Nanotecnología

La nanotecnología es la manipulación de la materia con al menos una dimensión de entre 1 y 100 nanómetros (nm). En esta escala, conocida comúnmente como nanoescala , el área de superficie y los efectos mecánicos cuánticos se vuelven importantes para describir las propiedades de la materia. Esta definición de nanotecnología incluye todos los tipos de investigación y tecnologías que tratan estas propiedades especiales. Es común ver la forma plural "nanotecnologías" así como "tecnologías a nanoescala" para referirse a la investigación y aplicaciones cuyo rasgo común es la escala. ^[1] Una concepción anterior de la nanotecnología se refería al objetivo tecnológico particular de manipular con precisión átomos y moléculas para fabricar productos a macroescala, ahora denominados nanotecnología molecular . ^[2]

La nanotecnología definida por escala incluye campos de la ciencia como la ciencia de superficies , la química orgánica , la biología molecular , la física de semiconductores , el almacenamiento de energía , ^{[3] [4]} la ingeniería , ^[5] la microfabricación , ^[6] y la ingeniería molecular . ^[7] La ​​investigación y las aplicaciones asociadas varían desde extensiones de la física de dispositivos convencionales hasta el autoensamblaje molecular , ^[8] desde el desarrollo de nuevos materiales con dimensiones en la nanoescala hasta el control directo de la materia en la escala atómica .

La nanotecnología puede permitir la creación de nuevos materiales y dispositivos con diversas aplicaciones , como la nanomedicina , la nanoelectrónica , la producción de energía a partir de biomateriales y los productos de consumo. Sin embargo, la nanotecnología plantea problemas, entre ellos, inquietudes sobre la toxicidad y el impacto ambiental de los nanomateriales ^[9] y sus posibles efectos sobre la economía mundial, así como diversos escenarios catastróficos . Estas inquietudes han dado lugar a un debate entre los grupos de defensa y los gobiernos sobre si se justifica una regulación especial de la nanotecnología .

Los conceptos que dieron origen a la nanotecnología fueron discutidos por primera vez en 1959 por el físico Richard Feynman en su charla There's Plenty of Room at the Bottom (Hay mucho espacio en el fondo) , en la que describió la posibilidad de síntesis mediante la manipulación directa de los átomos.

El término "nanotecnología" fue utilizado por primera vez por Norio Taniguchi en 1974, aunque no era muy conocido. Inspirado por los conceptos de Feynman, K. Eric Drexler utilizó el término "nanotecnología" en su libro de 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology , en el que proponía la idea de un "ensamblador" a escala nanométrica que sería capaz de construir una copia de sí mismo y de otros elementos de complejidad arbitraria con control a nivel atómico. También en 1986, Drexler cofundó el Foresight Institute para aumentar la conciencia pública y la comprensión de los conceptos e implicaciones de la nanotecnología.

El surgimiento de la nanotecnología como campo en la década de 1980 se produjo a través de la convergencia del trabajo teórico y público de Drexler, que desarrolló y popularizó un marco conceptual, y avances experimentales de alta visibilidad que atrajeron atención adicional a las perspectivas. En la década de 1980, dos avances desencadenaron el crecimiento de la nanotecnología. Primero, la invención del microscopio de efecto túnel de barrido en 1981 permitió la visualización de átomos y enlaces individuales, y se utilizó con éxito para manipular átomos individuales en 1989. Los desarrolladores del microscopio, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en el Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, recibieron un Premio Nobel de Física en 1986. ^{[10] [11]} Binnig, Quate y Gerber también inventaron el microscopio de fuerza atómica análogo ese año.

En segundo lugar, los fulerenos (buckyballs) fueron descubiertos en 1985 por Harry Kroto , Richard Smalley y Robert Curl , quienes juntos ganaron el Premio Nobel de Química en 1996. ^{[12] [13]} El C ₆₀ no se describió inicialmente como nanotecnología; el término se utilizó con respecto al trabajo posterior con nanotubos de carbono relacionados (a veces llamados tubos de grafeno o tubos Bucky) que sugirieron aplicaciones potenciales para la electrónica y los dispositivos a nanoescala. El descubrimiento de los nanotubos de carbono se atribuye en gran medida a Sumio Iijima de NEC en 1991, ^[14] por el que Iijima ganó el Premio Kavli inaugural de 2008 en Nanociencia.

A principios de la década de 2000, el campo recibió una mayor atención científica, política y comercial que condujo tanto a controversias como a avances. Surgieron controversias en relación con las definiciones y las posibles implicaciones de las nanotecnologías, ejemplificadas por el informe de la Royal Society sobre nanotecnología. ^[15] Se plantearon desafíos en relación con la viabilidad de las aplicaciones previstas por los defensores de la nanotecnología molecular, que culminaron en un debate público entre Drexler y Smalley en 2001 y 2003. ^[16]

Mientras tanto, comenzaron a surgir productos comerciales basados ​​en avances en tecnologías a nanoescala. Estos productos se limitaban a aplicaciones masivas de nanomateriales y no implicaban el control atómico de la materia. Algunos ejemplos incluyen la plataforma Silver Nano para usar nanopartículas de plata como agente antibacteriano, protectores solares basados ​​en nanopartículas , refuerzo de fibras de carbono utilizando nanopartículas de sílice y nanotubos de carbono para textiles resistentes a las manchas. ^{[17] [18]}

Los gobiernos tomaron medidas para promover y financiar la investigación en nanotecnología, como en Estados Unidos, mediante la Iniciativa Nacional de Nanotecnología , que formalizó una definición de nanotecnología basada en el tamaño y estableció la financiación de la investigación, y en Europa mediante los Programas Marco Europeos de Investigación y Desarrollo Tecnológico .

A mediados de la década de 2000, la atención científica comenzó a florecer. Las hojas de ruta de la nanotecnología se centraron en la manipulación de la materia con precisión atómica y analizaron las capacidades, objetivos y aplicaciones existentes y proyectadas. ^{[19] [20]}

La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular. En su sentido original, la nanotecnología se refiere a la capacidad proyectada para construir elementos desde cero hasta convertirse en productos completos y de alto rendimiento.

Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte, o 10 ⁻⁹ , de un metro. En comparación, las longitudes típicas de los enlaces carbono-carbono , o el espaciamiento entre estos átomos en una molécula , están en el rango de 0,12 a 0,15 nm , y el diámetro del ADN es de alrededor de 2 nm. Por otro lado, las formas de vida celular más pequeñas , las bacterias del género Mycoplasma , tienen una longitud de alrededor de 200 nm. Por convención, la nanotecnología se toma como el rango de escala de 1 a 100 nm , siguiendo la definición utilizada por la Iniciativa Nacional Estadounidense de Nanotecnología . El límite inferior está determinado por el tamaño de los átomos (el hidrógeno tiene los átomos más pequeños, que tienen un diámetro cinético de aproximadamente ,25 nm ). El límite superior es más o menos arbitrario, pero está alrededor del tamaño por debajo del cual los fenómenos que no se observan en estructuras más grandes comienzan a hacerse evidentes y se puede hacer uso de ellos. ^[21] Estos fenómenos hacen que la nanotecnología se distinga de los dispositivos que son simplemente versiones miniaturizadas de un dispositivo macroscópico equivalente; Estos dispositivos son de mayor escala y entran dentro de la descripción de microtecnología . ^[22]

Para poner esa escala en otro contexto, el tamaño comparativo de un nanómetro con un metro es el mismo que el de una canica con el tamaño de la Tierra. ^[23]

En la nanotecnología se utilizan dos enfoques principales. En el enfoque "de abajo hacia arriba", los materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se ensamblan químicamente mediante principios de reconocimiento molecular . ^[24] En el enfoque "de arriba hacia abajo", los nanoobjetos se construyen a partir de entidades más grandes sin control a nivel atómico. ^[25]

Áreas de la física como la nanoelectrónica , la nanomecánica , la nanofotónica y la nanoiónica han evolucionado para proporcionar la base científica de la nanotecnología.

Varios fenómenos se manifiestan a medida que aumenta el tamaño del sistema. Entre ellos se incluyen los efectos mecánicos estadísticos , así como los efectos mecánicos cuánticos , por ejemplo, el " efecto de tamaño cuántico ", en el que las propiedades electrónicas de los sólidos se alteran junto con las reducciones en el tamaño de las partículas. Estos efectos no se aplican a las dimensiones macro o micro. Sin embargo, los efectos cuánticos pueden llegar a ser significativos cuando se trata de escalas nanométricas. Además, las propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) cambian en comparación con los sistemas macroscópicos. Un ejemplo es el aumento de la relación superficie/volumen que altera las propiedades mecánicas, térmicas y catalíticas de los materiales. La difusión y las reacciones también pueden ser diferentes. Los sistemas con transporte rápido de iones se denominan nanoiónicos. Las propiedades mecánicas de los nanosistemas son de interés para la investigación.

La química sintética moderna permite preparar moléculas pequeñas de casi cualquier estructura. Estos métodos se utilizan para fabricar una amplia variedad de productos químicos útiles, como productos farmacéuticos o polímeros comerciales . Esta capacidad plantea la cuestión de ampliar este tipo de control a un nivel superior, buscando métodos para ensamblar moléculas individuales en conjuntos supramoleculares formados por muchas moléculas dispuestas de una manera bien definida.

Estos enfoques utilizan los conceptos de autoensamblaje molecular y/o química supramolecular para organizarse automáticamente en una conformación útil a través de un enfoque de abajo hacia arriba . El concepto de reconocimiento molecular es importante: las moléculas pueden diseñarse de modo que se favorezca una configuración o disposición específica debido a fuerzas intermoleculares no covalentes . Las reglas de emparejamiento de bases de Watson-Crick son un resultado directo de esto, al igual que la especificidad de una enzima que se dirige a un solo sustrato o el plegamiento específico de una proteína . Por lo tanto, los componentes pueden diseñarse para que sean complementarios y mutuamente atractivos de modo que formen un todo más complejo y útil.

Estos enfoques ascendentes deberían permitir producir dispositivos en paralelo y resultar mucho más económicos que los descendentes, pero podrían verse superados a medida que aumente el tamaño y la complejidad del ensamblaje deseado. La mayoría de las estructuras útiles requieren disposiciones de átomos complejas y termodinámicamente improbables. No obstante, existen en biología muchos ejemplos de autoensamblaje basados ​​en el reconocimiento molecular , en particular el apareamiento de bases de Watson-Crick y las interacciones enzima-sustrato.

La nanotecnología molecular, a veces llamada fabricación molecular, se ocupa de los nanosistemas diseñados (máquinas a escala nanométrica) que funcionan a escala molecular. La nanotecnología molecular se asocia especialmente con los ensambladores moleculares , máquinas que pueden producir una estructura o un dispositivo deseado átomo por átomo utilizando los principios de la mecanosíntesis . La fabricación en el contexto de los nanosistemas productivos no está relacionada con las tecnologías convencionales que se utilizan para fabricar nanomateriales como los nanotubos y las nanopartículas de carbono.

Cuando Drexler acuñó y popularizó de forma independiente el término "nanotecnología", imaginó una tecnología de fabricación basada en sistemas de máquinas moleculares . La premisa era que las analogías biológicas a escala molecular de los componentes de las máquinas tradicionales demostraban que las máquinas moleculares eran posibles: la biología estaba llena de ejemplos de máquinas biológicas sofisticadas y optimizadas estocásticamente .

Drexler y otros investigadores ^[26] han propuesto que la nanotecnología avanzada podría basarse en última instancia en principios de ingeniería mecánica, es decir, una tecnología de fabricación basada en la funcionalidad mecánica de estos componentes (como engranajes, cojinetes, motores y miembros estructurales) que permitiría un ensamblaje posicional programable según especificaciones atómicas. ^[27] El rendimiento físico y de ingeniería de los diseños ejemplares se analizaron en el libro de Drexler Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation . ^[2]

En general, el ensamblaje de dispositivos a escala atómica requiere la colocación de átomos sobre otros átomos de tamaño y adherencia comparables. La opinión de Carlo Montemagno es que los futuros nanosistemas serán híbridos de tecnología de silicio y máquinas moleculares biológicas. ^[28] Richard Smalley argumentó que la mecanosíntesis era imposible debido a las dificultades para manipular mecánicamente las moléculas individuales. ^{[ cita requerida ]}

Esto dio lugar a un intercambio de cartas en la publicación de la ACS Chemical & Engineering News en 2003. ^[29] Aunque la biología demuestra claramente que las máquinas moleculares son posibles, las máquinas moleculares no biológicas todavía están en pañales. Alex Zettl y sus colegas de los Laboratorios Lawrence Berkeley y de la Universidad de California en Berkeley ^[30] construyeron al menos tres dispositivos moleculares cuyo movimiento se controla mediante el cambio de voltaje: un nanomotor de nanotubos , un actuador molecular ^[31] y un oscilador de relajación nanoelectromecánico. ^[32]

En 1999, Ho y Lee de la Universidad de Cornell utilizaron un microscopio de efecto túnel de barrido para mover una molécula individual de monóxido de carbono (CO) a un átomo individual de hierro (Fe) situado sobre un cristal de plata plano y unieron químicamente el CO al Fe aplicando un voltaje. ^{[ cita requerida ]}

Muchas áreas de la ciencia desarrollan o estudian materiales que tienen propiedades únicas que surgen de sus dimensiones a nanoescala. ^[35]

• La ciencia de las interfaces y los coloides ha producido muchos materiales que pueden ser útiles en nanotecnología, como los nanotubos de carbono y otros fulerenos , y diversas nanopartículas y nanobarras . Los nanomateriales con transporte rápido de iones están relacionados con la nanoiónica y la nanoelectrónica.
• Los materiales a nanoescala se pueden utilizar para aplicaciones a gran escala; la mayoría de las aplicaciones comerciales de la nanotecnología son de este tipo.
• Se han logrado avances en el uso de estos materiales para aplicaciones médicas , incluida la ingeniería de tejidos , la administración de fármacos , los antibacterianos y los biosensores . ^{[36] [37] [38] [39] [40]}
• En las células solares se utilizan materiales a nanoescala, como los nanopilares .
• Aplicaciones que incorporan nanopartículas semiconductoras en productos como tecnología de visualización, iluminación, células solares e imágenes biológicas; véase puntos cuánticos .

El enfoque de abajo hacia arriba busca organizar componentes más pequeños en conjuntos más complejos.

• La nanotecnología del ADN utiliza el método de apareamiento de bases Watson-Crick para construir estructuras bien definidas a partir del ADN y otros ácidos nucleicos .
• Los enfoques del campo de la síntesis química "clásica" ( síntesis inorgánica y orgánica ) apuntan a diseñar moléculas con una forma bien definida (por ejemplo, bispéptidos ^[41] ).
• De manera más general, el autoensamblaje molecular busca utilizar conceptos de química supramolecular, y de reconocimiento molecular en particular, para hacer que los componentes de una sola molécula se organicen automáticamente en alguna conformación útil.
• Las puntas de microscopio de fuerza atómica se pueden utilizar como un "cabezal de escritura" a escala nanométrica para depositar una sustancia química sobre una superficie siguiendo un patrón deseado en un proceso denominado nanolitografía con pluma de inmersión . Esta técnica se enmarca en el subcampo más amplio de la nanolitografía .
• La epitaxia de haz molecular permite ensamblajes de materiales de abajo hacia arriba, especialmente materiales semiconductores comúnmente utilizados en aplicaciones de chips y computación, pilas, compuertas y láseres de nanocables .

Estos buscan crear dispositivos más pequeños utilizando otros más grandes para dirigir su ensamblaje.

• Muchas tecnologías que se derivan de los métodos convencionales de silicio de estado sólido para fabricar microprocesadores son capaces de crear características menores a 100 nm. Los discos duros basados ​​en magnetorresistencia gigante que ya se encuentran en el mercado se ajustan a esta descripción, ^[42] al igual que las técnicas de deposición de capas atómicas (ALD). Peter Grünberg y Albert Fert recibieron el Premio Nobel de Física en 2007 por su descubrimiento de la magnetorresistencia gigante y sus contribuciones al campo de la espintrónica . ^[43]
• Las técnicas de estado sólido se pueden utilizar para crear sistemas nanoelectromecánicos o NEMS, que están relacionados con los sistemas microelectromecánicos o MEMS.
• Los haces de iones enfocados pueden eliminar material directamente o incluso depositarlo cuando se aplican al mismo tiempo gases precursores adecuados. Por ejemplo, esta técnica se utiliza de forma rutinaria para crear secciones de material de menos de 100 nm para su análisis en microscopía electrónica de transmisión .
• Las puntas del microscopio de fuerza atómica se pueden utilizar como un "cabezal de escritura" a escala nanométrica para depositar una resistencia, al que luego le sigue un proceso de grabado para eliminar el material con un método de arriba hacia abajo.

Los enfoques funcionales buscan desarrollar componentes útiles sin tener en cuenta cómo podrían ensamblarse.

• Ensamblaje magnético para la síntesis de materiales superparamagnéticos anisotrópicos como nanocadenas magnéticas. ^[24]
• La electrónica a escala molecular busca desarrollar moléculas con propiedades electrónicas útiles, que podrían utilizarse como componentes monomoleculares en un dispositivo nanoelectrónico, ^[44] como el rotaxano .
• Se pueden utilizar métodos químicos sintéticos para crear motores moleculares sintéticos , como por ejemplo los denominados nanocoches .

• La biónica o biomimética busca aplicar métodos y sistemas biológicos presentes en la naturaleza al estudio y diseño de sistemas de ingeniería y tecnología moderna. La biomineralización es un ejemplo de los sistemas estudiados.
• La bionanotecnología es el uso de biomoléculas para aplicaciones en nanotecnología, incluido el uso de virus y conjuntos de lípidos. ^{[45] [46]} La nanocelulosa , un nanopolímero que se utiliza a menudo para aplicaciones a gran escala, ha ganado interés debido a sus propiedades útiles, como abundancia, alta relación de aspecto, buenas propiedades mecánicas , renovabilidad y biocompatibilidad . ^[47]

Estos subcampos buscan anticipar qué inventos podría generar la nanotecnología o intentar proponer una agenda a lo largo de la cual pueda avanzar la investigación. Suelen adoptar una visión de conjunto, con más énfasis en las implicaciones sociales que en los detalles de ingeniería.

• La nanotecnología molecular es un enfoque propuesto que implica manipular moléculas individuales de formas deterministas y finamente controladas. Es un subcampo más teórico que los otros, y muchas de las técnicas propuestas están más allá de las capacidades actuales.
• La nanorrobótica considera máquinas autosuficientes que operan a escala nanométrica. Existen esperanzas de aplicar nanorobots en medicina. ^{[48] [49]} Sin embargo, se han demostrado avances en materiales innovadores y metodologías patentadas. ^{[50] [51]}
• Los nanosistemas productivos son "sistemas de nanosistemas" que podrían producir piezas atómicamente precisas para otros nanosistemas, no necesariamente utilizando propiedades novedosas emergentes de la nanoescala, sino fundamentos bien entendidos de la fabricación. Debido a la naturaleza discreta (es decir, atómica) de la materia y la posibilidad de crecimiento exponencial, esta etapa podría formar la base de otra revolución industrial. Mihail Roco propuso cuatro estados de nanotecnología que parecen ser paralelos al progreso técnico de la Revolución Industrial, progresando desde nanoestructuras pasivas a nanodispositivos activos a nanomáquinas complejas y, en última instancia, a nanosistemas productivos. ^[52]
• La materia programable busca diseñar materiales cuyas propiedades puedan controlarse de forma fácil, reversible y externa a través de una fusión de la ciencia de la información y la ciencia de los materiales .
• Debido a la popularidad y exposición mediática del término nanotecnología, se han acuñado las palabras picotecnología y femtotecnología en analogía, aunque estas se utilizan sólo de manera informal.

Los nanomateriales se pueden clasificar en nanomateriales 0D, 1D, 2D y 3D . La dimensionalidad juega un papel importante en la determinación de las características de los nanomateriales, incluidas las características físicas, químicas y biológicas . Con la disminución de la dimensionalidad, se observa un aumento en la relación superficie-volumen. Esto indica que los nanomateriales de dimensiones más pequeñas tienen mayor área de superficie en comparación con los nanomateriales 3D. Los nanomateriales bidimensionales (2D) se han investigado ampliamente para aplicaciones electrónicas , biomédicas , de administración de fármacos y de biosensores .

El microscopio de fuerza atómica (AFM) y el microscopio de efecto túnel (STM) son dos versiones de sondas de barrido que se utilizan para la observación a escala nanométrica. Otros tipos de microscopía de sonda de barrido tienen una resolución mucho mayor, ya que no están limitados por las longitudes de onda del sonido o la luz.

La punta de una sonda de escaneo también se puede utilizar para manipular nanoestructuras (ensamblaje posicional). El escaneo orientado a características puede ser una forma prometedora de implementar estas manipulaciones a escala nanométrica mediante un algoritmo automático . ^{[53] [54]} Sin embargo, este sigue siendo un proceso lento debido a la baja velocidad del microscopio.

El enfoque de arriba hacia abajo prevé nanodispositivos que deben construirse pieza por pieza en etapas, de forma muy similar a como se hacen los artículos manufacturados. La microscopía de sonda de barrido es una técnica importante tanto para la caracterización como para la síntesis. Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de efecto túnel de barrido se pueden utilizar para observar superficies y mover átomos. Al diseñar diferentes puntas para estos microscopios, se pueden utilizar para tallar estructuras en superficies y ayudar a guiar estructuras autoensambladas. Al utilizar, por ejemplo, el enfoque de escaneo orientado a características, los átomos o moléculas se pueden mover sobre una superficie con técnicas de microscopía de sonda de barrido. ^{[53] [54]}

Varias técnicas de litografía, como la litografía óptica , la litografía de rayos X , la litografía con pluma de inmersión, la litografía por haz de electrones o la litografía por nanoimpresión, ofrecen técnicas de fabricación de arriba hacia abajo en las que un material a granel se reduce a un patrón a escala nanométrica.

Otro grupo de técnicas nanotecnológicas incluye aquellas utilizadas para la fabricación de nanotubos y nanocables , aquellas utilizadas en la fabricación de semiconductores como la litografía ultravioleta profunda, la litografía por haz de electrones, el mecanizado por haz de iones enfocado, la litografía por nanoimpresión, la deposición de capas atómicas y la deposición de vapor molecular , y además incluyen técnicas de autoensamblaje molecular como las que emplean copolímeros de dibloque . ^[55]

Por el contrario, las técnicas de abajo hacia arriba construyen o hacen crecer estructuras más grandes átomo por átomo o molécula por molécula. Estas técnicas incluyen la síntesis química, el autoensamblaje y el ensamblaje posicional. La interferometría de polarización dual es una herramienta adecuada para la caracterización de películas delgadas autoensambladas. Otra variación del enfoque de abajo hacia arriba es la epitaxia de haz molecular o MBE. Los investigadores de Bell Telephone Laboratories, incluidos John R. Arthur , Alfred Y. Cho y Art C. Gossard, desarrollaron e implementaron MBE como una herramienta de investigación a fines de la década de 1960 y en la de 1970. Las muestras hechas por MBE fueron clave para el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccional por el que se otorgó el Premio Nobel de Física de 1998. MBE establece capas de átomos atómicamente precisas y, en el proceso, construye estructuras complejas. Importante para la investigación sobre semiconductores, MBE también se usa ampliamente para hacer muestras y dispositivos para el campo emergente de la espintrónica .

Los productos terapéuticos basados ​​en nanomateriales sensibles , como las vesículas Transfersome , altamente deformables y sensibles al estrés , están aprobados para uso humano en algunos países. ^[56]

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Al 21 de agosto de 2008, el Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes estimó que más de 800 productos nanotecnológicos identificados por el fabricante estaban disponibles públicamente, y que los nuevos llegaban al mercado a un ritmo de 3 a 4 por semana. ^[18] La mayoría de las aplicaciones son nanomateriales pasivos de "primera generación" que incluyen dióxido de titanio en protectores solares, cosméticos, revestimientos de superficies, ^[57] y algunos productos alimenticios; alótropos de carbono utilizados para producir cinta adhesiva ; plata en envases de alimentos , ropa, desinfectantes y electrodomésticos; óxido de zinc en protectores solares y cosméticos, revestimientos de superficies, pinturas y barnices para muebles de exterior; y óxido de cerio como catalizador de combustible. ^[17]

En la industria de los automóviles eléctricos, los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) abordan desafíos clave de las baterías de iones de litio, como la densidad energética, la tasa de carga, la vida útil y el costo. Los SWCNT conectan partículas de electrodos durante el proceso de carga/descarga, lo que evita la degradación prematura de la batería. Su capacidad excepcional para envolver partículas de material activo mejoró la conductividad eléctrica y las propiedades físicas, lo que los distingue de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y el negro de carbono. ^{[58] [59] [60]}

Otras aplicaciones permiten que las pelotas de tenis duren más, que las pelotas de golf vuelen más rectas y que las bolas de bolos sean más duraderas. Se han incorporado nanotecnología a los pantalones y calcetines para que duren más y las temperaturas bajen en verano. Los vendajes están impregnados de nanopartículas de plata para curar los cortes más rápido. ^[61] Las consolas de videojuegos y los ordenadores personales pueden volverse más baratos, más rápidos y tener más memoria gracias a la nanotecnología. ^[62] Además, se pueden construir estructuras para la computación en chip con luz, por ejemplo, para el procesamiento de información cuántica óptica en chip y la transmisión de información en picosegundos. ^[63]

La nanotecnología puede tener la capacidad de hacer que las aplicaciones médicas existentes sean más baratas y fáciles de usar en lugares como los consultorios médicos y los hogares. ^[64] Los automóviles utilizan nanomateriales de tal manera que las piezas de los automóviles requieran menos metales durante la fabricación y menos combustible para funcionar en el futuro. ^[65]

La nanoencapsulación implica el encapsulamiento de sustancias activas dentro de portadores. Por lo general, estos portadores ofrecen ventajas, como una biodisponibilidad mejorada, liberación controlada, administración dirigida y protección de las sustancias encapsuladas. En el campo médico, la nanoencapsulación desempeña un papel importante en la administración de fármacos . Facilita una administración más eficiente de los fármacos, reduce los efectos secundarios y aumenta la eficacia del tratamiento. La nanoencapsulación es particularmente útil para mejorar la biodisponibilidad de fármacos poco solubles en agua, lo que permite una liberación controlada y sostenida de los fármacos y respalda el desarrollo de terapias dirigidas. Estas características contribuyen colectivamente a los avances en los tratamientos médicos y la atención al paciente. ^{[66] [67]}

La nanotecnología puede desempeñar un papel en la ingeniería de tejidos . Al diseñar andamios, los investigadores intentan imitar las características a escala nanométrica del microambiente de una célula para dirigir su diferenciación hacia un linaje adecuado. ^[68] Por ejemplo, al crear andamios para apoyar el crecimiento óseo, los investigadores pueden imitar los fosos de resorción de los osteoclastos . ^[69]

Los investigadores utilizaron nanobots basados ​​en origami de ADN capaces de realizar funciones lógicas para dirigir la administración de fármacos a las cucarachas. ^[70]

El Technion creó una nanobiblia (un chip de silicio de 0,5 mm2) para aumentar el interés de los jóvenes por la nanotecnología. ^[71]

Una de las preocupaciones es el efecto que la fabricación y el uso a escala industrial de nanomateriales tendrá sobre la salud humana y el medio ambiente, como lo sugieren las investigaciones en nanotoxicología . Por estas razones, algunos grupos abogan por que se regule la nanotecnología. Sin embargo, la regulación podría sofocar la investigación científica y el desarrollo de innovaciones beneficiosas. Los organismos de investigación de salud pública , como el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional, investigan los posibles efectos sobre la salud derivados de la exposición a nanopartículas. ^{[72] [73]}

Los productos con nanopartículas pueden tener consecuencias no deseadas . Los investigadores han descubierto que las nanopartículas de plata bacteriostáticas que se utilizan en los calcetines para reducir el olor de los pies se liberan durante el lavado. ^[74] Estas partículas se eliminan luego en el flujo de aguas residuales y pueden destruir bacterias que son componentes críticos de los ecosistemas naturales, las granjas y los procesos de tratamiento de residuos. ^[75]

Las deliberaciones públicas sobre la percepción de riesgos en los EE. UU. y el Reino Unido llevadas a cabo por el Centro de Nanotecnología en la Sociedad encontraron que los participantes eran más positivos acerca de las nanotecnologías para aplicaciones energéticas que para aplicaciones de salud, y que estas últimas planteaban dilemas morales y éticos como el costo y la disponibilidad. ^[76]

Los expertos, entre ellos el director del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, David Rejeski, testificaron ^[77] que la comercialización depende de una supervisión adecuada, una estrategia de investigación de riesgos y la participación pública. En 2006, Berkeley, California, era la única ciudad de Estados Unidos que regulaba la nanotecnología. ^[78]

La inhalación de nanopartículas y nanofibras transportadas por el aire puede contribuir a enfermedades pulmonares , por ejemplo, fibrosis . ^[79] Los investigadores descubrieron que cuando las ratas inhalaban nanopartículas, estas se depositaban en el cerebro y los pulmones, lo que provocaba aumentos significativos en los biomarcadores de inflamación y respuesta al estrés ^[80] y que las nanopartículas inducen el envejecimiento de la piel a través del estrés oxidativo en ratones sin pelo. ^{[81] [82]}

Un estudio de dos años de la Escuela de Salud Pública de la UCLA descubrió que los ratones de laboratorio que consumían dióxido de nanotitanio mostraban daños en el ADN y los cromosomas en un grado "vinculado a todas las grandes causas de muerte del hombre, a saber, el cáncer, las enfermedades cardíacas, las enfermedades neurológicas y el envejecimiento". ^[83]

Un estudio de la revista Nature Nanotechnology sugirió que algunas formas de nanotubos de carbono podrían ser tan dañinas como el amianto si se inhalan en cantidades suficientes. Anthony Seaton, del Instituto de Medicina Laboral de Edimburgo (Escocia), que contribuyó al artículo sobre los nanotubos de carbono , dijo: "Sabemos que algunos de ellos probablemente tienen el potencial de causar mesotelioma. Por lo tanto, ese tipo de materiales deben manipularse con mucho cuidado". ^[84] A falta de una regulación específica por parte de los gobiernos, Paull y Lyons (2008) han pedido que se excluyan las nanopartículas modificadas de los alimentos. ^[85] Un artículo de periódico informa de que los trabajadores de una fábrica de pinturas desarrollaron una enfermedad pulmonar grave y se encontraron nanopartículas en sus pulmones. ^{[86] [87] [88] [89]}

Los llamados a una regulación más estricta de la nanotecnología han acompañado a un debate relacionado con los riesgos para la salud y la seguridad humanas. ^[90] Algunas agencias reguladoras cubren algunos productos y procesos nanotecnológicos –al “agregar” la nanotecnología a las regulaciones existentes– dejando claros vacíos. ^[91] Davies propuso una hoja de ruta que describe los pasos para abordar estas deficiencias. ^[92]

Andrew Maynard, asesor científico jefe del Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes del Centro Woodrow Wilson, informó que no hay fondos suficientes para la investigación sobre salud y seguridad humana y, como resultado, una comprensión inadecuada de los riesgos para la salud y seguridad humana. ^[93] Algunos académicos pidieron una aplicación más estricta del principio de precaución , una desaceleración de la aprobación de la comercialización, un etiquetado mejorado y datos de seguridad adicionales. ^[94]

Un informe de la Royal Society identificó un riesgo de liberación de nanopartículas o nanotubos durante la eliminación, destrucción y reciclaje, y recomendó que "los fabricantes de productos que caen bajo regímenes de responsabilidad extendida del productor, como las regulaciones de fin de vida útil, publiquen procedimientos que describan cómo se gestionarán estos materiales para minimizar la posible exposición humana y ambiental". ^[15]

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• ¿Qué es la nanotecnología? (Videoconferencia de Vega, BBC y OU)