Nanotecnología - Sus aplicaciones

Según diversos estudios las principales áreas de aplicación en las que se está logrando los principales avances son: Materiales, Electrónica, Medicina y Energía, tal como se describe a continuación:

El diseño de nuevos materiales, con propiedades hasta ahora no explotadas —y a veces incluso desconocidas—, es probablemente el campo más desarrollado y de mayor impacto. La Nanotecnología está permitiendo desde el desarrollo de aplicaciones cotidianas, como materiales más resistentes y flexibles para una raqueta de tenis, hasta cuestiones menos difundidas como el control del comportamiento individual de los electrones.

La aplicación de la Nanotecnología en la Electrónica permite reducir el tamaño de los chips y ampliar las memorias. Se está trabajando en semiconductores y hasta en los llamados ordenadores “orgánicos”, que permitirían almacenar información y procesarla sin intervención de otros elementos electrónicos, a imagen y semejanza de la actuación del cerebro humano.

La Medicina es un terreno que ya ha comenzado a trabajar con la Nanotecnología, pero sus resultados más relevantes se verán en el largo plazo puesto que, por ejemplo, el ensayo de nuevos fármacos requiere sus propios tiempos. Se está investigando en fármacos dirigidos específicamente a la zona enferma del cuerpo o en el desarrollo de “tejidos” artificiales que funcionen como los orgánicos.

En Energía, el cuarto campo de acción, se trabaja en el desarrollo de nuevas fuentes menos contaminantes y más eficientes, así como en nuevas formas de almacenamiento de la energía. En detalle, los campos de aplicación de la Nanotecnología son los que siguen.

a. Materiales

Existe en el mercado una variedad de productos que utilizan nanomateriales. Los mismos pueden ir desde las nanofibras hasta los puntos cuánticos. Los siguientes productos son ejemplos gráficos: gafas que no se rayan; ropa de esquí que repele el agua, parabrisas cuya limpieza requiere un mínimo esfuerzo; prendas de vestir que no se arrugan ni se manchan; equipamiento deportivo que ayuda a ser más competitivo; y productos cosméticos más eficaces y protectores, entre otros. Los nanomateriales que se está desarrollando actualmente son:

i. Nanotubos

Los nanotubos se componen de una o varias láminas de grafito u otro material enrolladas sobre sí mismas. Algunos nanotubos están cerrados por media esfera de fullerene, y otros no están cerrados. Existen nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos metidos uno dentro de otro, al estilo de las famosas muñecas rusas). Los nanotubos de una sola capa se llaman single wall nanotubes (SWNTS) y los de varias capas, multiple wall nanotubes (MWNT)

Los nanotubos tienen un diámetro de unos nanómetros y, sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milímetro. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conoce. Un sólo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre.

El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas al lado; por esto se utiliza en lápices - porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito.

En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte y ligera utilizada en aviones, raquetas de tenis y bicicletas de carrera, entre otros.

Existe otra forma de estructurar las capas, que produce un material más fuerte todavía: se consigue enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

Los nanotubos de carbono, además de ser altamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal. Esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se mueven con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo pueda ser un semiconductor o un metal.

ii. Nanofibras de Carbón

Las nanofibras de carbono de crecimiento en fase vapor se producen en continuo a partir de la descomposición en fase gaseosa de hidrocarburos en presencia de partículas catalíticas metálicas, por la técnica del catalizador flotante a temperaturas cercanas a 1100ºC. Las nanofibras tienen diversas aplicaciones, se pueden citar las siguiente: Electrónica; Automotores; Aeroespacio; Deporte; Energía, etc.

iii. Nanopartículas

Estas unidades son más grandes que los átomos y las moléculas. No obedecen a la química cuántica, ni a las leyes de la física clásica, poseyendo características propias. Se sitúan en el corto plazo como una de las aplicaciones mas inmediatas de la Nanotecnología con productos y sectores que ya están presentes en el mercado. en productos electrónicos, magnéticos, biomédicos, farmacéuticos, cosméticos, energéticos y catalíticos. Por ejemplo, se puede mencionar el avance realizado por la aplicación de biosensores, nanopartículas con base de hierro que actúan contra tejidos cancerosos.

iv. Puntos Cuánticos

El punto cuántico se puede definir como una partícula de materia tan pequeña que la adición de un único electrón produce cambios en sus propiedades. El atributo cuántico sirve para recordar que el comportamiento del electrón en tales estructuras debe ser descrito en términos de teoría cuántica.

v. Otros nanomateriales

A continuación se va a exponer una breve descripción de otros nanomateriales ya existentes y que se están aplicando en diversas áreas:

Los materiales nanoestructurados son metales o cerámicas hechas a partir de nanocristales. La reducción de los cristales para crear estructuras provee a estos materiales de propiedades estructurales distintas a las de los metales o cerámicas hechas a escala normal. Una posible aplicación es el almacenaje de hidrógeno.

Las nanocápsulas se pueden definir como nanopartículas huecas, en las que se puede añadir distintos tipos de sustancias. Una de sus principales aplicaciones se dirige hacia la administración de fármacos, con la ventaja de llegar exactamente al objetivo marcado y, por tanto, evitar posibles efectos no deseados de los fármacos en células sanas.

Los materiales nanoporosos tienen como característica principal el ser catalizadores, absorbentes y adsorbentes. Actualmente se utilizan filtros con nanoporos incorporados en los vehículos, ya que pueden reducir la contaminación y el consumo de combustible.

Los fularenos (fullerenes o buckyballs) tienen propiedades antioxidantes, presentan una alta tolerancia a sistemas biológicos y son superconductores a temperaturas muy bajas. Actualmente se los utiliza como lubricantes y células solares.

Los nanocables son cilindros sólidos (a diferencia de los nanotubos, que están huecos) con un diámetro de entre 10 y 100 nanómetros. Debido a sus propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas, su aplicación se está dando principalmente en la construcción de instrumentos electrónicos y ópticos.

Los dendrímeros (dendrimers) son moléculas sintéticas cuya estructura tridimensional ramificada permite funcionalidades diversas y gran versatilidad. Actualmente se está investigando su aplicación en la protección del medio ambiente, ya que pueden actuar como “atractores/cepos” de los iones de metal, que son contaminantes, y así limpiar el aire o el agua. También se está estudiando la utilización de dendrímeros como vehículos para la administración de fármacos.

b. Electrónica

La industria de la Electrónica lleva muchos años inmersa en un proceso de miniaturización, en el que comienzan a tener importancia las leyes de la física cuántica, según las cuales el comportamiento de los electrones se basa en probabilidades. Así, como la Nanotecnología aún está en una etapa temprana, la nanoelectrónica todavía se sustenta sobre su inmediato antecesor: la microelectrónica.

La microelectrónica, que se puede definir como el desarrollo de componentes electrónicos de tamaño microscópico, ha alcanzado una sofisticación tecnológica y un desarrollo industrial de gran dimensión a lo largo de la última década del siglo XX. En la actualidad, debido a la extrema miniaturización que se está consiguiendo en los componentes, se puede empezar a hablar de nanoelectrónica.

Sin embargo, la nanoelectrónica va más allá. Se define como la investigación, fabricación, caracterización y aplicación de dispositivos de electrones funcionales con una dimensión por debajo de los 100 nanómetros. Esto permitiría utilizar las propiedades cuánticas que, en el momento en el que se controlen, podrían proporcionar beneficios como el incremento de la velocidad de procesamiento, el aumento de la capacidad de almacenamiento y la disminución ostensible del tamaño de cualquier componente o equipo tecnológico.

Se estima un desarrollo que conlleve múltiples aplicaciones que posiblemente desemboquen en una revolución industrial. Así, el tiempo de procesamiento y el tamaño de los dispositivos disminuirán considerablemente, mientras que la potencia de los ordenadores y los transistores para uso en teléfonos, coches, aparatos domésticos y maquinaria industrial controlados por microprocesadores aumentará. En la actualidad, la nanoelectrónica empieza a mostrar resultados en aplicaciones, como se describe a continuación:

- Pantallas más brillantes, más ligeras y que ahorran energía: ya está en el mercado la tecnología OLED (Organic Light-Emitting Diode), que permite conseguir imágenes más brillantes, en dispositivos más ligeros, con menor consumo energético y ángulos de visión más amplios.

- Toshiba presentó en septiembre de 2005 dos modelos de reproductores MP3 revolucionarios. Se trataba de los primeros reproductores capaces de funcionar sin pilas y sin baterías gracias a las nanocélulas de combustible.

- Tinta que cambia de color según nuestras preferencias: “la tinta electrónica” es un avance basado en una serie de cápsulas que contienen partículas blancas y partículas negras cargadas con distinta polaridad. Mediante la aplicación de una corriente electromagnética, estas partículas se colocan en una u otra posición, mostrando un color u otro.

- Chips mucho más rápidos: en mayo de 2002, IBM anunció la creación de transistores de nanotubos de carbono que mejoran el rendimiento de los mejores prototipos de transistores disponibles.

- Las tarjetas de memoria del tamaño de un sello que pueden contener 25 DVD: el proyecto Millipede (Milpiés), llevado a cabo por científicos de IBM, consiguió crear un sistema que logra una densidad de almacenamiento de un billón de bits (un terabit) en una pulgada cuadrada. Esta densidad de almacenamiento, capaz de acumular 25 millones de páginas de texto impresas en una superficie similar a la de un sello de correos, utiliza menos energía que los sistemas tradicionales de almacenamiento y permite sobre escribir la información existente.

c. Medicina

Dentro de la Nanotecnología, el sector de la Medicina brinda una propuesta de valor añadido particular. El ofrecimiento de un futuro sin graves enfermedades, con curaciones que no contemplan agujas ni bisturís, es muy prometedor. El gran obstáculo con el que puede encontrarse la nanomedicina no es, como en el resto, la financiación; sino la regulación. Leyes, directivas, normas y regulaciones más estrictas que en el resto de los campos de aplicación pueden retrasar su desarrollo y, consecuentemente, la obtención de beneficios.

El área de aplicación de la nanomedicina que actualmente tiene más fuerza es la administración de medicamentos. Igualmente, se están llevando a cabo avances muy significativos en el campo de la regeneración de tejidos y el relacionado con el diagnóstico y la mejora de técnicas para la curación de enfermedades.

d. Energía

El acceso a fuentes de energía baratas, seguras y renovables es la clave para el desarrollo sostenible en todo el mundo. La nanoenergía va a intentar contribuir en este desarrollo aplicando tecnologías que obtengan mejores prestaciones, durabilidad, eficiencia, ahorro y seguridad; así como con el desarrollo de tecnologías que aumenten la competitividad en la energía y el respeto por el medio ambiente.

La nanoenergía está empezando a dar muestras de su potencial con prototipos comerciales de aplicaciones/tecnologías que ya se han logrado desarrollar:

- Célula solar = energía eléctrica abundante: la energía solar fotovoltaica sería suficiente para abastecer de electricidad a todo el mundo, por lo que la Nanotecnología se está empezando a introducir en ella con el objetivo de conseguir una mejora de la conversión en electricidad. Las células solares actuales tienen una eficiencia limitada y son muy costosas debido al uso del silicio como material. Sin embargo, en la actualidad se está desarrollando células solares compuestas por superficies nanoestructuradas de puntos cuánticos, que muestran una eficiencia superior como captadores de la energía solar. La Nanotecnología permite la fabricación de células solares con materiales baratos que no dañan el medio ambiente.

- Células de combustible limpias y de gran rendimiento: en una célula de combustible se combinan hidrógeno y oxígeno en una reacción controlada, produciendo agua y electricidad. Esto demuestra su nula contaminación, ya que su único desecho es agua. Se espera que a medio y largo plazo las células de combustible reemplacen una gran parte de los sistemas de combustión.

- Baterías de larga duración: a pesar de que todo hace pensar que las células de combustible se preparan para ser la fuente energética por excelencia del futuro, aún se sigue investigando en las baterías convencionales. Ejemplo de ello son los nuevos materiales para baterías de litio20. Este avance permitirá la comercialización de una nueva generación de baterías recargables. Los nuevos nanomateriales permiten la fabricación de baterías recargables tres veces más potentes que las actuales de litio por el mismo precio y con un tiempo de recarga mucho más breve que el de las pilas tradicionales.

- Hidrógeno para casas y coches: ya se ha lanzado la tercera Estación Doméstica de Energía Experimental. Su funcionamiento se basa en gas natural o en propano y agua, con los que se hace hidrógeno, que alimenta una célula de combustible que genera calor y electricidad para el hogar.

- Almacenamiento de hidrógeno, que permite su uso como fuente energética: se ha experimentado con una nueva clase de nanomateriales que actúan como esponjas, absorbiendo el hidrógeno y reteniéndolo hasta su utilización. Hasta este momento no se había encontrado ningún material con la capacidad necesaria para almacenar hidrógeno con la necesaria presión y temperatura, por lo que este nuevo avance supone la posibilidad de utilizar el hidrógeno como energía alternativa, limpia y de menor consumo.

- Mejora de la producción de hidrógeno: se ha investigado ya en un nuevo sistema para la producción de hidrógeno, rompiendo el agua a partir de la luz solar. El dispositivo se ha denominado Tandem Cell y su puesta en marcha permitiría el uso del hidrógeno como energía alternativa gracias a materiales nanocristalinos que permiten la disociación del agua.

- Los primeros transportes con hidrógeno: un avión que funciona con hidrógeno líquido realizó con éxito sus primeros vuelos de prueba en julio de 2005. Un tanque lleno de hidrógeno es suficiente para que el avión, que cuenta con una fila de ocho hélices en su ala que se alimentan con este combustible, permanezca en el cielo durante 24 horas.