Líneas de investigación de la red

fenomeno

Fenómenos y procesos fundamentales en nanociencia

Las propiedades de los materiales y su interacción con otros materiales y su entorno normalmente comienzan a cambiar cuando el tamaño del material se reduce suficientemente y se alcanzan tamaños del orden de nanómetros (1 nm = 10-9 m). Esto se deriva, a su vez, del hecho que los fenómenos físicos y químicos que involucran cantidades pequeñas de materia son también diferentes comparados con aquéllos que ocurren con cantidades mayores.

Las propiedades de los materiales pueden ser diferentes en la escala nanométrica por dos razones principales. En primer lugar, la existencia de una superficie mucho mayor en comparación con la misma masa de material presente en forma masiva. Esto regularmente induce una mayor reactividad y un cambio en su resistencia mecánica y sus propiedades eléctricas. En segundo lugar, los efectos cuánticos pueden comenzar a dominar el comportamiento de la materia, especialmente en el extremo inferior de la escala nanométrica, afectando el comportamiento óptico, eléctrico y magnético de los materiales. El estudio de estos fenómenos y de las propiedades resultantes de los “nanomateriales” y “nanodispositivos” representan una de las áreas de investigación científica de mayor actividad en el mundo, no sólo en términos de trabajo académico, sino por el potencial de las aplicaciones en la mayoría de los sectores de la actividad humana.

Los estudios fundamentales incluyen trabajos experimentales y teóricos que buscan explicar y predecir el comportamiento de grupos relativamente pequeños de átomos y moléculas (desde algunas pocas decenas hasta varios miles) cuando interactúan con otros materiales, tanto nanométricos como de mayores tamaños, así como sus respuestas a estímulos externos como son las radiaciones electromagnéticas, la temperatura, la presión, etc.

Estos estudios involucran materiales inorgánicos y orgánicas, materia viva e inanimada, grupos de átomos y moléculas, y tratan de dilucidar la física y química de lo pequeño. Frecuentemente en estos estudios, el tratamiento requiere de la física y química cuánticas. Además, en la cuestión experimental, se requiere de las herramientas más modernas para caracterizar los materiales mediante microscopías de diferentes tipos, espectroscopías variadas, así como de las simulaciones teóricas que permitan validar la interpretación de los datos obtenidos.

En el área biológica, el objetivo principal de mucha de la investigación actual es obtener una comprensión detallada de los mecanismos básicos bioquímicos y biofísicos al nivel de moléculas individuales. Este conocimiento permitirá definir las reglas de diseño de máquinas moleculares naturales que pueden llevar a nuevas aplicaciones tecnológicas (p. ej., motores moleculares).

nano

Nanomateriales

La producción controlada de materiales que poseen al menos una dimensión en la escala nanométrica (menor a 100 nm) constituye un requisito esencial para el surgimiento y desarrollo de las Nanociencias y sus diversas aplicaciones tecnológicas. Para ello se requiere el estudio y desarrollo de diversos métodos y procesos que conduzcan a la síntesis y producción de nanomateriales de diversa naturaleza y composición (metálicos, cerámicos, semiconductores, compósitos, orgánicos, etc.), y en diversas formas (puntos cuánticos, partículas, alambres, películas, recubrimientos, piezas masivas). Los nanomateriales pueden construirse por técnicas “descendentes” (“top-down”), produciendo pequeñas estructuras a partir de piezas grandes de material (p. ej., el uso de grabado para crear circuitos en la superficie de un microchip de silicio). También pueden ser construidos por técnicas “ascendente” (“bottom-up”), en el caso más extremo, átomo por átomo o molécula por molécula (p. ej., como lo hace la síntesis química de moléculas grandes). En la mayoría de las aplicaciones los componentes nanométricos se encuentran fijos o incrustados, pero en otros, como los utilizados en productos cosméticos y en algunas aplicaciones de remediación ambiental, se utilizan las nanopartículas libres.

El estudio y desarrollo de los nanomateriales implica aspectos de caracterización estructural, composicional y de propiedades de variada índole (magnéticas, eléctricas, mecánicas, ópticas, biológicas, …) que frecuentemente requieren de instrumentación altamente especializada y del desarrollo de técnicas novedosas de caracterización. Ejemplos de ellas son las diversas microscopías (electrónicas, de fuerza atómica, de tunelamiento, …), espectroscopías (de fotoelectrones, Raman, resonancia magnética nuclear, resonancia paramagnética electrónica, …), y técnicas de difracción (rayos X, neutrones, fotones).

La caracterización de materiales sirve a dos propósitos generales: control de calidad y como parte de la investigación y el desarrollo de nuevos procesos, materiales y productos. Un hito en el desarrollo de la nanotecnología ocurre con el desarrollo de nuevas herramientas utilizadas para observar y medir las propiedades y los procesos en el nivel de la nanoescala. Herramientas tales como STM, AFM y TEM hacen posible la caracterización de superficies e interfaces de materiales en la escala nanométrica, permitiendo incluso la observación de átomos individuales. Esto conduce a una mayor comprensión de la relación entre la forma y propiedades de los materiales y permite el control de los procesos en la nanoescala y el diseño de materiales con propiedades específicas.

Las aplicaciones de nanomateriales en partes y dispositivos específicos involucra adicionalmente el ajuste de las técnicas de producción y de las características de los materiales para obtener las propiedades requeridas en cada caso. Así se tienen, por ejemplo, las aplicaciones en micro y nanoelectrónica, en biomateriales, en catálisis, en dispositivos ópticos, etc. Aquí se incluyen cuestiones relacionadas economía y sustentabilidad de los procesos de producción y re-uso de los materiales.

micro

Micro-nanodispositivos y micro-nanosistemas

La micro y nanoelectrónica incluyen la aplicación de la tecnología a componentes semiconductores y subsistemas electrónicos altamente miniaturizados y su integración en sistemas y productos más grandes. El ritmo acelerado de la revolución digital permite nuevas aplicaciones en casi todos los segmentos de la economía mundial, tales como dispositivos médicos, generación de energía fotovoltaica, la gestión del tráfico, etc.

Los dispositivos actuales se fabrican con procesos de hasta 19 nm. En este sentido, la nanoelectrónica es simplemente la consecuencia de la evolución de la microelectrónica hacia el dominio de la nanoescala. El papel de las nanociencias y nanotecnologías en el desarrollo de la tecnología de la información está previsto en el plan internacional de tecnología de semiconductores, que predice las principales tendencias en la industria de semiconductores hasta 2018. Gran parte de la miniaturización de los microprocesadores de computadoras ha implicado nanociencias y nanotecnologías. El almacenamiento de datos, utilizando propiedades ópticas o magnéticas en escala nanométrica, también depende esencialmente de los avances en Nanociencias y Nanotecnologías (NyN).

Las aplicaciones en el campo de la medicina son especialmente prometedoras. Áreas como el diagnóstico de enfermedades, el suministro de medicamentos y las imágenes moleculares son de gran interés. Productos aplicados en medicina que contienen nanopartículas se encuentran actualmente en el mercado internacional. Por ej., algunos productos liberan plata iónica durante un período sostenido de tiempo para proporcionar un espectro antimicrobiano que incluye 150 diferentes patógenos.

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Micro y nanomanufactura

La expectativa es que las nanotecnologías permitirán enfoques más eficientes para la producción de una gran cantidad de materiales multifuncionales en una manera rentable de fabricación, con menor uso de uso de recursos y menor producción de residuos. Sin embargo, la comercialización de tales materiales funcionales avanzados requiere que pueden fabricarse de manera predecible, confiable y en cantidades suficientes.

Hasta que se logra tal tipo de producción, su empleo se limita a cuestiones académicas y de R&D de la industria.

Existe una amplia variedad de técnicas capaces de crear nanoestructuras con diversos grados de calidad, velocidad y costo. Estos enfoques de fabricación caen en las categorías de las técnicas “descendentes” (“top-down”) y “ascendentes” (“bottom-up”). En los últimos años los límites de cada enfoque, en términos de tamaño y calidad que pueden lograrse, han empezado a converger. La fabricación de tipo ascendente implica la construcción de estructuras, átomo por átomo o molécula por molécula. La amplia variedad de enfoques para lograr este objetivo se puede dividir en tres categorías: síntesis química, autoensamblaje y ensamblaje posicional. Por su parte, la fabricación de tipo descendente implica comenzar con una parte más grande de material y la eliminación parcial de material hasta llegar a la forma y tamaño deseados. Esto puede hacerse mediante técnicas como la ingeniería de precisión y la litografía, procesos desarrollados por la industria de semiconductores en las últimas décadas. Los métodos de tipo descendente ofrecen fiabilidad y complejidad del dispositivo, aunque suelen requerir un mayor consumo de energía y producir más residuos que los métodos de tipo ascendente. La optimización y desarrollo de nuevas técnicas, incluyendo técnicas híbridas, es un paso primordial en la eventual aplicación de cualquier nanotecnología.

La Bio-nanotecnología se relaciona con las propiedades a escala molecular y las aplicaciones de nanoestructuras biológicas y, como tal, se asienta en la interfaz entre las ciencias químicas, biológicas y físicas.

Utilizando técnicas de nanofabricación y procesos de autoensamblaje molecular, la bio-nanotecnología permite la producción de materiales y dispositivos incluyendo biomoléculas para sensores, suministro de medicamentos y aplicaciones mecánicas, así como tejidos y andamios de ingeniería celular y motores moleculares. La bio-nanotecnología puede utilizarse en medicina para proporcionar un enfoque sistemático para el descubrimiento de medicamentos, y para mejorar las técnicas terapéuticas y de diagnóstico a nivel celular ysubcelular.

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Instrumentación, metrología y estándares en nanotecnología

Metrología, la ciencia de la medición, permite la caracterización de los materiales de dimensiones y también en términos de atributos tales como propiedades eléctricas y masa. Una mayor precisión en metrología impulsa el desarrollo de las nanociencias y nanotecnologías. Sin embargo, esto requiere una mayor estandarización para permitir la calibración adecuada de los equipos e instrumentos de medición.

Las aplicaciones de las nanotecnologías en medicina son especialmente prometedoras y áreas como el diagnóstico de la enfermedad y la entrega de drogas dirigida a sitios específicos en el cuerpo están siendo intensamente investigados hasta el punto de ser sometidos a ensayos clínicos. A mayor plazo, el desarrollo de sistemas nanoelectrónicos que puedan detectar y procesar información conducirá al desarrollo de órganos o miembros artificiales (p. ej., una retina artificial). Progresos en el ámbito de la bio-nanotecnología se basarán en la comprensión de las estructuras biológicas naturales – como las proteínas - en la escala molecular.

La capacidad para medir y caracterizar materiales (determinar su tamaño, forma y propiedades físicas) en la escala nanométrica es vital para producir nanomateriales y dispositivos con un alto grado de precisión y fiabilidad. La metrología incluye medidas de longitud o tamaño, así como de fuerza, masa, cantidades eléctricas y otras propiedades. Los instrumentos para realizar tales medidas son muchos y variados. La metrología es esencialmente una tecnología habilitadora. Las nanotecnologías no pueden avanzar independientemente de los avances en metrología. Aparte de su influencia directa en la investigación científica y en sus aplicaciones, las soluciones desarrolladas para la metrología pueden a menudo explotarse en otros lugares. Por ejemplo, el concepto de la microscopía de fuerza atómica ha tenido una influencia directa sobre los procesos litográficos y las técnicas de manipulación molecular. Alternativamente, es probable que la investigación en nanodispositivos sugerirá nuevos métodos de medición.

Las mediciones con de alta precisión plantean varias dificultades. Fluctuaciones ambientales tales como vibraciones o cambios de temperatura tienen un gran efecto en la nanoescala. La capacidad para medir estas influencias y para reducirlas al mínimo resulta entonces vital. Sin embargo, aún no se han establecido normas de medición universal.

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Impacto social y económico de la micro-nanotecnología

Se han expresado preocupaciones de que las propiedades de los nanomateriales podrían tener efectos negativos en la salud y en aspectos ambientales. Muchas de las nanotecnologías pueden representar potenciales riesgos a la salud, como es el caso de las nanopartículas libres o embebidas dentro de una matriz. Se requieren estudios sobre los efectos de la inhalación de nanopartículas libres, de su ciclo de vida, e incluso de los efectos económicos que se deriven de un tratamiento especial de estas partículas. Prácticamente no hay información disponible sobre el efecto de las nanopartículas en especies distintas de los seres humanos o sobre cómo se comportan en el aire, el agua y el suelo, o sobre su capacidad para acumularse en las cadenas alimentarias.

Es necesaria la investigación sobre los peligros y las diferentes vías de exposición de los nanomateriales para reducir las incertidumbres relacionadas con sus posibles impactos en la salud, la seguridad y el medio ambiente. Esta investigación debe mantener el ritmo con el desarrollo de nuevos nanomateriales.

Es difícil predecir la dirección futura de NyN, pero es incluso más difícil predecir qué factores activarán preocupaciones sociales y éticas. En el corto y mediano plazo se espera que preocupaciones se centran en dos cuestiones básicas: ¿qué controles se utiliza en las nanotecnologías? y ¿quién se beneficia del uso de las nanotecnologías? Estas cuestiones no son exclusivas de las nanotecnologías, pero la experiencia con otras tecnologías demuestra que deben abordarse oportunamente.

La percepción de las oportunidades y amenazas de las nanotecnologías a menudo derivan de las mismas características. Por ejemplo, la convergencia de las nanotecnologías con las tecnologías de la información podría utilizarse para lograr mayor seguridad y salud individualizada, pero igualmente podría utilizarse para vigilancia encubierta, o para la recopilación y distribución de información sin autorización adecuada. Es necesario establecer si los marcos reglamentarios e instituciones actuales proporcionan garantías adecuadas a los individuos y grupos de la sociedad. En el contexto militar, las nanotecnologías tienen potencial para aprovecharse tanto en la defensa como el delito y, por lo tanto, su uso plantea una serie de cuestiones sociales y éticas. Aún más, la posible convergencia de las nanotecnologías con la tecnología de la información, la biotecnología y las ciencias cognitivas para impulsar un perfeccionamiento humano radical plantearía cuestiones éticas muy profundas.

Las nanotecnologías pueden considerarse un esfuerzo verdaderamente interdisciplinario y han llevado la colaboración entre los investigadores en áreas previamente dispares para compartir conocimientos, herramientas y técnicas. La comprensión de la física y química de la materia y procesos en la nanoescala son relevantes para todas las disciplinas científicas, de física y química, biología, ingeniería y medicina. De hecho, podría argumentarse que los avances en cada uno de estos campos para investigar la naturaleza a escalas cada vez más pequeñas representa un hito en el desarrollo de las ciencias y tecnologías.

Finalmente, es necesaria una nueva generación de investigadores, ingenieros y trabajadores calificados con un enfoque flexible e interdisciplinario para R&D en nanotecnología. La necesidad es especialmente urgente para la formación de jóvenes investigadores en distintas disciplinas, con un enfoque en nanotecnología. Este enfoque también debería encauzar la formación de investigadores flexibles, que puedan trabajar con diversas disciplinas y sectores y comprender la vinculación entre la investigación básica y aplicada. También es necesario un entendimiento de las exigencias del mercado y el desarrollo de aplicaciones. Este es otro aspecto de la movilidad, que no sólo debe ser geográfica, sino también entre disciplinas y sectores. Debe establecerse un programa eficaz de capacitación y transferencia de conocimientos. También deben considerarse la importancia del desarrollo tecnológico y la formación de técnicos altamente capacitados.