de una ciencia y tecnología e innovación responsables (RCTI)
Rip 2011; Kjølberg K.L & Roger Strand 2011; Stilgoe et al. 2013
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Ejemplos de lecciones tardías de avisos tempranos:. Benceno. Clorofluorocarbonos. Plomo en gasolina. Mercurio - Enfermedad de Minamata. Humo del cigarro. DDT. PCB. Cambio climático. Asbesto. Organismos Genéticametne Modificados. Radiación de celulares. Nanotecnología
NP Ag – Bactericida - daño en invertebrados acuáticos•¿Podría crear más resistencia a antibiótico?•¿Podría llegar a cuerpos de agua y afectar bacterias benévolas? •¿Qué otros efectos a la salud puede tener?
NTC – Parecido a las fibras de asbesto, daño mitocondrial, ADN, estrés oxidativo.
TiO2_ Traspasa la piel y las membranas celulares,
potencialmente inflamatorio, induce estrés oxidativo
Otras NPs y grafeno – inflamación, citotoxicidad, estrés oxidativo, daño ADN, mitocondria y pared celular.¿Pueden tener efectos similares a otras partículas ultra finas si se liberan en al aire?
Avisos tempranos
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Necesidad de regulaciones que nos protejan de posibles efectos no deseados
Enfoques de cómo se debería de regular:Nueva regulación – Especifica tipo “Nano-Act”, “Ley de nanoseguridad”Incremental – Modificar lo existente
Regulación existente nanoespecífica:Obligatoria / dura: Regulación Europea:
• Reglamento de químicos (REACH) • Etiquetado en Reglamentos de cosméticos, información alimentara, biocidas.
Voluntaria / suave : registros, etiquetado voluntarios, códigos de conducta, sistemas de manejo de riesgo, estándares técnicos •Unión Europea, Code of conduct for responsible nanosciences and nanotechnologies research•México: Normas mexicanas técnicas (NMx) •Normas ISO TC-229, 81 publicadas •Guías OCD – métodos de prueba y evaluación del riesgo a la salud y el ambiente
Tipos: Reactivo vs. Preventivo vs. Precautorio Saldívar, 2018, 2019, 2020
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Necesidad de utilizar un enfoque precautorio
Incertidumbre respecto a los efectos de los NMs.
El Principio de Precaución ayuda a tomar decisiones políticas en situaciones de gran incertidumbre.
1. Evaluación del riesgo objetiva y por expertos
2. Gestión del riesgosubjetiva, normativa,
respuesta política
SRU, 2011; Gee, 2013; Hansen, et al, 2013
Razones para llamar al PP•Datos de toxicidad/ecotoxicidad intrínseca•Novedad (es decir, baja relación conocimiento/ignorancia)•Persistencia ecológica o biológica•Potencial de bioacumulación•Amplio rango espacial en el entorno (potencial para la dispersión global).•Gravedad de los peligros potenciales•Irreversibilidad de peligros potenciales•Pruebas análogas de peligros conocidos•Distribución no equitativa de los impactos peligrosos en regiones, personas y generaciones particulares•Disponibilidad de alternativas factibles
Medidas bajo el PP:•Aumentar estudios sobre posibles riesgos $•Informar al público (etiquetado, educación)•Promover la participación de otros sectores en la toma de decisiones•Limitar liberación al ambiente•Limitar exposición a los consumidores•Limitar exposición laboral•Negar autorizaciones•Moratoria•Prohibición
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El contrato social de la ciencia y la tecnología es un acuerdo tácito a través del cual la sociedad sostiene el
apoyo a la investigación científica a cambio de innovaciones que beneficien a la colectividad
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El contrato social de la ciencia y la sociedad
Fuente: Traducido de Guston, 2000
Política
Ciencia
Recursos Públicos
Innovaciones
0.557
2.141
4.528
0.354 0.393 0.388 0.398 0.369 0.398 0.444 0.48 0.495 0.471 0.421 0.425 0.435 0.43 0.388 0.328 0.313
2.379
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
ARG CHN EU28 JPN KOR MEX OECD USA
Fuente: Elaboración propia con datos de OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020
Intensidad del gasto en I+D: Porcentaje del PIB, 2000-2018
MEX
OCDE
Gasto en I+ D por sector en países de la OCDE, 2007-18
71% del total del gasto en I+D en los países miembros de la
OCDE proviene del sector industrial
Fuente: elaboración propia con base en RICYT, http://www.ricyt.org/category/indicadores/
Gasto en I+D en México, 2017
En Mx, durante el periodo 2012-2018, 13% del
gasto en I+D se destinó a apoyar al Programas de
Estímulos a la Innovación (empresas)
Fuente: OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020
Direccionalidad del gasto en I+D de los países de la OCDE, 1990-2018
Fuente: OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020
Implicaciones de la política científica
Los recursos a la I+D no están necesariamente
orientados a temas apremiantes de interés social.
En general, las I+D del sector privado priorida temas
de interés corporativos o de actores cercanos.
La PCTI permite establecer prioridades de
investigación nacionales y locales
La PCTI puede orientar las agendas de investigación
individuales
Disponer recursos en temas de investigación
desplazados (undoing science)
Generar una política de análisis de riesgos derivados
de las tecnociencias42
• A partir de la década de los 80-90’s el
contrato social entre la ciencia y la
sociedad comienza a cuestionarse….
Expertos, riesgo y democracia
Encuesta realizada en 2007 a nanotecnólogos y público en general muestra la diversidad de puntos de vista sobre los efectos sociales de las NT.
43Scheufele, D. “Scientists worry about some risks more than the public” Nature Nanotechnol. 2,
732–734 (2007).
¿Es la evaluación de las nanotecnologías una tarea solo de los expertos?
La evaluación de las NT es un asunto técnico pero sobre todo político y cultural, por lo cual, las decisiones deben tomarse en lo posible, en procesos democráticos.
Los expertos no son electos y se presenta el problema de muchas manos.
Sarewitz (2015) Science can’t solve it, Nature.
Se ha puesto atención en cómo los
científicos pueden comunicar sus ideas a la
sociedad, pero se discute poco acerca de
cómo hacer que la ciencia escuche a la
sociedad.
¿Politizar las nanotecnologías?
• La politización implica cuestionar las relaciones de poder previamente incuestionadas y ausentes de la esfera política.
• Se politiza aquello que requiere discutirse en la arena pública, generalmente para dar cuenta de las injusticias.
• Significa revelar conflictos latentes o crear nuevos conflictos en la toma de decisiones políticas (Brown, 2009)
45Brown (2009) Three Ways to Politicize Bioethics, The American Journal of Bioethics
Nanotecnología en la Agricultura y Alimentación
NANOALIMENTOSTodo alimento cultivado, producido, procesado o envasado mediante el empleo de técnicas o herramientas nanotecnológicas, o al cual se
le han agregado nanomateriales manufacturados” (Joseph y Morrison, 2006)
AGRICULTURA
PESTICIDAS
Productos químicos de nueva generación
que se utilizan para la protección de
cultivos en la agricultura.
Los plaguicidas se encapsulan mediante
nanopartículas para minimizar las dosis de
plaguicida que se utilizan en el cultivo y obtener
el máximo efecto con una acción más específica
de los plaguicidas
FERTILIZANTES
Productos químicos que proporcionar a las
plantas nutrientes esenciales que no
encuentran en el suelo.
La liberación controlada de NF puede aumentar
significativamente la eficiencia del uso de
nutrientes
ALIMENTACIÓN
ENCAPSULACIÓN Y
ENTREGA DE
NUTRIENTES EN LOS
ALIMENTOS
Las nanopartículas se utilizan para encapsular o
encerrar vitaminas u otros nutrientes y llevarlos a
través del estómago directamente al intestino para
ser absorbidos por el torrente sanguíneo. Esto
significa que no se descomponen en el estómago
y, por lo tanto, el cuerpo puede utilizarlos para
mejorar la salud.
Aumentar las propiedades nutricionales de los
alimentos.
Mejorar la biodisponibilidad de sustancias en el
organismo
Suplementos alimenticios
EMPAQUETAMIENTO
DE ALIMENTOS
Desarrollo de contenedores / envases de
alimentos que eliminan los gérmenes que
hacen que los alimentos se desprendan.
Se desarrollan envases con propiedades
antimicrobianas.
Mejorar la inocuidad de los alimentos
Aumentar el tiempo de conservación de
alimentos
Fuente: con base en Peters, et al., (2014) 46
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• +600 productos
• + 200 Compañías
• Países: India, UK, Alemania, Estados Unidos, Brasil
• Mercados importantes:
fertilizantes, medicamentos veterinarios, alimento para animales en el sector pecuario, reguladores del crecimiento de las plantas, suplementos alimenticios, empaquetado de alimentos.
Fuente: Nanotechnology products data base
Aplicaciones de las NT en la Agricultura y Alimentación
Régimen Agroalimentario Corporativo (McMichael, 2009; 2015)
48
Soberanía Alimentaria
¿Qué está en juego?
¿Cómo GOBERNAR las nanotecnologías para impulsar un sistema agroalimentario que apoye la soberanía
alimentaria?
DERECHO de los pueblos a la tierra, a los mercados, alimentos sanos, culturalmente apropiados y producidos localmente
Agradecemos su atención
Ivonne Rosales Chávez-FQ-UNAM
ivonne.rosales.ch@química.unam.mx
Laura Saldívar Tanaka-Egresada COLMEX
Mónica Anzaldo Montoya-CONACYT-COLSAN
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50
http://www.mi2g.co.uk/cgi/mi2g/frameset.php?pageid=http%3A//www.mi2g.co.uk/cgi/mi2g/press/110210.php
https://www.openpr.com/news/587032/flexible-thin-film-and-printed-battery-market-analysis-and-industry-forecasts-2014-2022.html
https://www.nano4life.ec/
https://alonetog3ther.wordpress.com/2019/08/27/review-innisfree-blueberry-rebalancing-watery-sun-cream-spf45-pa/
https://www.ecomundo.eu/en/blog/nanomaterials-in-cosmetics
https://uwaterloo.ca/tsinghua-uwaterloo-joint-research-centre-micro-nano-energy-environmental-technology/tsinghua-waterloo-joint-forum-advances-energy-and/
https://www.youtube.com/watch?v=8RKjzYW5Bhg
https://www.youtube.com/watch?v=8RKjzYW5Bhghttps://edgerton.mit.edu/k-12/teacher-resources/k-12-curriculum/atoms-molecules/understanding-air
https://tenor.com/es/ver/bricks-lego-fixing-gif-13642468
Referencias
• https://product.statnano.com/• Weiss (2020) Toward Nanotechnology-Enabled Approaches against the COVID-19 Pandemic. ASCnano 14,
6383−6406 • Kjølberg K.L & Roger Strand (2011) Conversations About Responsible Nanoresearch. Nanoethics 5:99–113• Rip (2011) . (2011). The past and future of RRI. Life Sciences, Society and Policy 10: 17• Stilgoe et al., (2013) Developing a framework for responsible innovation. Research Policy 42 1568- 1580.• Saldívar-Tanaka, L. (2019). Regulando la nanotecnología. MundoNano. Vol. 12, No. 22, enero-junio: 1e– 21e.
http://dx.doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2019.22.63140• Saldívar-Tanaka, L. (2020). Regulación blanda, normas técnicas y armonización regulatoria• internacional, para la nanotecnología. MundoNano. 13 (24): 1e-27e enero–junio.
https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2020.24.69621• Saldívar-Tanaka, Laura (2019) “Regulando lo invisible. Necesidad del principio de precaución en la política de
nanotecnología en México”. Tesis doctorado CEDUA El Colegio de México, 310p.• Gee D. (2013). More or less precaution?. In: European Environmental Agency (EEA). Late lessons from early
warnings: science, precaution, innovation. EEA Report No 1/2013. 764p.• German Advisory Council on the Environment (SRU, 2011). Precautionary Strategies for managing nanomaterials.
Chapter 7: Conclusions and Recommendations. June: 1-40.• Hansen S. F., Maynard A., Baun A., Tickner, J.A. & Bowman D. M. (2013a). Nanotechnology — early lessons from
early warnings. En: EEA (2013). Late lessons from early warnings: science,precaution, innovation. EEA Report No 1/2013: 530-559.
Referencias
Referencias
Guston, David (2000) Between Politics and Science: Assuring the Integrity and Productivity of Research (Cambridge U. Press)
OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020
Sarewitz, D. (2015). CRISPR: Science can't solve it. Nature, 522(7557), 413-414.
Scheufele, D. “Scientists worry about some risks more than the public” Nature Nanotechnol. 2, 732–734 (2007).
https://statnano.com/