Nanotecnologia
La
palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para
definir las ciencias y técnicas que se aplican al 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.
La
mejor definición de Nanotecnología que hemos encontrado es
esta: La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis,
manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales
a través del control de la materia a nano escala, y la explotación
de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.
Cuando se
manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas,
demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos
utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos
y poco costosos con propiedades únicas
Nos interesa,
más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto
de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas
estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la
medicina (nanomedicina), etc..
Nano-
materiales
Son materiales a nanoescala. Materiales con características
estructurales de una dimensión entre 1-100 nanometros.
Los nanomateriales
pueden ser subdivididos en nanopartículas,
nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los
nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras
y efectos funcionales de forma que la construcción de bloques de materiales
son diseñados y ensamblados de forma controlada.
Un reciente informe
de Small Times predice un fuerte crecimiento de los denominados nanomateriales.
En el mismo se comentan los diferentes tipos existentes en la actualidad (tales
como las nanoarcillas para reforzar plásticos) o los nanotubos de carbono
para agregar conductividad a varios materiales.
Muchos de estos avances
los están llevando a cabo empresas norteamericanas pequeñas y medianas
en colaboración con empresas líderes.
Existen tres categorías
básicas de nanomateriales desde el punto de vista comercial y desarrollo:
óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Los que más
han avanzado desde el punto de vista comercial son las nanopartículas de
óxido metálico.
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 nanometros y, sin embargo, su longitud
puede ser de hasta un milímetro, por
lo que dispone de una relación longitud:anchura
tremendamente alta y hasta ahora sin precedentes.
La investigación sobre
nanotubos de carbono es tan apasionante (por
sus múltiples aplicaciones y posibilidades)
como complejo (por la variedad de sus propiedades
electrónicas, termales y estructurales
que cambian según el diámetro,
la longitud, la forma de enrollar...)
Los nanotubos de carbono son las
fibras más fuertes que se conocen. Un
solo 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, ligera (y cara) utilizada
en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de
carrera etc.
Pero existe otra forma de estructurar las capas
que produce un material más fuerte todavía,
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 tremendamente 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 muevan 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 también 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.
Definición de un nanotubo de carbon
Fullerenos
El hallazgo casual del fullereno se produjo al irradiar un disco de
grafito con un laser y mezclar el vapor de carbono resultante mediante
una corriente de helio. Cuando se examinó el residuo cristalizado, se
encontraron moléculas constituidas por 60 átomos de carbono. Intuyendo
que estas moléculas tenían una forma semejante a la cúpula geodésica
construida con motivo de una Exposición Universal en Montreal en 1967
por el arquitecto Buckminster Fuller, fueron nombradas como
Buckminsterfullerenos o más comunmente como fullerenos.
Se trata de un material obtenido por interacción de átomos de carbono
C60 en fase gaseosa, logrando que los átomos de carbono se unieran en
hexágonos y con dobles enlaces resonantes entre átomos de carbono
vecinos, como si se tratara del benceno.
En la Unión de Arizona y en el Instituto Max Planck, a través de
descargas eléctricas con electrodos de grafito en atmósfera de helio y
disolución en tolueno, pudo obtenerse un polvo que permitió su estudio
mediante espectrometría infrarroja-resonancia magnética nuclear y
difracción de rayos X. Así se pudo identificar el Fullereno C60
y definir su estructura por medio de los típicos modelos orgánicos (12
pentágonos - 20 hexágonos con átomos de carbono tetravalente en los
vértices). Otras estructuras se fueron descubriendo desde los C16 a C60
que pudieron corroborar para el más escéptico la estructura de balón
similar a la pelota olímpica del fútbol mundial. En esa configuración
los átomos de carbono de los hexágonos tienen dobles enlaces resonantes
entre átomos vecinos como si se tratara del benceno.
Aplicaciones
Los polímeros son, sin duda, uno de los materiales que han encontrado
una mayor aplicación debido a sus múltiples propiedades, así como
también por su fácil procesabilidad y manejo. Gracias a la incorporación
de fullerenos en los polímeros, se conseguirían propiedades
electroactivas y de limitación óptica. Esto podría tener sobre todo
aplicación en recubrimiento de superficies, dispositivos conductores y
en la creación de nuevas redes moleculares.
También son de aplicación en el campo de la medicina, gracias a sus
propiedades biológicas. A este respecto, se consiguió que un fullereno
soluble en agua mostrara actividad contra los virus de inmunodeficiencia
humana que causan el SIDA.
Toxicidad
Considerando la reactividad de los fullerenos, éstos se tornan
potencialmente tóxicos sobre todo si se toma en cuenta que son
materiales lipofílicos que tienden a ser almacenados por los organismos
en zonas de tejidos grasos. De ahí que Eva Oberdorster haya
corroborado que los fullerenos como el C60 pueden inducir un
estrés oxidante en los cerebros de los peces róbalo. Más aun, Lovern y
Klaper sugieren un considerable grado de mortalidad del Daphnia Magna (un
diminuto crustáceo, popular alimento para peces de acuario, y
usualmente utilizado por su sensibilidad en estudios de
ecotoxicológicos) cuando son expuestos a nanopartículas de dióxido de
titanio (TiO2) y al fullereno C60.
Otros estudios han señalado que, además de que ciertos nanomateriales
podrían ser efectivos como agentes bactericidas tanto para bacterias
positivas como negativas en un cultivo dado, en particular los
fullerenos del tipo C60 podrían potencialmente inhibir de modo importante el crecimiento y la respiración de los microbios (Epa 2005).
