Ciencia Tecnología y Cultura
Nanopartículas: Mucha Tela para Sueños valientes
Alfred F.K. Zehe, Araceli Ramírez Solís
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ciencias de la Electrónica (FCE)
Laboratorio de Nanotrónica
e-mail: aramirs@siu.buap.mx
Resumen: Nanopartículas son sinónimo de un sub-género de la nanotecnología.
Han prendidas una euforía en la indústria. El mercado es gigantesco y dodado
con lucrativas ganancias. Nanopolvos en aplicaciones electrónicas, médicas y
biológicas, químicas, ópticas y mecánicas han pasadas de los laboratorios a
casi inmediados usos en artículos mercantiles. La investigación científica
es intensa.
El presente trabajo hace enfasis en la importancia de las actividades
innovativas en la investigación universitaria.
Introducción
Nanopartículas son sinónimo de un sub-género del ámplio campo de la
nanotecnología. Comprenden cualquier tipo de partículas naturales o
artificiales, cuyo confinamiento espacial es menor a los 100 nanómetros (un
pelo humano es 500 veces mas grueso). Nanopartículas pueden contener unos
cien átomos o moléculas en arreglo unidimensional (nanoalambres, alambres
cuánticos), dos-dimensional (capas ultradelgadas), o tres-dimensional (nanopolvos,
moléculas supramoleculares funcionales, ´puntos´cuánticos). Abajo de una
masa de 20 nanogramos, los materiales clásicos como metales se transforman
en una nueva especie de sustancia. Materiales fabricados con nanopartículas
exhiben propiedades físicas y químicas muy distintas en comparación con
materiales volumétricos e incluso de tamaño micrométrico de la misma
composición.
La obvia diferencia entre nanopartículas y granos de mayor tamaño consiste
en la relación, que el número de átomos superficiales lleva con los átomos
del interior de la partícula. En materiales formados con nanopartículas, mas
que un 50% de los átomos de cada nanopartícula se encuentra en los bordes
(superficie) del grano, y no en su interior. Para nanopartículas de 10 nm,
este valor sube a 90%; es decir, 9 de 10 átomos se situan en la superficie.
Debido a su tamaño diminuto, su comportamiento energético ya llega a ser
cotrolado por las leyes de la mecánica cuántica. Para fulerenos, aquellos
macromoléculas de 60 o mas átomos ordenados en forma de una nanopelota, se
comprobó recientemente en experimentos de interferencia un comportamiento de
ondas materiales, una propiedad expresamente mecánico-cuántica implícita en
el dualismo de la materia.
Existe un buen número de procesos y técnicas, que permiten un diseño de
nanopartículas ´a medida´ respecto a sus propiedades físicas, que a su vez
cumplen las necesidades de aplicaciones específicas.
Sin embargo, todas estas tecnologías caen dentro de tres categorías: La
condensación desde vapores, procesos en estado sólido como moler polvos, y
el síntesis químico, tipificado por un proceso clásico conocido desde
1938/39, el proceso Sol-Gel, descubierto y registrado como patente [1] por
la famosa empresa Schott, fabricante de vidrios especiales de Jena en
Alemania.
Nanoestructuras han prendidas una euforía en la indústria. El mercado es
gigantesco y como ya comprueban uno ‘shooting stars’, dodado con lucrativas
ganancias. Nanopartículas en aplicaciones médicas, cosméticas y de
sustancias de pulido ultrafino, pegamentos inteligentes, lacas funcionales e
incluso autorreparables, cerámicas flexibles, vidrios con propiedades
extremas, catalizadores super-eficientes, sistemas fotovoltaicos con alto
rendimiento, celdas de combustión, pilas, reactores electrolíticos,
membranas de ultra-filtración, sensores y nanosensores, nanolaseres y puntos
cuánticos, capas ultrafinas en superficies, fluídos magnéticos, y memorias
magnéticas son unos ejemplos de productos, que han pasados de los
laboratorios de investigación a casi inmediadas aplicaciones en su camino a
artículos mercantiles [2-5]. Cerca de 500 productos de mercancia contienen
ahora nanopartículas, entre ellos aún varios alimentos, pesticidos, y
artículos cosméticos.
Prácticamente cualquier material de construcción conocido puede ser
fabricado en su lugar con nanopartículas. En la próxima década la mayoría de
los innovaciones en productos y tecnologías se basarán en nuevos materiales
de la nanotecnología, que debido a sus propiedades ajustables y controlables
influirán el desarrollo industrial a nivel mundial en forma determinante. Si
se tiene presente, que el valor competitivo de los productos industriales es
acuñado en un 70% de la inteligencia contenida en los materiales, entonces
apenas se deja apreciar el gran potencial integrado en este renglón de la
nanotecnología. Con los nuevos materiales se abren gigantezcos mercados, - y
patentes garantizan enormes ingresos a las indústrias.
1. Innovaciones para mas que una rama industrial
En muchos países el fomento de innovaciones en nuevos materiales se dirige a
las tecnologías de información, los procesos de fabricación, a tecnologías
médicas y energéticas, automotríz y de transporte en general.
Las propiedades particulares y atractivas de las nanopartículas inducen la
apetencia de varios indústrias: electrónica, óptica y optoelectrónica,
analítica, sensórica, biotecnología y medicina, pero en primer lugar la rama
de nuevos materiales. Ejemplificando, con una patente sobre una determinada
estructura artificial de alguna molécula, que genera dureza extrema, el
dueño de tal patente puede controlar aplicaciones en las diversas ramas
industriales, que quieren utilizar dicha molécula artificial en sus
productos, protegido por la patente. El número de tales patentes se
encuentra en pleno aumento.
La microelectrónica es la fuerza móvil de la investigación en nanociencias,
y de la misma dimensión son las expectativas en productos con propiedades
semiconductor, en medios de almacenaje de datos, en pantallas planas y
sistemas de comunicación. Pasarán menos que cinco años, y el mercado de
cómputo será dominado por productos de la nanotecnología.
El número de patentes, que involucran nanotecnología y especialmente las
nanopartículas han crecido exponencialmente, llegando a números
impresionantes durante los últimos años. Inventos tanto de nuevos productos
como de procesos tecnológicos novedosos representan las actividades
principales, y de semejante frecuencia entre los dos. Una fracción es de
naturaleza pionera, es decir ´revolucionaria´. El hecho, que un 90% de las
solicitudes de registro para patentes viene ahora de corporaciones privadas,
señala a un lado la alta potencialidad de los productos nanotecnológicos en
el mercado; Al otro lado sugiere esto el impacto de personal académicamente
formado con actividades de investigación en tales empresas privadas.
La no tan nueva idea [6] de terminar sus estudios profesionales o bien
posgraduales en la universidad con la creación y elaboración de una patente
tecnológica en lugar de una tesis, que posteriormente es aprovechado en su
propia microempresa de nueva creación es uno de los caminos reales y
realizables en el entorno económico de muchos países. Microempresas con un
fundamento sólido y potencial de crecer hacia mas grande, son aptas de
arrancar un proceso, que garantiza emploeo y genera mas lugares de trabajo.
2. Nanopartículas en la bionanotecnología
Procesos biológicos tienen la habilidad inherente de los sistemas naturales
en crear nanoestructuras perfectas a nivel atómico. Hay bacterias, que
producen nanopartículas de Plata o de Magnetita. Células de levadura han
producirdo nanopartículas de CdS, un material semiconductor clásico de la
optoelectrónica. Un fungus es conocido, que produce nanopartículas de Oro. Y
estos descubrimientos son el mero inicio de aprovechar la naturaleza en la
nanobiotecnología.
La 'molécula de la vida’, el ADN es una larga molécula pero con apenas 2 nm
en diámetro. Existen técnicas precisas de separación controlada en pedazos,
y su combinación y reconstrucción artificial. Pedazos del ADN sirven como
elementos de construcción de nanomáquinas, dado que esta molécula tiene la
habilidad de auto-reproducción. La nanobiotecnología hace uso de esta
propiedad para la fabricación de moléculas idénticas en grandes números. La
biocomputación [7,8] es una de las aplicaciones excitantes.
La indústria alimenticia hace también uso de nanopartículas. El concepto de
alimentos funcionales (functional food) se basa en micro- y nanocápsulas,
que transportan vitaminas, omega-3-lipoácidos y otras sustancias al cuerpo
humano. Existen varios cientos de diferentes tipos ya usados en los Estados
Unidos de America del Norte.
La indústria de empaque ofrece envolturas, que contienen nanopartículas para
mantener fresco la mercancía evitando la penetración de Oxígeno y el escape
de humedad. Nanopartículas de TiO2 absorben la luz ultravioleta en hoja de
empaque; incluso están para introducir en el mercado envolturas, que cambian
su color en dependencia de la frescura de una mercancia. Los códicos de
barra con su información sobre un producto, pegados hasta ahora visiblemente
(y facil de cambiar o falsificar), serán cambiados por nuevos 'códicos de
barra’ en base a nanopartículas incorporadas en el alimento.
Organismos biológicos se dejan manipular en forma diferente a la genética,
operando en el nivel de átomos. Con la ayuda de nanotubitos de Carbono se
dejan implantar en las células ciertos tramos sintéticos de ADN, que
desarrollan en ellos nuevas proteínas con nuevas propiedades. Dado que la
ADN queda unida al nanotubito, no puede integrarse al genomo de la planta.
La nueva propiedad de las células ocurre entonces una sola vez, y debe
repetirse cada vez, que se busca tal propiedad. Puede ser una tecnología
ventajosa en casos, y en otros tener efectos adversos. Si un consorcio
vendedor de semillas implanta de esta forma un gen de infertilidad en su
producto, la cosecha de nuevas semillas no puede ser utilizado por un
campesino para sembrarla. Dependería para siempre de la compra de tal
consorcio de semillas.
Nanopartículas magnéticas incorporadas en plantas se dejan controlar y
manipular a distancia en prender o apagar su función. En otras aplicaciones
ayudan en la mejora del medio ambiente [9]. Aguas negras tratados con
nanopartículas de TiO2 como fotocatalizador pasan por un proceso de
autolimpieza debido a que moléculas orgánicas en ellos son quebradas y
partidads por la acción de los nanopartículas.
El gran número de posibles aplicaciones de nanopartículas tiene sus límites
solamente en la imaginación del hombre. Nanosensores incorporados en la tela
de los pantalones favoritos de tu niño, que están en comunicación con
satélites, siempre indican su lugar de presencia, su salud o su bienestar
incluso a grandes distancias.
3. Alianzas mercantiles
Con fines de comercialización de la nanotecnología a nivel mundial se han
formado hasta ahora tres alianzas: La ‘Nanowirtschaftsgesellschaft’ Europea,
el ‘Asia-Pacific Nanotechnology Forum’, y la ‘U.S. NanoBusiness Alliance’.
A la primera vista se nota, que Latinoamérica no está integrada en ninguna
de las Alianzas citadas, ni ha logrado formar una propia alianza. Es
preocupante, pero las razones profundas salen a la luz del día al comparar
el fomento de las investigaciones científicas en las nanociencias.
Los USA canalizan con su Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI-National
Nanotechnology Initiative) desde el año 2000 inmensos fondos particularmente
en la National Science Foundation y a la Secretaría de Defensa.
Japón abrió en 2003 la primera fábrica a nivel mundial para la producción de
nanotubitos a escala industrial.
Con menos relación al armamento militar que los USA, la Unión Europea
declaró recientemente como objetivo, desarrollarse como economía leader
mundial, que se basa en inteligencia agregada a productos de la
nanotecnología. Universidades e Institutos científicos europeos llevan desde
varios años fuertes programas de investigación en Nanotecnología. La
Comisión Europea para el Fomento de la Nanotecnología las apoyará entre
2007-2013 con 4.8 mil millones de Euros (aprox. 6.7 mil millones de US-Dólares).
Se supone, que en 2014 el segmento de productos basados o influenciados por
la nanotecnología llegará mundialmente a un 15%. Son pocos años para un
salto tan grande.
¿Que concluimos? Es de primordial importancia abrir en México, en Puebla, en
la BUAP un entorno favorable para innovaciones en la nanotecnología [10]. Y
es urgente!
Bibliografía
[1] Geffken, W., Berger, E.: Verfahren zur Aenderung des
Reflexionsvermoegens optischer Glaeser;
Patente Alemana 736411 (1939)
[2] Schmidt, G.: Nanoparticles. From Theory to Application, pp. 444, Wiley-VCH,
2003
[3] Nanotechnology, Nanotech Conference Publications, 2007, Vol. 1-3;
Technical Proceedings of
the 2007 Nanotechnology Conference and Trade Show, Boston 2007
[4] www.labnanotronica.ece.buap.mx ; www.historiananotec.ece.buap.mx (A.Zehe,
A.Ramírez)
[5] Zehe, A.: “La Nanotecnología como Fuerza Económica: Productos
Mercantiles 2007”, Intern. Electrón J. Nanocs. et Moletrón. vol.5, (2)
(2007)
[6] “Física Aplicada pp.56”, Proyecto para la implementación de una nueva
carrera en la
Fac. de Cs. Físico-Matemáticas de la BUAP, A. Zehe, 1995; Archivo
LabNanotrónica, FCE
[7] Amos, M.: “Genesis Machines: The New Science of Biocomputation”, pp 320,
Ed. Atlantic Books, 2006
[8] Salata, OV.: Applications of nanoparticles in biology and medicine;
J.Nanobiotechnology, 2, p3,
(2004);
[9] Corro, G., Cano, C., Ayala,E., Serkin, V.: Efectos de los Nanotubos...actividad
del catalizador..."
Intern. Electrón J. Nanocs. et Moletrón. vol.5,(2), pp. 993-1006 (2007)
[10] Zehe, A.: “Proyecto para una Oficina de Patentes en la BUAP”, 1992;
1996; 2007

