como al número binario 1 y al –½ con el número binario 0. Si podemos controlar el espín, podemos pensar en nuestro electrón como representando la más pequeña unidad del sistema binario, el bit. Como estamos hablando de cuántica, al bit se le llama qubit (quantum bit). En capítulos anteriores vimos que suceden muchas cosas extrañas suceden en el mundo cuántico. Las leyes cuánticas nos dicen que no podemos predecir el estado del electrón hasta que lo midamos. Cuando lo hacemos, obtenemos uno de los dos posibles valores, pero mientras no lo hagamos el electrón está en una combinación de los dos estados y se dice que es una superposición de los estados 0 y 1: tiene un poco de 0 y un poco de 1. Utilizando esta propiedad, los cientí�cos han demostrado que se pueden ejecutar programas en paralelo, en forma muchísimo más rápida que por medio de algoritmos clásicos. Ya se han hecho algunos cálculos sencillos usando computadoras cuánticas.
95
VI. Las nanoestructuras del carbono
El carbono es un elemento muy abundante e importante en la naturaleza. iene una gran facilidad para unirse consigo mismo y con otros átomos pequeños al punto de formar más de diez millones de moléculas diferentes. odos los seres vivos contienen carbono y hay una rama de la química que estudia sus compuestos (química orgánica). Con el oxígeno, forma el dióxido de carbono, indispensable para el ciclo vital de las plantas: por medio de la fotosíntesis, utilizando la energía de la luz, las plantas asimilan el dióxido de carbono para convertirlo en compuestos orgánicos que permiten su crecimiento, su reproducción y su desarrollo. Con el hidrógeno, forma materiales que comúnmente llamamos hidrocarburos . Muchos de ellos son muy importantes en nuestra vida diaria: del petróleo obte-
F����� ��.1. Estructura atómica del gra�to. 96
nemos la gasolina que mueve nuestros autos, con el gas natural calentamos nuestras casas y cocinamos nuestros alimentos. Los plásticos, las ceras y los lubricantes también están formados por hidrocarburos. Es difícil imaginarse cómo sería nuestra vida sin ellos. El carbono combinado con el oxígeno y el hidrógeno forma compuestos como las grasas, las cuales son imprescindibles para la vida animal (aunque siempre queremos eliminar un poco de ellas para bajar de peso). Dependiendo de las condiciones de formación, el carbono puro (sin combinarse con otro tipo de átomos) puede encontrarse en la naturaleza en formas distintas. Las más comunes son el carbono amorfo y el carbono cristalino (ya sea en forma de gra�to o diamante). En el gra�to, los átomos de carbono se acomodan formando capas, en las que cada átomo está rodeado por otros tres en un arreglo en forma de panal de abejas. Estas capas están apiladas una sobre la otra. Una sola capa de gra�to es muy estable, fuerte y �exible, pero entre capa y capa la adhesión es muy débil. Es por esto que este material se usa en los lápices, pues mientras se escribe, dejamos caer en el papel pequeñas capas de gra�to. En el diamante, cada átomo de carbono está enlazado a cuatro vecinos iguales, dispuestos en forma de tetrahedro (pirámide de cuatro caras de triángulos equiláteros). El diamante
F����� ��.2. Estructura atómica del diamante. 97
sólo se consigue sometiendo el carbono a presiones muy altas; por eso es tan escaso y difícil de encontrar. La forma amorfa del carbono es muy parecida al gra�to, pero no llega a adoptar una estructura cristalina perfecta. La mayoría de los carbones son ejemplos de carbono amorfo. Como vimos, el carbono puro es un elemento sorprendente por varias razones; como gra�to es una de las sustancias más blandas y como diamante es la más dura que existe. Desde el punto de vista económico, el carbón es una de los materiales más baratos, pero como diamante es uno de los más caros. L�� ��������� En 1985, Robert F. Curl, Harold W. Kroto y Richard E. Smalley descubrieron una nueva forma del carbono (de hecho una familia entera). El primer miembro de esta familia tiene forma esférica y contiene 60 átomos de carbono. El nombre de la molécula fue escogido para honrar a Richard Buckminster Fuller, arquitecto conocido por construir edi�cios con estructuras de bóvedas geodésicas. Puesto que la molécula tiene una forma similar a estos edificios, se le llamó buckminsterfulereno o simplemente fulereno. ambién se le conoce por su fórmula química: C60.
F����� ��.3. Estructura atómica del carbono amoro. 98
F����� ��.4. Modelo atómico de un ulereno, comparado con un balón de utbol. Las dimensiones son dierentes.
Su estructura atómica es muy parecida a un balón de futbol tradicional; está formado por 12 pentágonos y 20 hexágonos, pero tiene un tamaño mucho más pequeño. Su diámetro es aproximadamente de 0.7 nanómetros. Esta nueva forma del carbono se obtiene a partir del hollín que se produce al pasar electricidad entre dos electrodos de gra�to. Más o menos al mismo tiempo se encontró otra nanoestructura con 70 átomos de carbón, pero mucho menos abundante que la de 60 átomos. Es alargada como una pelota de futbol americano. iene cinco hexágonos adicionales a la molécula de C60. Se pueden fabricar fulerenos de otros tamaños, algunos más grandes, otros más pequeños, formados por hexágonos y pentágonos. La más pequeña de todas estas nanoestructuras de carbón tiene 20 átomos, arreglados en 12 pentágonos, sin hexágonos. Como los fulerenos son huecos, se pueden introducir otras clases de átomos y de esta forma se cambian sus propiedades. ambién se pueden fabricar estructuras periódicas con los fu99
lerenos. Los cristales formados con C 60 tienen una estructura cúbica parecida a la de la sal y son semiconductores. Algo más que se puede hacer con estos cristales es intercalarles metales entre dos moléculas de C 60. En este caso, los cristales se pueden volver metálicos y en algunos otros, superconductores. Superconductividad es el fenómeno caracterizado por la desaparición de la resistencia eléctrica en varios metales, aleaciones y compuestos. Se ha encontrado que esto sucede cuando son enfriados por debajo de una temperatura llamada temperatura crítica o c, la cual es muy baja. Una vez establecida la corriente eléctrica en un superconductor, ésta puede �uir en forma inde�nida. Si no hay resistencia eléctrica, la corriente puede �uir sin pérdida de energía en forma de calor. L�� ��������� �� ������ En 1991, Sumio Iijima encontró otro tipo de nanoestructuras de carbón con forma cilíndrica: los nanotubos de carbón, los
F����� ��.5. Modelo de una nanoestructura ormada por 70 átomos de carbono. 100
F����� ��.6. Modelo de una estructura cristalina de C 60.
cuales pueden tener una o varias capas (varios tubos metidos uno dentro de otro, como las muñecas rusas que al abrir una descubren una más pequeña). Inicialmente, el interés de los cientí�cos se enfocó en estudiar las propiedades electrónicas de los nanotubos, debido a que se pueden considerar como prototipos de un alambre cuántico unidimensional. Sin embargo, otras propiedades interesantes, como su gran resistencia, están abriendo nuevas posibles aplicaciones. Los nanotubos tienen un diámetro de uno o varios nanómetros y pueden ser tan “largos” como un milímetro. Cada extremo del nanotubo puede estar cerrado por la mitad de una molécula de fulereno. Hoy en día se pueden fabricar nanotubos empleando diferentes métodos. En el caso de los nanotubos de varias capas no 101
se necesita un metal catalítico para su crecimiento, mientras que para la fabricación de nanotubos de una sola capa sí es necesario. odavía no se tiene un conocimiento detallado de los mecanismos de crecimiento de los nanotubos. Por medio de algunos experimentos que usan microscopios electrónicos de transmisión de alta resolución, se ha con�rmado que los nanotubos son estructuras cilíndricas formadas al enrollar una sola lámina de gra�to conocida como grafeno. En la �gura ��.8 mostramos cómo se obtiene este material en sus tres formas diferentes. Si se enrolla el grafeno de tal manera que la línea naranja de la �gura forme la circunferencia del nanotubo, se obtienen los llamados nanotubos zigzag (por la forma de la línea naranja), mientras que si se enrolla de tal manera que la línea roja de la �gura forme la circunferencia, se tienen los nanotubos de sillón. Si el nanotubo se forma enrollando la lámina de grafeno en otra dirección se obtienen los nanotubos quirales. Los nanotubos de sillón siempre son metálicos, mientras
n m 5
F����� ��.7. Imágenes ��� de nanotubos de carbón. (Fotograía: Journal of Physical Chemistry C., vol. 111, p. 4543. © 2007 American Chemical Society.) 102
Zigzag
Sillón
F����� ��.8. Modelo de la estructura atómica de nanotubos de carbón zigzag y de sillón
los otros pueden ser metales o semiconductores; todo depende de su diámetro y de cómo se enrollan. L�� ������������ �� ������ Algo similar a los nanotubos de muchas capas son las nanocebollas de carbón: esferas concéntricas de fulerenos que se obtiene irradiando partículas de carbón con un haz muy intenso de electrones. En su interior se encuentra una molécula de C 60. Ésta 103
5 mn
F����� ��.9. Nanoestructura en orma de cebolla. (Fotograía: Journal of Physical Chemistry B., vol. 106, p. 7135. © 2002 American Chemical Society.)
está rodeada por fulerenos de tamaño mayor, formando capas como una cebolla. Como se muestra en la �gura ��. 9 se pueden fabricar estructuras de radio mayor a algunos nanómetros. Como decíamos, la investigación sobre fulerenos y nanotubos es muy importante por sus eventuales aplicaciones. Los fulerenos podrían usarse como nanocápsulas para almacenar y transportar otras moléculas sin ninguna interacción con el exterior y serviría, por ejemplo, para aislar desechos tóxicos peligrosos. ambién podrían utilizarse en medicina; por ejemplo, enlazando su estructura con antibióticos especí�cos para combatir algunas bacterias o células cancerosas como el melanoma. ambién se busca la forma de incrementar la reacti vidad de los fulerenos y de esta forma unirlos con otras moléculas activas que pudiesen usarse como sensores o detectores. Igualmente, se piensa que podrían usarse como lubricantes y en 104
F����� ��.10. Modelo de la estructura atómica de graeno.
las re�nerías de petróleo. Además, se ha encontrado que bajo ciertas condiciones su forma cristalina presenta el fenómeno de la superconductividad, lo cual aumentaría sus aplicaciones. Los nanotubos de carbón son muy fuertes y muy resistentes al estirarlos, al igual que las �bras de carbón. Pero a diferencia de éstas, los nanotubos son muy �exibles, pueden ser retorcidos, aplanados y doblados sin romperse y se piensa que después de deformarlos pueden recobrar su forma original. Además, son resistentes bajo compresión. Estas propiedades mecánicas tan favorables pueden usarse en muchas aplicaciones, por ejemplo en la industria aeroespacial. ambién se piensa que pueden ser empleados para manipular otras nanoestructuras. Se planea usarlos como puntas en los microscopios de efecto túnel y como fuentes de emisión de campo para la fabricación de pantallas ultradelgadas. El hecho de que realmente sean alambres cuánticos, con sus peculiares propiedades para el transporte de los electrones, 105
abre la posibilidad de utilizarlos en la industria electrónica y de la com computación. putación. En la actualidad, varios com componentes ponentes electrónicos han sido ensamblados usando nanotubos. Como son huecos, también pueden servir para almacenar gases como el hidrógeno o el nitrógeno, o como sensores de gases tóxicos. Se espera que con el tiempo, surjan más aplicaciones de los fulerenos y los nanotubos, aumentando aún más la importancia del carbono. E� ������� Cuando hablamos de nanotubos de carbón mencionamos que son estructuras cilíndricas formadas al enrollar una lámina de gra�to llamada grafeno. Sin embargo, a pesar de que por mucho tiempo se habían predicho teóricamente sus propiedades, no se había podido fabricar experimentalmente. Por mucho tiempo se pensó que era imposible fabricar una estructura puramente bidimensional bidimensional que existiese por sí sola. En el año 2004, el grupo del doctor Andre Geim, de la Universidad de Manchester, y del doctor Kostya Novoselov, del Instituto de ecnoecnología lo gía Microelectrónica en Chernogolovka, Rusia, reportaron por primera vez la fabricación del grafeno en la revista Science. Mencionamos antes que la mina de los lápices está hecha de gra�to; pues, cuando escribimos, la fricción con la super�cie su per�cie arranca algunas capas y las deposita en el papel. Y así, sin ningún esfuerzo, estamos creando capas muy delgadas de gra�to. En el labora laboratorio torio se puede fabricar el grafeno con igual facilidad. Frotando el gra�to tridimensional sobre una super�cie se pueden depositar capas muy delgadas de gra�to formadas por alrededor de un centenar de láminas. Se puede usar cinta adhesiva para separarlas y obtener una sola lámina: se pegan sendas cintas a las dos caras del gra�to y se abren, logrando la separación de las láminas. Si se repite el proceso, las capas de gra�to 106
son cada vez más delgadas, hasta llegar a una sola capa de grafeno, de un átomo de espesor. Lo más interesante del grafeno son sus propiedades nue vas. Por ser un material puramente puramente bidimensional, sus propiepropiedades electrónicas son completamente diferentes a cualquier material fabricado en la actualidad. Los electrones en grafenos se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, como si no tuvieran masa. Además, el grafeno es un semiconductor que funciona a escala nanométrica y a temperatura ambiente; por eso se piensa que se podrán crear nuevos dispositi vos electrónicos electrónicos con este este material. material. La última novedad sobre el grafeno, según un comunicado de la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, es que los investigadores investig adores han con�rmado lo que se sospechaba por p or mucho tiempo: se trata del material más fuerte jamás estudiado.
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VII. Las L as aplicaciones aplicaciones
En los capítulos anteriores estudiamos el signi�cado de la nanociencia y la nanotecnología, las bases cientí�cas necesarias para entenderlas y las herramientas para manipula manipularr átomos y moléculas. ambién vimos algunos ejemplos de nanoestructuras, la forma en que se fabrican y su importancia. Este capítulo está dedicado a las aplicaciones, las cuales se hallan en varios estados es tados de desarrollo: algunas se encuentran ya en el mercado, otras están en una primera etapa de comercialización o en el laboratorio, mientras que muchas más solamente son ideas. Como la lista de aplicaciones de la nanociencia y la nanotecnología es muy larga y sigue creciendo, nos concentraremos solamente en algunas de ellas. C�������� Un catalizador es una sustancia (ya sea un compuesto o un elemento) que acelera una reacción química, permaneciendo ella misma inalterada (no se consume durante la reacción). Generalmente, el catalizador reduce la cantidad de energía necesaria para producir la reacción. Se piensa que la fermentación del vino es la reacción catalítica más antigua antigua usada por el hombre, hombre, la cual comenzó a usarse aproximadamente 5 000 años antes de Cristo. En este proceso, una enzima facilita la transformación de los azúcares en alcohol. Hoy en día los catalizadores 108
son usados no sólo en la fabricación de bebidas alcohólicas, sino también en otros campos como la ingeniería química. En particular, son muy importantes en la industria petrolera, ya que se usan para la transformación del petróleo crudo en gasolina, combustible para aviones y otros hidrocarburos, los cuales son la base para fabricar plásticos y otras sustancias petroquímicas. Se espera que usando la nanotecnología se puedan crear algunos catalizadores más eficientes para ahorrar más energía. El efecto de los catalizadores está muy relacionado con las superficies y esto lo debemos tomar en cuenta si queremos mejorar la e�ciencia de una reacción química. Si el catalizador tiene más área super�cial, entonces hay más lugares donde los otros agentes químicos pueden enlazarse y reaccionar. Entre más pequeños son los objetos, su relación área super�cial/volumen se incrementa, y aumenta también la proporción de átomos cerca o en la super�cie. Como consecuencia, al disminuir el tamaño de las partículas crece su reactividad, lo cual es el ob jetivo de los catalizadores. Como mencionamos al inicio, la catálisis juega un papel importante en la conversión del petróleo en materiales útiles. Por esto se espera que la industria petroquímica sea una de las más bene�ciadas al usar nanocatalizadores en los procesos de re�nación. Un ejemplo particular de nuevos materiales usados con este �n son las zeolitas, las cuales tienen cavidades conectadas por túneles nanoscópicos o poros. El tamaño de las cavidades y de los túneles, junto con el efecto local de la reacti vidad de las partículas, favorece la producción de hidrocarburos de cierta forma y composición. Debido a que el proceso de catálisis es controlado, hace que las reacciones sean más e�cientes y en consecuencia más baratas. Asimismo, la nanocatálisis es importante en la búsqueda de otras fuentes de energía distintas al petróleo. Actualmente 109
F����� ���.1. Modelo atómico de una zeolita.
se usan nanocatalizadores para remover impurezas como el azufre o el nitrógeno del carbón sólido, de una manera e�ciente y barata. Otro ejemplo del uso de los catalizadores en la vida diaria lo encontramos en nuestros autos. El platino, componente importante de los convertidores catalíticos de los automóviles, ayuda en la reacción química, en la cual los gases tóxicos producidos por la combustión de la gasolina, el monóxido de carbono y el óxido nítrico, son convertidos en algo menos per judicial como el dióxido de carbono y el nitrógeno. La reacción sucede de la siguiente manera: cuando la molécula del óxido nítrico es adsorbida en la super�cie del platino, los átomos de nitrógeno y oxígeno se enlazan con los del platino y provocan el rompimiento de la molécula. Los átomos de nitrógeno se 110
enlazan entre sí y se liberan como nitrógeno gaseoso. Al mismo tiempo, los átomos de oxígeno se enlazan con las moléculas del monóxido de carbono, también adsorbidas en la superficie del platino, y forman el dióxido de carbono que se libera como gas. Como vemos, el platino juega un papel muy importante y la reacción es bastante e�ciente. Sin embargo, el platino es un metal muy caro y se busca remplazarlo con materiales más económicos. Se piensa que el empleo de nanopartículas de platino podría reducir los costos de los convertidores catalíticos. ambién se investiga el potencial uso de otros materiales que normalmente no se consideran buenos catalizadores, pero que en forma de nanopartículas sí lo son. L�� ���������� Hay una búsqueda continua de nuevos materiales con propiedades especí�cas para aplicaciones particulares. Así, por ejemplo, queremos sustancias que combinen fuerza y resistencia, pero que al mismo tiempo sean livianas para fabricar toda clase de vehículos, desde bicicletas hasta naves espaciales. Las compañías aeroespaciales como Boeing y Aerobus utilizan materiales hechos de �bras de carbón para construir aviones muy resistentes, pero que al mismo tiempo sean su�cientemente livianos para hacer e�ciente el uso de los combustibles. Hace algunos años el costo de estas �bras era elevado y por eso su uso estaba restringido a la fabricación de aviones y naves espaciales. Hoy, sin embargo, se utilizan para muchas otras cosas, como los palos de golf, las raquetas de tenis y una gran variedad de artículos deportivos; también se usan en la industria automotriz o para la generación de electricidad en la fabricación de las turbinas de viento. Los nanotubos de carbón son materiales que poseen me111
jores características que las �bras de carbón en cuanto a su resistencia mecánica y térmica y en cuanto a sus propiedades eléctricas. eniendo cualidades tan buenas, el reto ahora es fabricarlos a precios comparables con los de las �bras de carbono. Si esto es posible, los nanotubos de carbón seguramente remplazarán a las �bras de carbono en muchas aplicaciones. En general, las �bras y los nanotubos de carbón no se utilizan solos, sino en lo que se conoce como nanocompósitos. Un compósito es un material hecho de dos o más “componentes”. En muchos de ellos, uno de los materiales (una fibra) actúa como el esqueleto, mientras que el otro (la matriz) los conser va unidos. Las �bras se escogen con base en su resistencia y la matriz por su habilidad para mantener juntas las �bras. La razón para adicionar la �bra radica en conseguir que el material terminado tenga mayor resistencia. Un ejemplo muy sencillo de compósito lo podemos ver en las construcciones de concreto reforzado, en una casa o en un puente. Primero se construye una estructura con varillas de acero, que luego se recubren con concreto ordinario. Algo similar se hace para fabricar los materiales utilizados en aviones, naves espaciales y artículos deportivos. En lugar de varillas se emplean �bras de carbono que se han agrupado en forma especial y luego se recubren con un material polimérico. Actualmente se han comenzado a introducir nanotubos de carbón para obtener un material más liviano y más resistente. Este nuevo material es usado en artículos deportivos, con excelentes resultados. Para proteger la pintura de los automóviles, se les aplica una capa para que resistan mejor los rayones. Estas capas consisten en una resina, a la cual se le agregan algunas arcillas como el sílice. Sin embargo, al �nal se tiene un material que no es completamente transparente, lo cual es un problema para su uso comercial. Pero si remplazamos la sílica con nanopartícu112
F����� ���.2. Diversos productos que contienen nanomateriales.
las de óxido de aluminio, se aumenta considerablemente la resistencia contra rayones sin modi�car las propiedades ópticas de las resinas. Otras aplicaciones de los nanomateriales incluyen: los escalones en las minivans, las defensas de los automóviles, las pinturas y los recubrimientos anticorrosivos y, contra la radiación, también los recubrimientos protectores que reducen el brillo en los lentes y el vidrio, las herramientas para cortar metales, los cosméticos y las lociones bloqueadoras del sol, las pelotas de tenis más duraderas, las raquetas más fuertes y livianas, la ropa antimanchas, tintas y muchas más. 113
L� ������� Celdas solares
La mayor fuente de energía en la ierra proviene del Sol; sin embargo, aprovechamos muy poco de ella. Para convertir esta energía en electricidad se utilizan las celdas solares, las cuales están fabricadas con semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio. Son utilizadas tanto en las naves espaciales como en los juguetes y en las calculadoras. No obstante, la fabricación de grandes paneles solares es muy costosa. La nanotecnología ofrece una nueva oportunidad, ya que permite fabricar materiales para celdas solares en nuevas formas. Por ejemplo, la compañía Nanosolar desarrolló un método que imprime capas de celdas solares sobre una super�cie metálica, de manera similar a una impresora de inyección que deposita tinta sobre una hoja. De esta forma se tienen celdas solares mucho más delgadas, ligeras, �exibles y baratas. A diferencia de las celdas solares fabricadas con silicio, el cual es mucho más costoso, las celdas de Nanosolar están hechas de cobre, indio, galio y selenio, cuyo precio por vatio es 10 veces menor que el de las celdas solares convencionales. En noviembre de 2007, la revista Ciencia Popular nombró a este producto como la mejor innovación del año y en un comunicado de prensa en diciembre de 2007 la compañía Nanosolar anunció que estaba comenzando a distribuir sus delgadas y flexibles celdas solares. Estas celdas podrían instalarse entre los vidrios de las ventanas de un edi�cio y podrían generar la electricidad necesaria para el funcionamiento de todas las oficinas del edi�cio. Otra compañía, llamada Konarka echnologies, está desarrollando algunas celdas solares que usan nanocristales de óxido de titanio embebidos en plásticos. ambién han patentado un material llamado power plastic, que es �exible, liviano e 114
F����� ���.3. Celdas solares abricadas con nanomateriales.
igualmente más barato que las celdas solares convencionales. Estos nuevos materiales están hechos de polímeros conductores que también pueden ser recubiertos o impresos. Esta clase de desarrollos se podrían extender a la manufactura de telas que funcionen como celdas solares. En el futuro, una prenda de vestir fabricada con estos materiales podría proveer la energía necesaria para que funcione un celular u otro aparato electrónico pequeño. El hidrógeno como combustible
El hidrógeno es una fuente de energía usada desde hace ya bastante tiempo en las naves espaciales. La reacción química necesaria para producir energía del hidrógeno es simple: se mezcla con el oxígeno y se genera solamente agua como residuo. 115
A pesar de que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y de que su uso en la generación de energía no contamina el ambiente, hay dos problemas para utilizarlo con �nes energéticos: los métodos para producir hidrógeno sí contaminan el aire, además de que su almacenamiento no es sencillo. Los nanotecnólogos están tratando de desarrollar métodos para producir hidrógeno que no contaminen el medio ambiente. Uno de ellos copia a la naturaleza: la cloro�la de las plantas absorbe la luz solar para producir agua y oxígeno. Algunos investigadores del Instituto ecnológico de Virginia, en Estados Unidos, están diseñando moléculas que contienen rodio y rutenio para que absorban la luz solar y produzcan hidrógeno a partir del agua. En cuanto al problema para almacenar el hidrógeno, se ha propuesto usar nanotubos para almacenar grandes cantidades de este gas en forma segura. Otra posibilidad es usar una super�cie metálica �na que contenga millones de pirámides nanométricas, las cuales extraerían hidrógeno del amoniaco. eniendo en cuenta que el amoniaco es un líquido fácil de obtener y transportar, podría usarse de modo similar a la gasolina. Diodos emisores de luz
Aunque es importante conseguir nuevas fuentes de energía, lo es aún más optimizar su uso. Cerca de 20% de la energía eléctrica que se consume en el mundo se utiliza para generar luz. En los focos incandescentes menos de 10% de la energía se usa en la iluminación; esto es, se desperdicia en forma de calor más de 90%. En el capítulo � vimos que los diodos emisores de luz fabricados con pozos y puntos cuánticos puede reducir el consumo de energía en el mundo. Los primeros diodos que se fabricaron fueron los rojos, hechos de arseniuro de galio y aluminio; avances posteriores permitieron la fabricación de dio116
F����� ���.4. Algunas aplicaciones de los ���.
dos de diferente color. En particular, los diodos azules se desarrollaron en la década de 1990 con nitruro de galio y nitruro de indio. Sin embargo, son más costosos de elaborar y por eso se ven con menos frecuencia en las aplicaciones. El gran reto de la nanotecnología es la fabricación de dispositivos que irradien luz blanca, con mayor potencia, y que sean económicamente viables. En la actualidad la mayoría de los diodos de luz blanca en realidad son diodos azules con un recubrimiento de fósforo que produce luz amarilla, la cual, al combinarse con la luz azul, resulta en un color blancuzco. L� ������������� La refracción es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio material a otro. Un ejemplo de este 117
Refracción negativa
Refracción positiva
F����� ���.5. Representación de la reracción positiva y negativa de la luz.
fenómeno se puede observar fácilmente introduciendo un lápiz en un vaso con agua, el cual parece quebrarse bajo la super�cie. Los metamateriales son una nueva clase de materiales que poseen propiedades no observadas normalmente en la naturaleza. En general, se trata de compuestos ordenados cuyas propiedades físicas son distintas a las de sus constituyentes. Por ejemplo, el índice de refracción de un metamaterial puede ser negativo, aunque el índice de refracción de sus partes sea siempre positivo. Es precisamente esta propiedad, la de la refracción negativa, por la cual los metamateriales podrían usarse para hacer invisibles los objetos. Las dimensiones internas de un metamaterial deben ser mucho menores que la longitud de onda de la radiación electromagnética incidente, la cual, en el caso de la luz visible, está en el rango de 400 a 700 nanómetros. Por lo tanto, para fabricar materiales invisibles a la luz visible, su estructura debe es118
tar en la nanoescala y se deben fabricar con técnicas de nanotecnología similares a las que se usan para fabricar los circuitos integrados. Pensando en lo anterior, cientí�cos de la Universidad de California, en Berkeley, recientemente lograron crear metamateriales con índice de refracción negativo para todos los ángulos de incidencia de la luz visible, acercándose así a la posibilidad de lograr la invisibilidad. L� ����������� � �� ����������� El acelerado desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología que estamos viviendo nació y ha sido impulsado por la industria de la electrónica. En una sociedad ansiosa de nuevos conocimientos e innovaciones, se ha evolucionado desde las computadoras que ocupaban habitaciones gigantescas hasta los pequeños teléfonos celulares que podemos llevar cómodamente en nuestros bolsillos y que seguramente tienen procesadores con un poder de cómputo muchísimo mayor que aquellas grandes máquinas de cálculo. Como mencionamos en el capítulo �, todo este avance del siglo �� fue producido por la industria electrónica del silicio. Se pasó muy rápido del transistor al circuito integrado o microchip. En la década de 1950, la televisión era en blanco y negro, sólo había unas cuantas computadoras y por supuesto no existía la internet. Las computadoras portátiles, los teléfonos celulares, los aparatos para jugar video, todos se desarrollaron gracias a los circuitos integrados. La evolución de la tecnología de los microchips, que permite desarrollar sistemas cada vez más complejos, está resumida en la llamada ley de Moore (�gura ���. 6), pronosticada por uno de los cofundadores de la compañía Intel y que establece que el número de transistores en un chip aumenta al doble aproximadamente cada dos años. Esto signi�ca que cada vez los transistores van a estar más cerca unos de otros, lo que 119
s e r o t s i s n a r T
Año
F����� ���.6. Ley de Moore.
resulta en nuevos problemas técnicos debido a la miniaturización. Actualmente, los fabricantes producen los chips en una lámina de silicio (que se conoce normalmente como “oblea”) sobre la cual se fabrican estructuras muy complejas empleando las técnicas de la fotolitografía descritas en el capítulo ��. Sin embargo, constantemente se están desarrollando nuevos métodos para hacer más pequeños los dispositivos y al mismo tiempo más rápidos. Una de estas nuevas tecnologías es la del silicio “estirado”, la cual puede aumentar la velocidad del �ujo de electrones en 70%, incrementando de esta manera la velocidad de los dispositivos y reduciendo el consumo de energía. Esta tecnología aprovecha la tendencia natural de los átomos a alinearse unos con otros. Cuando el silicio es depositado sobre un sustrato de otro material en el cual los átomos están separados por distan120
Silicio estirado
Germanio
F����� ���.7. Esquema del silicio “estirado”.
cias más grandes, los átomos que llegan a la super�cie tratan de conservar esta distancia “estirando” las capas de silicio que se forman. En un material fabricado en estas condiciones, los electrones experimentan menos resistencia y �uyen más rápido, con lo cual aumenta la velocidad de los chips en 35% sin necesidad de hacer más pequeños los transistores. ambién ha habido avances en el almacenamiento de la información. La memoria de acceso aleatorio ��� (del inglés, random access memory ) es donde el computador guarda los datos que está utilizando en el momento de su funcionamiento. El almacenamiento es temporal porque los datos y los programas permanecen en ella mientras la computadora está encendida. Se le llama ��� porque es posible acceder a cualquier 121
ubicación de ella en forma aleatoria y muy rápidamente. ienen la desventaja de que la información se debe “refrescar” constantemente para permitir que ésta pueda ser procesada, lo cual implica que sea lenta, consuma mucha energía y, además, si se apaga la computadora, que se pierda esta información y deba cargarse de nuevo. La memoria magnética de acceso aleatorio (����, del inglés magnetic random access memory ) usa campos magnéticos para almacenar información (igual que los discos duros). Utiliza menos energía, es más rápida y permite que las computadoras se puedan apagar y encender sin perder la información en la que se esté trabajando, gracias a que utiliza el magnetismo. Se espera que las ���� remplacen a las ��� en todas las computadoras. A pesar de que en todas estas aplicaciones que hemos descrito la nanotecnología juega un papel importante, los procesos de fabricación de los chips se basan en el silicio. Al hacerse cada vez más pequeños los dispositivos, se sabe que llegaremos a un límite, el cual hoy en día está muy cercano. Por eso, la nanotecnología va a jugar un papel aún más importante, pues se deberán diseñar procesos completamente nuevos para la fabricación de los dispositivos electrónicos. Por sus propiedades electrónicas, los nanotubos de carbón pueden ser empleados en transistores; se ha demostrado que un par de ellos funciona como compuertas lógicas, probando que a una escala muy pequeña podrían servir como un medio de computación. ambién se piensa que las moléculas orgánicas y las organo-metálicas puedan servir como componentes electrónicos. ienen la ventaja sobre los nanotubos de que son más sencillas de ensamblar y de autoensamblar. Aunque la mayoría de las moléculas son aislantes, en condiciones particulares pueden volverse conductoras. El transporte de electrones se puede controlar por medio de métodos químicos o por medio de campos electromagnéticos. En los últimos años se ha encontrado 122
que algunas moléculas aisladas también se pueden comportar como transistores y como interruptores en circuitos electrónicos. Por supuesto, hay propuestas y posibilidades aún más radicales: el uso del ��� para la computación o como memoria para guardar información, o los puntos cuánticos para fabricar computadoras cuánticas.
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VIII. Las aplicaciones en biología y en medicina
No hay un área más importante donde pueda aplicarse la nanotecnología que en la biomedicina. Los avances en la nanociencia y la nanotecnología actualmente se están utilizando en tratamientos contra algunas enfermedades como el cáncer. Y seguramente lo que estamos aprendiendo hoy tendrá un impacto importante en la medicina y en las ciencias de la salud en un futuro no muy lejano. Una pregunta que podemos hacer es la siguiente: ¿la nanotecnología puede extender nuestras vidas cinco, 10 o 20 años? Algunos desarrollos en la biomedicina a nivel nanoscópico tienen el potencial de crear nuevas generaciones de implantes médicos que estén diseñadas para interactuar con el cuerpo, que monitoreen la composición química de la sangre y, si es necesario, que liberen ciertos medicamentos. Esto sería muy útil para pacientes con enfermedades como la diabetes y el sida, entre muchas otras. Actualmente se están diseñando huesos, cartílagos y pieles arti�ciales que además de no ser rechazados por nuestro organismo, buscan ayudar a algunas partes del cuerpo humano a regenerarse. Las nanoestructuras podrían ser utilizadas para almacenar y transportar medicinas al lugar exacto donde se necesiten; de esta manera se pretende que mitiguen los efectos secundarios de los actuales medicamentos. En las siguientes líneas discutiremos algunas de estas interesantes posibilidades. 124
M����������� Una categoría muy importante de medicamentos tiene que ver con moléculas individuales que funcionan interaccionando directamente direc tamente con el ��� o con proteínas dentro del cuerpo. Algunos Al gunos ejemplos de ellos incluyen las medicinas contra el cáncer, como el cisplatino. El cáncer surge cuando las células de alguna parte del cuerpo comienzan a crecer sin control. La mayo mayoría ría de las veces, cuando el ��� se daña, la célula puede repararlo; de lo contrario se muere. En las células cancerosas el ��� no se repara y aun así las células siguen reproduciéndose. El objetivo de medicamentos como el cisplatino es evitar evi tar que el ��� de las células cancerosas se multiplique. Su función es formar enlaces con una de las cadenas del ��� y de esta forma evitar su duplicación. Como estas moléculas tienen tamaño nanométrico, el desarrollo de medicamentos es claramente una actividad en la nanoescala. La nanociencia y la nanotecnología han hecho posible que el descubrimiento de nuevas medicinas no sea un proceso accidental. El sida (síndro (síndrome me de inmunode�ciencia adquirida) es causado por un virus llamado ��� (virus de inmunode�ciencia humano). hu mano). Aunque todavía no existe una cura para esta enfermedad, el estudio y entendimiento del ��� han jugado un papel muy importante en el desarrollo de tratamientos contra este grave padecimiento. En 1989, utilizando difracción de rayos X (recordemos que los rayos X son una forma de radiación electromagnética y, por lo tanto, se difractan), cientí�cos determinaron terminaro n la estructura cristalográ�ca de la pro proteasa teasa ���, una enzima viral crítica en el ciclo de vida del ���. Los farmaceutas tenían la idea de que al bloquear esta enzima se podría po dría pre venir que el virus se esparciera por el cuerpo. El conocimiento de la estructura de la proteasa ��� (�gura ����.1) permitió a los cientí�cos no solamente ver en su com125
F����� ����.1. Mode Modelo lo de la estructur estructura a atómica atómica de la proteasa proteasa ���. ���.
putadora la forma como estaban arreglados los átomos de la enzima, en zima, sino también realizar cálculos cuánticos para saber qué moléculas sirven para bloquearla. Estas moléculas son obtenidas de bibliotecas químicas, diseñadas en computadoras o sintetizadas en el laboratorio. Este diseño de medicamentos basado ba sado en la estructura es muchísimo más barato y toma menos tiempo que los procesos de ensayo y error. En el caso de los inhibidores del ���, éste funcionó, y en menos de ocho años ya se tenían medicinas en el mercado. Algo muy importante en la efectividad de los medicamentos es que lleguen a los lugares donde van a ser útiles. Esto ha sido bastante difícil y lo que se ha hecho hasta ahora es inundar al cuerpo con una gran cantidad del fármaco. El problema más serio de este método no es el desperdicio del medicamento, sino sino los efectos secundarios que producen. Si tenemos un dolor de cabeza muy fuerte y no lo calma una aspirina, no podemos tomarnos tomarnos cien, pues nos moriríamos. La nanociencia y 126
la nano nanotecnología tecnología nos presentan una nueva forma de mejorar el transporte y la biodisponibilidad de las medicinas. Por ejemplo, podemos encapsular las moléculas en nanoestructuras que sean biocompatibles, de tal manera que, cuando lleguen al lugar indicado, se abran y puedan salir las moléculas del medimedi camento. camen to. En enero de 2005 la Foods and Drug Administration (���), agencia federal de Estados Unidos que controla las medicinas y los alimentos, autorizó el uso del abraxane, abra xane, el primer tratamientoo médico que utiliza nanoestructuras, diseñado para tramient tar el cáncer de seno. Este nuevo avance de la nanotecnología y la medicina es usado en pacientes en los cuales otras quimioterapias no funcionan. El abraxane utiliza nanopartículas de la proteína albúmina para encapsular el fármaco paclitaxel y se introduce al cuerpo por medio de inyecciones. Sin encapsularse, el paclitaxel requiere del uso de solventes que producen efectos secundarios muy fuertes, como anemia y náuseas. La eliminación de los solventes tóxicos tó xicos además permite exponer más células cancerígenas a la medicina. Cada nanopartícula de abraxane mide 130 nm de diámetro, lo que le permite traspasar las membranas de los vasos sanguíneos, san guíneos, pasar por la zona entre el vaso y el tejido del tumor, tumor, y �nalmente ser entregado al tumor cancerígeno. Algunos estudios han demostrado que como la medicina encapsulada encapsula da penetra de manera más eficaz en el tumor, el abraxane puede ofrecer grados de respuesta mejores en las mujeres con cáncer de mama. ambién se ha pensado utilizar nanopartículas para obser var el tumor y aplicar la medi medicina cina antican anticancer cerígen ígenaa al mism mismoo tiempo. En este caso se pretende usar dendrímeros, los cuales son moléculas esféricas poliméricas que pueden diseñarse a escala nanométrica con mucha precisión. Los dendrímeros cuentan con varias ramas o extremos li127
F����� ����.2. Modelo de dendrímeros.
bres en los que se puede acoplar una gran variedad de moléculas. En un experimento muy exitoso, investigadores de la Uni versidad de Michigan, en Estados Unidos, incorporaron moléculas �uorescentes en algunas ramas; en otras, se acopló ácido fólico, una vitamina necesaria para el funcionamiento celular, mientras que en otras más se aplicó metotrexate, una poderosa medicina anticancerígena. Las moléculas del ácido fólico se aferraron a las membranas celulares del tumor, las cuales pensaron que era solamente una vitamina. Cuando el dendrímero cruzó la membrana celular, las moléculas �uorescentes permitieron ver los tumores, los cuales fueron destruidos por el fármaco. Los dendrímeros actúan como una analogía nanotecnológica del caballo de roya. 128
N������������� ���� �������� ��������� � ����� Desde tiempos antiguos se ha utilizado la plata y sus compuestos derivados en la medicina al aprovechar sus propiedades tóxicas contra una gran variedad de microorganismos como bacterias, virus y hongos, esto sin provocar efectos adversos en las personas. Por ejemplo, los antiguos griegos sabían que el agua se conservaba mejor cuando se almacenaba en recipientes de plata. Antes del descubrimiento de los antibióticos, eran utilizados compuestos de plata para prevenir infecciones en las heridas. Por eso no es sorprendente que nanopartículas de plata puedan ser usadas como bactericidas ya que, en general, las nanopartículas tienen una mayor actividad química debido a su mayor cociente super�cie/volumen. El descubrimiento de nue vos bactericidas es muy importante, debido al reciente aumento de cepas de bacterias resistentes a los antibióticos. En la actualidad, nanopartículas de plata son utilizadas como agentes bactericidas en la instrumentación médica, por ejemplo, en catéteres, implantes, etc., y también como agente cicatrizante y bactericida en vendajes, cremas y geles, o en la fabricación de textiles con propiedades antimicrobianas que reducen la proliferación de hongos y bacterias en la ropa, con lo cual se eliminan olores desagradables; asimismo, en la fabricación de electrodomésticos como refrigeradores, lavadoras y aires acondicionados, y en pinturas y polímeros especiales para hospitales y centros de salud, precisamente por sus propiedades antimicrobianas. En el campo de la medicina se está estudiando el empleo de nanopartículas de plata para combatir los virus. Enfermedades graves como el sida, epidemias de influenza, como la aviar, o recientemente la ��1�1, son causadas por virus. Experimentos sobre la interacción de nanoestructuras de plata con el virus ��� han mostrado que partículas de tamaños entre 129
uno y 10 nanómetros se adhieren al virus. Imágenes de microscopía electrónica parecen indicar que las nanopartículas se adhieren en sitios especí�cos del virus, lo que los deja impedidos de enlazarse con las células. Esto último fue con�rmado con experimento in vitro. N������������� �� ������� �������� ���� �������� ������� Debido a que en última instancia el cáncer es una enfermedad que involucra los genes, por mucho tiempo se ha tenido la esperanza de encontrar un tratamiento genético para atacar los tumores donde éstos sean más susceptibles. A la terapia genética se le atribuye el potencial de lograr tratamientos seguros y efecti vos contra el cáncer. Sin embargo, hasta ahora el problema ha sido llevar los genes a las células cancerosas. La na notecnología ofrece una solución a dicho problema. Recientemente, investigadores han desarrollado una nanopartícula para transportar selectivamente genes antitumores a células cancerosas. Este método, que no afecta a las células sanas, puede ser una esperanza para personas con cánceres difíciles de tratar. Se utiliza un material llamado dendrímero Poli(propilamina) para llevar los genes. Estos dendrímeros forman complejos estables con el ���. Una vez dentro de las células cancerosas, los genes alojados en las nanopartículas hacen que las células produzcan proteínas, las cuales provocan su destrucción. B���������� En el capítulo ��� hablamos sobre el ��� y vimos que tenía una estructura de doble hélice formada por dos cadenas. Se llama hibridización al proceso mediante el cual una porción pequeña de una cadena se enlaza con otra. Si, por ejemplo, queremos 130
10 mn
F����� ����.3. Nanopartícula de plata adherida al virus ���. (Fotograía: Journal of Nanobiotechnology, vol. 3, 2005, p. 6.)
saber si tenemos una estructura con la secuencia �������, lo podemos hacer usando la cadena complementaria �������, ya que la primera solamente se hibridizará con la segunda. En este ejemplo tenemos una secuencia de siete bases (de cuatro posibles), lo que nos resulta en 4 7 = 16 384 posibles combinaciones. Si aumentamos el tamaño de la secuencia a 15 bases, el número de combinaciones aumenta a más de mil millones. O sea, si tenemos un trozo de ��� de un virus o de una bacteria, podemos analizarlo usando la cadena complementaria e identi�carlo con un error menor a uno entre mil millones. Cuando ocurre la hibridización, se crea una doble hélice, la cual tiene una masa más grande que la cadena sencilla. La 131
diferencia se puede medir con aparatos muy so�sticados. Esto nos obliga a encontrar formas para ampli�car los efectos de la hibridización y hacer mediciones más sencillas. Es aquí donde también la nanotecnología puede ayudar. En los capítulos � y � hablamos de las nanoestructuras de oro, las cuales tienen propiedades muy diferentes a las del material macroscópico y, además, dependen del tamaño. Podemos utilizar los cambios de las propiedades ópticas (color) en los nanopuntos de oro y plata para ampli�car los efectos de la hibridizacion en muestras de ���. Si por ejemplo queremos saber si una muestra contiene ántrax, se unen algunos fragmentos de su ��� a nanopuntos de oro o plata de aproximadamente 13 nm de ancho, los cuales se suspenden en un líquido. Cuando se introduce una cadena del ��� del material que se analiza, solamente si es ántrax, las partículas de oro se unen a ellas y comienzan a formar cúmulos de nanopuntos. Como resultado se tiene una nanopartícula más grande, la cual tiene un color diferente. Con este método es fácil reconocer si hubo hibridización y, en consecuencia, identi�car la muestra. D������������� ��� ADN �������� �� ��� �� ��������� La forma tradicional como se decodi�ca el ��� es mediante marcadores químicos �uorescentes que se unen a cada una de las cuatro bases que forman la secuencia genética del ���. Con cámaras so�sticadas y sofware especializado se leen estos marcadores para identi�car los genes. Es un método que requiere no solamente equipo de laboratorio costoso, sino también reactivos y muchas horas de tiempo de laboratorio. Por ejemplo, el proyecto del genoma humano, el cual completó la decodificación del mapa genético humano en 2003, costó aproximadamente 300 millones de dólares. 132
El ADN de prueba
Sin el ADN de prueba
Con el ADN de prueba
F����� ����.4. Biosensor utilizando nanopartículas de oro o plata.
En los últimos años se está explorando el uso de poros nanoscópicos como herramientas para la decodi�cación del ���. Dichos nanoporos generan una respuesta característica a cada una de las cuatro bases cuando un trozo de ��� se mueve a través del poro. Una corriente eléctrica, enviada a través del nanoporo, responde de manera diferente a cada una de las cuatro letras que forman el código genético, lo que permite a los cientí�cos leer en forma precisa cada una. N�������� ���� ����� �������� Los nervios dañados no se regeneran muy fácilmente y, cuando comienzan a hacerlo, el proceso es inhibido por la formación de cicatrices. Se ha propuesto usar la nanotecnología para solucionar estos problemas. Investigadores de la Universidad de Northwestern, en Estados Unidos, están empleando unas 133
pépt ptid idos os an ani iíli ílico cos, s, las cuales pequeñas moléculas llamadas pé tienen dos partes: una cabeza formada por un péptido y una cola formada por un hidrocarburo. A las cabezas se les pegan aminoácidos que favorecen el crecimiento de las neuronas y previenen la formación de cicatrices. Estas moléculas están diseñadas diseñadas para permanecer suspendidas en unas cuantas cuantas gotas de líquido hasta que entran en contacto con las células vi viente vi entes. s. Se autoauto-ens ensambl amblan an en fi fibra brass con di diáme ámetro tross de tamaño nanométrico que, combinadas con el líquido en el que están suspendidas, forman un gel terapéutico. Algunos experimentos con ratones que tenían la médula dorsal dañada, los cuales se movían utilizando solamente sus patas delanteras, mostraron mostraron que dos meses después de que recibían una inyección del gel, podían moverse de nuevo con sus cuatro patas. Existe la posibilidad de que otros tratamientos similares se puedan usar en los seres humanos. En experimentos parecidos, en lugar de aminoácidos se están empleando células madre con resultados igualmente prometedores.
Q������� ������ �������� Una forma de destruir un tumor es quemándolo. Esto es difícil de hacer sin dañar el tejido sano de los alrededores, especialmente si el tumor está muy adentro del cuerpo. Investigadores de la Universidad de Rice, en Estados Unidos, realizan estudios con nanoesferas térmicas, las cuales son esferas de sílice (plástico) recubiertas con oro. El oro se utiliza por varias razones: es un metal inerte, puede absorber la luz, además de que es biocompatible con el cuerpo humano. Se usan unas esferas de aproximadamente 130 nm de diámetro, debido a que con este tamaño absorben radiación en el infrarrojo cercano. Una radiación ra diación de esta frecuencia puede penetrar dentro del cuerpo sin dañarlo. Estas 134
F����� ����.5. Estudio sobre el eecto de nanoeseras para quemar tumores de cáncer. cáncer. (Fotograía: echnology in Cancer Research Res earch and reatmen reatment, t, vol. 3, 2004, 2004 , p. 33.)
nanoesferas son recubiertas recubiertas con anticuerpos, los cuales se pueden producir en grandes cantidades en el laboratorio labo ratorio y son usados por el cuerpo humano para detectar la presencia de sustancias foráneas. Cuando las nanoesferas con anticuerpos se introdujeron en el �ujo sanguíneo de los ratones con cáncer, viajaron por el sistema circulatorio y se concentraron en los tumores de los ratones. Al exponer los animales a la luz infrarroja, las nanoesnano esferas fe ras absorbieron energía y se calentaron, quemando los tumores y dejando intacto el tejido de alrededor. En estos experi ex perimenmentos, los ratones vivieron por el tiempo total del experimento (60 días). En la �gura ����.5 se muestra el efecto del procedimiento en células cancerígenas in vitro (no en el cuerpo sino en el laboratorio). En la izquierda se muestran las células sin las nanoesferas después de iluminarlas. En el centro se muestran las células con las nanoesferas sin iluminarlas, y en la derecha se muestran las células con las nanoesferas después de iluminarlas con radiación infrarroja. Nótese que solamente en el último caso fueron destruidas las células cancerígenas. cancerígenas. 135
I�������� ����������� Ya sabemos que gracias a la nanotecnología se están fabricando nuevos materiales con propiedades especiales que permiten emplearlos en una gran variedad de aplicaciones comerciales. Se espera espera que el empleo de la nanotecnología en materiales biológicos resulte en avances igual de sorprendentes. A diferencia de las aplicaciones en objetos, como naves espaciales o pelotas de tenis, los materiales utilizados en el cuerpo humano deben adaptarse continuamente a los cambios dinámicos que ocurren dentro de él. Por ejemplo, los huesos no son materiales estáticos: a cada momento se están repa re parando rando y reconstruyendo. Su material básico es la hidroxiapatita que se secreta por las células que forman los huesos (los osteoos teoblastos). El cuerpo humano constantemente está reabsorreab sorbiendo esta sustancia y redepositando nuevo material en su lugar. De esta manera se ajusta el grosor de los huesos en respuesta a los cambios de la distribución del peso dentro del cuerpo. Para minimizar la interferencia con el crecimiento normal y el funcionamiento de las celdas que lo rodea, los implantes generalmente son fabricados con un material inerte que no reaccione con el cuerpo. Sin embargo, muchas veces este objeti vo no n o se s e cumple. En los implantes tradi tradicionales cionales para remplazar la rodilla, las células óseas desaparecen alrededor de la interfase entre el implante y el hueso. Los materiales bioactivos tienen la habilidad de interactuar con el tejido vivo y son los más promisorios para formar una interfase muy fuerte y duradera entre un implante y el tejido vivo que lo rodea. Algunos de ellos han logrado simular tan bien el tejido óseo que el cuerpo no considera al implante como una sustancia externa. Se han desarrollado cementos arti�ciales nanoestructurados que reaccionan con los �uidos del cuerpo para formar apatita, la cerámica natural producida por el cuerpo humano. 136
COMENARIOS FINALES
Como hemos tratado de mostrar en este libro, la nanociencia y la nanotecnología están cada vez más presentes en nuestra vida diaria. Lo que hasta hace poco tiempo se consideraba ciencia �cción hoy es realidad. Productos y procesos que utilizan la nanociencia y la nanotecnología los podemos encontrar en los más diversos mercados: en artículos deportivos, en la construcción, en la elaboración de cosméticos y textiles, y particularmente en el campo de la medicina. Y esto es solamente el comienzo: muchos cientí�cos consideran que la importancia de la nanotecnología en el siglo ��� será similar a la Revolución industrial que se vivió en el siglo ���, o al desarrollo de la industria electrónica en la segunda mitad del siglo ��. Para que esta visión se cumpla, es necesario vincular estrechamente la nanotecnología con la sociedad, no sólo por sus aplicaciones sino también por su potencial para resolver los problemas más urgentes de la humanidad, como la obtención de recursos energéticos, el agua, las medicinas y los alimentos. La investigación en nanociencia y nanotecnología es multidisciplinaria. En ella participan cientí�cos de diversas áreas como la física, la química y la biología; las ciencias sociales co mo la economía, la ética y la �losofía, y las aplicadas, como la ingeniería, la odontología y la medicina. En este libro no hemos tocado temas relacionados con las ciencias sociales, los cuales son tratados ampliamente en otra clase de libros. 137
A nivel mundial los países pioneros en nanotecnología son los Estados Unidos, Japón y la Unión Europea. En los países en vías de desarrollo, China y la India llevan la delantera. Sin embargo, México tiene grupos muy importantes que realizan estudios en nanociencia y nanotecnología en sus principales uni versidades y centros de investigación, como la Universidad Nacional Autónoma de México, el Instituto Politécnico Nacional, el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, el Instituto Potosino de Investigación Cientí�ca y ecnológica, la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, la Universidad Autónoma de Nuevo León, el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y la Universidad de Sonora, por mencionar solamente algunos. La investigación en nanociencia y nanotecnologia debe recibir apoyo del gobierno y de la iniciativa privada. Los cientí�cos están llevando a cabo estudios de excelente calidad, los cuales requieren un apoyo �nanciero que garantice el futuro de estos proyectos. ambién es necesario que la mayoría de la población conozca la importancia y el potencial que este nue vo campo de la ciencia tiene para crear un mejor mundo mo viendo átomo por átomo. ��������������� Agradezco a la �����-����, al Fondo Mixto Conacyt-Baja California y al Conacyt por su apoyo económico a través de los proyectos ������ ��100709 y Fondo Mixto de �� 117258 y 48549, respectivamente. ambién agradezco a Yuri akeuchi, Leonardo Morales de la Garza, Gregorio Hernández Cocoletzi y Marisol Romo Favela por sus comentarios y sus correcciones.
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