¿QUÉ ES LA "NANOTECNOLOGÍA"? La palabra "nanotecnología

¿QUÉ ES LA "NANOTECNOLOGÍA"?
La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican a un
nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular
las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y
máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir
de las propuestas de Richard Feynman.
¿Qué es un nanómetro?
El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro. Comúnmente se
utiliza para medir la longitud de onda de la radiación ultravioleta, radiación infrarroja y la luz. Recientemente la
unidad ha cobrado notoriedad en el estudio de la nanotecnología, área que estudia materiales que poseen
dimensiones de unos pocos nanómetros.
La abreviatura del nanómetro es nm.
1 nm = 1x10-9 m
Nanomedicina: Una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances tecnologicos
en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándala como rama de la nanotecnología que permitiría la
posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular.
Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente:
monitorización (imágenes), reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora
de los sistemas biológicos humanos; diagnósticos, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la
salud, adeministración de medicamentos a las células, etc. etc. Todos ellos constituirían nuevos avances
tecnologicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y asistencial.
La descripción de algunos últimos avances científicos lleva a lo que hace poco sería considerado ciencia ficción
dentro de la Medicina. Biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos más directas y eficaces y el
desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras, son algunos de los avances en lo que se trabaja en la
actualidad en multitud de laboratorios de los centro de nanotecnología en todo el mundo.
El siguiente párrafo recoge de forma clara algunas de sus aplicaciones:
La posibilidad de diseñar sensores que se activan cuando cambien determinadas constantes biológicas cambian.
Por ejemplo, los pacientes diabéticos podrían verse favorecidos al recibir insulina encapsulada en células
artificiales, que la dejen salir cuando aumente la glucosa en la sangre.
El objetivo del Instituto Nacional de Cáncer de los Estados Unidos es utilizar la nanotecnología, para eliminar,
antes de 2015, las muertes y el sufrimiento causados por el cáncer. Las investigaciones actuales se centran en
cómo utilizar la nanotecnología para cambiar de forma radical la capacidad de la medicina para diagnosticar,
comprender y tratar el cáncer. Investigaciones ya realizadas han logrado desarrollar nano-aparatos capaces de
detectar un cáncer en la fase muy preliminar, localizarlo con extrema precisión, proporcionar tratamientos
específicamente dirigidos a las células malignas y medir la eficacia de dichos tratamientos en la eliminación de
las células malignas. Pero las investigaciones continúan, y tal es el alcance de los últimos avances tecnológicos
en este campo, que expertos creen que la nanotecnología transformara las propias bases del diagnostico,
tratamiento y prevención de esta enfermedad.
El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso
fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un
artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima
energía y conseguir velocidades asombrosas.
Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una segunda revolución industrial en el siglo
XXI tal como anunció hace unos años, Charles Vest.
Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias
(desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones
informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir
células cancerígenas en las partes más delicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas
aplicaciones.
Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que
cambiarán el mundo.
Un excelente ejemplo, preferido del mundo nanotecnológico, es el nanotubo de carbono. En estado natural el
carbono aparece como grafito —el blando y negro material usado habitualmente en la mina de los lápices— y
como diamante. La única diferencia entre los dos es la organización de los átomos de carbono. Cuando los
científicos colocan los mismos átomos de carbono en un modelo de "red metálica" y los enrollan en minúsculos
tubos de tan sólo 10 átomos de diámetro, los "nanotubos" resultantes adquieren algunas características
extraordinarias. Los nanotubos:
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tienen 100 veces la resistencia del acero, pero sólo 1/6 de su peso;
son 40 veces más fuertes que las fibras de grafito;
conducen la electricidad mejor que el cobre;
pueden ser conductores o semiconductores (como los microprocesadores del computador), dependiendo
de la colocación de los átomos;
y son excelentes conductores de calor.
Actualmente la mayor parte de la investigación mundial en nanotecnología se centra en estos nanotubos. Los
científicos han propuesto usarlos en un amplio abanico de aplicaciones: en cables de alta resistencia y bajo peso,
necesarios para un ascensor espacial; como alambres moleculares para nanoelectrónica; integrados en
microprocesadores para ayudar a disipar el calor; y como barras de transmisión y engranajes en nanomáquinas,
para mencionar sólo algunos ejemplos.
Un sensor químico que ellos desarrollan usando nanotubos volará el próximo año al espacio en una misión de
demostración a bordo de un cohete de la Armada. Este diminuto sensor puede detectar cantidades tan pequeñas
como unas pocas partes por mil millones de sustancias químicas específicas —tales como gases tóxicos—
resultando útil tanto para la exploración espacial como para la defensa del país. CNT también ha desarrollado un
modo de utilizar nanotubos para refrigerar los microprocesadores de computadores personales, un reto de primer
orden a medida que los CPUs se hacen cada vez más potentes. Esta tecnología de refrigeración ha sido
autorizada a una empresa de reciente creación de Santa Clara, California, llamada Nanoconducción, e Intel
también ha demostrado interés, dice Meyyappan.
EL SILICIO
El silicio es un elemento químico metaloide, número atómico 14 y situado en el grupo 4 de la tabla periódica de
los elementos formando parte de la familia de los carbonoideos de símbolo Si. Es el segundo elemento más
abundante en la corteza terrestre (27,7% en peso) después del oxígeno. Se presenta en forma amorfa y
cristalizada; el primero es un polvo parduzco, más activo que la variante cristalina, que se presenta en octaedros
de color azul grisáceo y brillo metálico.
Aplicaciones
Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que
es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y
microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en
transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento vital en
numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los
ladrillos, y se emplea en la producción de cemento. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la
fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce
como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del
sector de la electrónica y la informática.
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los
metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de
impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en
la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan
en la industria electrónica.
El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético importante, sólido amorfo,
incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de
sodio a alta temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión.
CELDAS SOLARES
Las celdas solares son fabricadas a base de materiales que convierten directamente la luz solar en electricidad.
Hoy en día, la mayor parte de celdas solares utilizadas a nivel comercial son de silicio (símbolo químico: Si). El
silicio es lo que se conoce como un semiconductor. Este elemento químico se encuentra en todo el mundo bajo la
forma de arena, que es dióxido de silicio (SiO2), también llamado cuarcita. Otra aplicación del silicio
semiconductor se encuentra en la industria de la microelectrónica, donde es empleado como material base para
los chips.
Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas. La diferencia entre
ellas radica en la forma como los átomos de silicio están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina. Existe,
además, una diferencia en la eficiencia. Por eficiencia se entiende el porcentaje de luz solar que es transformado
en electricidad. Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel
de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo.
Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior y, luego, dos capas
de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, que
da a la celda solar su típico color azul.
¿Cómo funciona una celda solar?
Su funcionamiento se basa en la diferencia de potencial que surge en una juntura PN. En una celda
convencional de silicio, tal juntura se logra poniendo en contacto íntimo silicio cristalino de alta pureza
‘dopado’ o contaminado con impurezas de diferente tipo (frontera de las regiones + y – en la figura 3). En
un caso las impurezas proporcionan un exceso de electrones en relación al material sin impurezas (silicio
tipo N). En el otro, ocasionan un defecto de electrones (o la aparición de ‘huecos’) formando el silicio tipo
P. Cuando se forma un contacto íntimo a nivel atómico entre ambos tipos de silicio, cierto número de los
electrones en exceso migran hacia la región de ‘huecos’, formando pares electrón-hueco y dando origen a
una ‘barrera’ de potencial interna que impide cualquier posible migración posterior.
Figura 3. Izq. Celda solar convencional de silicio; Der. Distribución de las diferentes capas de la celda.
Un haz de luz incidente sobre la juntura es capaz de separar los pares electrón-hueco y forzar los
electrones a saltar la barrera de potencial, creando una fuerza electromotriz (FEM) en los contactos externos
de la celda. Si los contactos se conectan a un circuito externo cualquiera (por ejemplo, que contenga una
resistencia) la FEM se comportará igual a la de una batería convencional; aparece una corriente eléctrica
(contraria al movimiento de los electrones en la figura 3). La corriente durará todo el tiempo que la juntura
se mantenga iluminada.
Hay elementos adicionales que se deben tomar en cuenta para garantizar el funcionamiento de la celda.
El silicio es un material muy reflectante, y gran parte de la los fotones incidentes se reflejan en su superficie
sin que se puedan aprovechar para generar corriente. Para evitar esto se utilizan capas antirreflectantes, que
logran reducir las pérdidas luminosas a menos de un 5 por ciento.
Las celdas se conectan en arreglos en serie y paralelo (usualmente de 36 celdas cada uno) para alcanzar
niveles adecuados de voltaje y corriente. Finalmente, las celdas se colocan en un panel rígido con
electrodos para las conexiones al circuito externo. Una cubierta de vidrio protege todo el dispositivo de la
acción del medio ambiente.
CATÁLISIS
Adsorción de gases sobre sólidos
Cuando una molécula de gas golpea una superficie sólida, puede rebotar o quedar fijada sobre la superficie, es
decir, sufrir adsorción. En ese último caso a continuación, la molécula adsorbida puede difundirse (moverse)
sobre la superficie, quedarse fija, sufrir una reacción química o disolverse en el interior del sólido (proceso
conocido como absorción y del que es un conocido ejemplo el empleo de CaCl2 anhidro como desecador: el
agua de la atmósfera es adsorbida y a continuación absorbida para formar un hidrato). En este tema vamos a
centrar nuestro estudio en el proceso de adsorción y a continuación los procesos de reacción (catálisis
heterogénea) que pueden derivarse. Podemos definir el primero de estos procesos como:
- adsorción: proceso de unión de una molécula procedente de otra fase sobre la superficie de un sólido.
- desorción: proceso inverso a la adsorción.
Podemos distinguir dos comportamientos límites de adsorción, fisisorción y quimisorción, aunque es frecuente
observar comportamientos intermedios. Adsorción física o fisisorción: las moléculas del gas se mantienen unidas
a la superficie del sólido por medio de fuerzas de Van der Waals (interacciones dipolares, dispersión y/o
inducción). Este hecho define todas las características propias de la fisisorción:
i) es una interacción débil.
ii) Es un proceso exotérmico (las fuerzas de van der Waals son atractivas) en el que los calores liberados, ΔHads
(aprox. 20-40 kJ/mol) son semejantes a las entalpías de condensación de la sustancia adsorbida.
La energía liberada es adsorbida en forma de vibración por la red del sólido y ΔH°ads se puede medir por el
aumento de temperatura de la muestra.
iii) La molécula fisisorbida mantiene su identidad ya que la energía es insuficiente para romper el enlace aunque
su geometría puede estar distorsionada.
iv) La fisisorción es un proceso no especifico ya que las fuerzas que intervienen no lo son y no existe una
selectividad marcada entre adsorbato y adsorbente. En general, los gases muy polarizables son adsorbidos más
fácilmente.
v) La fisisorción se produce en multicapas. Sobre una capa de gas fisisorbida puede adsorberse otra. La ΔHads
para la primera capa viene determinada por las fuerzas entre adsorbente (M) y adsorbato (A), mientras que la
ΔHads para las capas siguientes depende de las interacciones A-A y por tanto es similar a la entalpía de
condensación.