Nanotecnología

Fundamentos y aplicaciones

Mónica Lucía Álvarez-Láinez, Hader Vladimir Martínez-Tejada, Franklin Jaramillo Isaza

• Publisher: Universidad de Antioquia
• Year: 2020
• ISBN:
  9789587148985
• Topic: Tecnología e ingeniería
• Subtopic: Nanotecnología y MEMS

Nanotecnología: Fundamentos y aplicaciones, más que explicar contenidos teóricos, busca hacer posible que el lector se acerque al sentido del diseño y la manipulación de la materia a nivel de átomos o moléculas. A tal fin, la obra abarca un amplio haz de temas y variantes, como la obtención y la caracterización de nanomateriales; la aplicación en áreas como el medio ambiente, la salud, la energética, la industria textil y la agroindustria; los aspectos fundamentales de regulación y normatividad, y los elementos y riesgos de salud ocupacional que se deben considerar cuando se hace uso de esta tecnología, junto con consideraciones éticas.Esta obra está pensada tanto para académicos interesados o especializados en la materia (profesores, investigadores y estudiantes) como para industriales y personal del nivel técnico que se desempeñan en áreas de aplicación actual y futura de la nanotecnología.

Sección 1. Fundamentos

1. Nanociencia y nanotecnología: significado, logros y posibilidades

Edgar Emir González Jiménez

1.1 Introducción

La nanociencia y la nanotecnología se perfilan como los campos de mayor impacto en la transformación de la sociedad que transita los comienzos del siglo xxi. Aunque ya se han alcanzado importantes logros en el control y la manipulación de la materia en la macro, la micro y la nanoescala, aún se proyectan imponentes desarrollos que permitirán viabilizar el diseño y la fabricación de dispositivos y sistemas con capacidad de autoensamblado y autoorganización, todo esto dentro de un contexto de imitación biológica. En consecuencia, el objetivo de este capítulo es presentar las principales definiciones de nanociencia y nanotecnología, sus orígenes y evolución, y los principales retos frente a esta nueva rama de la ciencia.

Cada vez se afianza más el ideal de realidad tecnológica para una materia programable, adaptativa y evolutiva, que será el recurso para la confección de los productos tecnológicos del futuro, así como del diseño y la aplicación de soluciones a los grandes problemas que debe afrontar la sociedad del actual siglo.

La nanociencia, involucrada con el estudio de la fenomenología de la naturaleza a nivel nanoescalar, y la nanotecnología,1 con su propuesta pragmática de control y manipulación a ese mismo nivel, han resultado de la orientación del conocimiento a la intimidad de la materia y de la energía, a escalas en donde tienen lugar los procesos y componentes fundamentales que soportan la estructura y el comportamiento de toda la naturaleza existente. Es allí, en el nanocosmos, en donde se produce el milagro de la vida, el autoensamblado de estructuras biológicas complejas, la reproducción, la autorreparación, la adaptación y, en la cumbre de la manifestación de la complejidad de la naturaleza, la emergencia. Nano hace referencia a escalas del orden de 10-9 metros, una milmillonésima parte del metro. Cuando los átomos y las moléculas se asocian para formar entidades en escalas cercanas al nanómetro, entidades que se pueden denominar nanoobjetos, los comportamientos de estas entidades van a ser muy sensibles no solamente al tipo de átomos que las constituyen, sino a la manera como se organizan arquitectónicamente y, ante todo, al tamaño que poseen[1-2]. Esta dependencia del comportamiento físico y químico con la composición, la forma y el tamaño es uno de los principales diferenciales que poseen los nanoobjetos con respecto a los cuerpos que pertenecen a nuestra escala de interacción, a los cuales se les puede denominar macroobjetos. Propiedades tales como la conductividad eléctrica, la elasticidad, la capacidad calorífica, la dispersión y absorción de la luz, entre muchas otras, son drásticamente modificadas por cambios en los tres aspectos mencionados. Esto hace que en la escala nanométrica el comportamiento de la materia sea novedoso y de trascendental importancia para potenciales aplicaciones y usos.

De otra parte, en los nanoobjetos, el número de átomos que se encuentra en la superficie, con respecto al número de átomos que ocupa el volumen, se hace cada vez mayor a medida que se reduce el tamaño. En trozos de materia cercanos a unos pocos nanómetros, el valor de superficie es mayor que el del volumen y unos pocos átomos pueden hacer diferencia. Esto tiene una gran importancia en el comportamiento de la materia a escalas nanométricas. Gran parte de las interacciones ocurren en superficies y es allí donde se “programan” muchas de las propiedades de los nanoobjetos. Así, por ejemplo, en el extraordinario fenómeno de la vida, procesos involucrados con transporte, reconocimiento, ensamblado, intercambio, entre otros, se producen en, y a través de, superficies. No existe ninguna fuente de metáfora de mayor riqueza que aquella que ofrece la naturaleza biológica, y es tarea de la nanociencia desarrollar los recursos de tipo teórico, experimental y computacional, que permitan una progresiva tarea de imitación e integración a una naturaleza que, sin lugar a dudas, es nanotecnología que trabaja.

En el presente capítulo se abordan, entonces, los antecedes de la nanotecnología, con el fin de identificar cómo ha sido la evolución de la ciencia y la tecnología de materiales hacia la nanociencia y la nanotecnología. Debido a que esta es reconocida como una de las tecnologías clave para la economía del siglo xxi, se hace un análisis teniendo en cuenta la teoría de los ciclos dinámicos largos, la cual establece sus trayectorias como olas, y se identifica el ciclo de la nanotecnología como la sexta ola. Al finalizar este capítulo se podrán encontrar los principales retos, logros y beneficios que se han alcanzado en los últimos años.

1.2 Antecedentes y significado de la nanotecnología

En la historia de la humanidad aparece como eje central —en torno al cual ha evolucionado la sociedad— la capacidad de manipulación y utilización de los materiales. Hace un poco más de dos millones de años, en la denominada Edad de Piedra, este valioso material, así como el hueso, la madera y el barro, se convirtieron en el sustrato sobre el cual los homínidos empezaron a desarrollar destrezas para diseñar y construir herramientas, y así modificar la naturaleza. Este acto creativo dio inicio a la transición de una actividad depredadora hacia una actividad productiva.

Posterior a la Edad de Piedra aparecen la Edad de los Metales, específicamente del cobre y del bronce, y la Edad de Hierro. Es una etapa de desarrollo tecnológico que involucra materiales más refinados que los utilizados en la Edad de Piedra, ocurre cinco mil años antes de nuestra era y da lugar a la metalurgia[4]. El cobre fue el primer mineral que a través del forjado en frío y posteriormente con la fundición mejoró notablemente la calidad y la eficiencia de las herramientas y utensilios. Con el uso de estaño se logró obtener el bronce, una aleación de gran utilidad en la construcción de armas y la reorganización de la estructura social y económica. La Edad de Hierro empieza a finales del segundo milenio antes de nuestra era y cobra vida con las capacidades siderúrgicas de obtener temperaturas cercanas a los 1.300 °C.

El perfeccionamiento a lo largo de los siglos de los procesos de obtención del hierro dio lugar durante el siglo xvi a la aparición del acero. En 1885, el ingeniero británico Henry Bessemer inventó el proceso para el refinado del acero en cantidades industriales a partir de hierro. Esto marcó un hito en la consolidación de la Revolución Industrial, ya que proporcionaba un material idóneo para los requerimientos de la época.

Con el uso de celulosa, almidón, resina, lignina y seda, entre otros, se da el nacimiento de la Edad de los Polímeros. En el siglo xviii, el inventor estadounidense John Wesley, motivado por la búsqueda de un material que sustituyera al marfil en la producción de bolas de billar, fabricó a partir de la celulosa el primer plástico. Luego aparecieron el celuloide, la seda artificial, el celofán, la baquelita y las macromoléculas que forman parte de la química moderna de los plásticos.

Una de las edades de mayor trascendencia en el desarrollo de la actual tecnología es, sin lugar a dudas, la del silicio. El silicio es uno de los elementos químico...