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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

 

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