14 Usos desconocidos de la nanotecnología | Beneficios y aplicaciones

El término "nanotecnología" fue acuñado por primera vez por el profesor Norio Taniguchi en 1974. Estaba describiendo procesos de semiconductores que exhiben un control característico del orden de un nanómetro.

¿Qué tan pequeño es un nanómetro? El cabello humano tiene aproximadamente 50 micrómetros de ancho. Un nanómetro es la 50.000 parte del ancho de un cabello.

La nanotecnología moderna comenzó en 1981 cuando los científicos desarrollaron el microscopio de túnel de barrido para "ver" átomos individuales.

¿Qué es exactamente la nanotecnología?

La nanotecnología es ciencia, tecnología e ingeniería realizada a nanoescala, entre 1 y 100 nanómetros. Puede ser un tema complicado con nuevos descubrimientos cada día.

La nanotecnología puede proporcionar información sin precedentes sobre materiales y equipos y es probable que afecte a varios campos, incluida la física de dispositivos, la ciencia de los materiales, la química supramolecular, la ciencia coloidal y la ingeniería eléctrica y mecánica.

El tema se puede explicar mejor proporcionando explicaciones claras y concisas de las aplicaciones de la nanotecnología. Hemos enumerado algunos usos menos populares de la nanotecnología y sus ventajas, mostrando cómo afectan realmente nuestra vida diaria.

14. Nanotecnología en la industria alimentaria

Papel de la nanotecnología en diferentes aspectos de los sectores alimentarios | Crédito:Fronteras

Durante las últimas dos décadas, han surgido aplicaciones de la nanotecnología con la creciente necesidad de uso de nanopartículas en diferentes campos de la microbiología alimentaria y la ciencia de los alimentos, incluido el procesamiento de alimentos, el envasado, la seguridad, la identificación de patógenos transmitidos por los alimentos y la extensión de la vida útil de los productos alimenticios. .

Las partículas de nanoingeniería utilizadas en la industria alimentaria, por ejemplo, minimizan la fuga de dióxido de carbono en las bebidas carbonatadas, reducen la grasa y mejoran el valor nutricional. También mantienen la salida de humedad y controlan el crecimiento de bacterias para mantener los alimentos frescos.

Las técnicas de envasado inteligente combinadas con sensores a nanoescala permiten la detección de alimentos contaminados y la presencia de bacterias y pesticidas.

Hoy en día, los ingredientes a nanoescala se utilizan para mejorar el sabor, la textura y el color de los alimentos. Las nanopartículas de dióxido de titanio, dióxido de silicio y sílice amorfa se utilizan como aditivos alimentarios.

En la industria alimentaria, se espera que las aplicaciones comerciales de nanopartículas crezcan a un ritmo significativo debido a sus propiedades novedosas y únicas. Por lo tanto, la exposición humana a las nanopartículas seguirá aumentando y su impacto en la salud asociado seguirá siendo una de las principales preocupaciones del público.

13. Comunicación molecular

Las nanomáquinas son dispositivos completamente funcionales que pueden realizar numerosas tareas como actuación, detección, almacenamiento de datos e informática. Para ser más efectivas y eficientes, estas máquinas deben estar interconectadas en forma de red.

La comunicación molecular es el paradigma en las redes de nanocomunicación, que utiliza moléculas para la comunicación entre nanomáquinas. Estos sistemas utilizan la ausencia o presencia de un tipo particular de molécula para codificar datos digitalmente.

Funciona mediante la entrega de moléculas a un medio (como agua o aire) para su transmisión. Las señales de comunicación requieren poca energía y pueden hacerse biocompatibles. Además, esta técnica no se basa en antenas de tamaño específico.

Dado que la comunicación molecular se inspira en la comunicación entre materiales biológicos, ofrece una amplia gama de aplicaciones biomédicas y ambientales.

La nanocomunicación dentro del cuerpo humano, por ejemplo, puede tener varias aplicaciones de salud, como ingeniería de tejidos, sistema inmunológico mejorado, interfaz cerebro-máquina y administración de fármacos dirigida.

Actualmente, los científicos están trabajando en modelos para la comunicación de un extremo a otro entre máquinas bio-nano.

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12. Células nerviosas en crecimiento

Crédito de la imagen:Sebastian Kaulitzki / Shutterstock

La capacidad de regenerar las células nerviosas del cuerpo podría disminuir significativamente los efectos del trauma y la enfermedad. Los científicos están trabajando en nanotecnología para mejorar la regeneración de las células nerviosas.

Han demostrado cómo las nanopartículas magnéticas se pueden utilizar para generar tensión mecánica para estimular el alargamiento de los axones (o fibras nerviosas). También han descrito cómo las nanofibras alineadas pueden proporcionar una matriz bioactiva donde las células nerviosas pueden regenerarse.

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Varios estudios han demostrado que los nanotubos de carbono facilitan el crecimiento completo de neuronas y la formación de nuevas sinapsis. Sin embargo, este crecimiento no es indiscriminado e ilimitado.

11. Mejores paneles solares

A medida que aumenta el interés mundial por la energía verde, los científicos han continuado estudiando formas de mejorar la eficiencia de las células solares. En los últimos años, se han integrado varios avances en nanotecnología en los paneles solares para mejorar la eficiencia y reducir sus costos de fabricación e instalación.

Las nanopartículas de silicio, en particular, han demostrado su utilidad:tienen baja densidad aparente, estado de superficie activa y características fotoluminiscentes únicas. Por lo tanto, estas nanopartículas también se utilizan en semiconductores integrados, dispositivos de visualización luminiscentes, celdas de energía solar y baterías de iones de litio.

Los avances recientes en las células solares basadas en grafeno han dado como resultado un 20% menos de reflectancia y al menos un 40% más de conversión de energía en comparación con las células solares tradicionales.

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10. NanoArt

Una nanoescultura creada por Jonty Hurwitz

Los científicos se están convirtiendo en artistas gracias a "NanoArt". Es una obra de arte realizada a escala molecular y atómica. Representa nanoestructuras naturales o sintéticas que se observan con microscopios electrónicos en laboratorios.

Para crear un nanoarte, los científicos primero analizan las texturas de moléculas y átomos, capturan imágenes microscópicas de ellos y ajustan la imagen resultante para producir una obra de arte única. Uno de los objetivos de estas artes es familiarizar a las personas con pequeños objetos útiles y avances en su síntesis.

En 2015, Jonty Hurwitz desarrolló un nuevo método para generar nanoesculturas utilizando fotogrametría y litografía multifotónica. Hurwitz es un artista creativo que ahora es reconocido por tener la forma humana más pequeña jamás construida con nanotecnología.

9. Diagnóstico y tratamiento médico

Los métodos de diagnóstico basados ​​en nanotecnología pueden proporcionar dos beneficios importantes:

• Pruebas rápidas, que pueden permitir a los médicos realizar pruebas de diagnóstico y comenzar el tratamiento en un día.
• Detección de enfermedades graves en etapas tempranas, lo que puede ayudar a los médicos a detener la (s) enfermedad (es) antes, con menos daño para el paciente.

Por ejemplo, los científicos están desarrollando nanopartículas llamadas NanoFlares para detectar células cancerosas en el torrente sanguíneo. Estas nanopartículas están diseñadas para unirse con objetivos genéticos en las células cancerosas y producir una señal fluorescente cuando se encuentra ese objetivo en particular.

Otro buen ejemplo son los sensores de nanoporos que pueden identificar partículas de virus individuales. Los sensores de nanoporos combinados con técnicas de inteligencia artificial pueden proporcionar una detección rápida de virus en el punto de uso.

La tecnología también se puede utilizar para combatir infecciones:los investigadores han desarrollado un prototipo de apósito para catéteres que incorpora nanopartículas de hexametafosfato de clorhexidina. Puede inhibir el crecimiento de bacterias y disminuir la colonización de heridas. En un futuro cercano, estos tipos de moléculas podrían usarse en materiales para el cuidado de heridas para controlar infecciones.

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8. Mejora de la disponibilidad de combustible

La nanotecnología puede abordar la escasez de combustibles fósiles (gasolina y diésel) de diferentes formas:

• Puede aumentar el kilometraje de los motores.
• Puede producir combustibles de manera eficiente y económica a partir de materias primas convencionales.

Los nanomateriales son candidatos excepcionales para numerosos sistemas de biocombustible debido a sus propiedades únicas, como la actividad catalítica, la durabilidad, la estabilidad, el alto grado de cristalinidad y el almacenamiento eficiente, que podrían ayudar colectivamente a optimizar el sistema en general.

Se ha demostrado que la nanotecnología combinada con gasificación, pirólisis, digestión anaeróbica, transesterificación e hidrogenación es económica y eficiente, pero todavía se limita principalmente a laboratorios y a pequeña escala. Pronto (probablemente en las próximas tres décadas) reemplazarán los sistemas tradicionales a escalas comerciales.

Se han creado varios nanocatalizadores de óxidos metálicos, que incluyen óxido de calcio, titanio, óxido de estroncio y óxido de magnesio, con un alto rendimiento catalítico para producir biodiésel. Los nanocatalizadores a base de carbono también tienen un gran potencial para la producción de biodiésel a partir de diversas materias primas.

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7. Pantallas y dispositivos optoelectrónicos

Quantum Dots con emisión gradual de violeta a rojo oscuro | Wikimedia Commons

Los nanocables de silicio y los nanotubos de carbono permiten desarrollar pantallas de bajo consumo energético. Dado que estas nanoestructuras son altamente conductoras, se pueden utilizar en pantallas de emisión de campo con una eficiencia sin precedentes.

En los OLED, los nanomateriales y las técnicas de nanofabricación se utilizan para fabricar electrodos transparentes y empacar OLED para protegerlos de daños externos (como el agua).

Los científicos han desarrollado con éxito unos pocos nanómetros de grafeno como conducto transparente, lo que allanó el camino para OLED flexibles y económicos.

Los transistores emisores de luz orgánicos (una alternativa a los OLED) podrían abrir nuevas puertas en la optoelectrónica orgánica y servir como bancos de pruebas para abordar problemas fotónicos fundamentales como la extinción de excitones y la pérdida de fotones.

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Los puntos cuánticos, diminutas partículas semiconductoras de unos pocos nanómetros de tamaño, son tanto electroactivas (electroluminiscentes) como fotoactivas (fotoluminiscentes). Sus propiedades físicas únicas lo convierten en un material prometedor para pantallas de próxima generación.

En comparación con los OLED y los materiales luminiscentes orgánicos, los materiales basados ​​en puntos cuánticos tienen una vida útil más larga, colores más puros y menores costos de fabricación y consumo de energía.

6. Computación y almacenamiento de memoria

Progresión del proceso de fabricación de nanómetros-semiconductores

Con la nanoelectrónica, los procesadores de computadora se pueden hacer más poderosos de lo que es posible con los métodos tradicionales de fabricación de semiconductores. Actualmente, los científicos están estudiando una serie de técnicas, incluidos nuevos tipos de nanolitografía, y formas de utilizar nanomateriales, como moléculas pequeñas y nanocables en lugar de componentes CMOS convencionales.

Han podido desarrollar transistores de efecto de campo utilizando nanocables semiconductores heteroestructurados y nanotubos de carbono semiconductores.

Los gigantes tecnológicos comenzaron la producción de memoria nanoelectrónica a principios de la década de 2010. En 2013, Samsung produjo una memoria flash NAND de celda multinivel de 10 nanómetros. En 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company produjo memoria SRAM utilizando un proceso de 7 nanómetros.

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5. Nanociencia cuántica

La nanociencia cuántica se refiere a la rama de la ciencia física y la nanotecnología que utiliza la mecánica cuántica para explorar efectos cuánticos coherentes en nanoestructuras diseñadas.

En los últimos años, lo cuántico ha adquirido un nuevo significado debido a la creciente investigación hacia la realización de computadoras cuánticas. Hoy en día, los fenómenos de la mecánica cuántica, como la coherencia cuántica, la superposición y el entrelazamiento, se diseñan a nanoescalas.

Las aplicaciones en esta área incluyen computación cuántica, simulador cuántico, comunicación cuántica y detección cuántica.

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4. Smartphones y vehículos eléctricos de carga rápida

Recientemente, se han centrado importantes esfuerzos en el desarrollo de materiales de electrodos nanoestructurados, que podrían mejorar los sistemas de almacenamiento de energía de última generación, como las baterías de iones de litio.

Algunos investigadores han desarrollado dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales que pueden usarse como supercondensadores. El material es pequeño y permite una transferencia de electrones más rápida, lo que permite una carga y descarga más rápidas. Está hecho de alambres de nanómetros de espesor con revestimiento de conchas de material 2D.

Hay muchos ejemplos como ese. Una empresa con sede en Israel llamada StoreDot fabrica nanomateriales que (combinados con compuestos orgánicos patentados) tienen el potencial de convertirse en el último estándar de carga rápida en varias industrias, incluidos teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y electrodomésticos.

Su combinación única de densidad de energía y carga rápida ha abierto nuevas puertas para la batería flash de próxima generación. Según la compañía, las baterías de sus teléfonos inteligentes y las baterías flash de los vehículos eléctricos (construidas con compuestos orgánicos no inflamables) se pueden cargar en 60 segundos y 5 minutos (proporcionando un alcance de 300 millas), respectivamente.

3. Superficies nanocapadas y nanoestructuradas

Nanorevestimiento hidrofóbico

El recubrimiento con espesores controlados a escala atómica o nanométrica se ha vuelto común en estos días. Las aplicaciones recientes incluyen recubrimientos de óxido de nanopartículas que destruyen catalíticamente los agentes químicos y ventanas autolimpiables (recubiertas con dióxido de titanio activado) diseñadas para ser antibacterianas y repelentes al agua.

Las capas intermedias a nanoescala proporcionan una unión superior y una combinación gradual de propiedades térmicas y elásticas, mejorando así la adhesión. Estos tipos de capas también mejoran los recubrimientos duros resistentes al desgaste y a los arañazos.

Además, el control mejorado de la porosidad a nanoescala ha hecho que los textiles sean mucho mejores:ha permitido tejidos impermeables, transpirables y resistentes a las manchas.

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2. Exploración espacial

Crédito:NASA

La nanotecnología puede hacer que los vuelos espaciales sean más prácticos. Los avances recientes en nanomateriales han ayudado a los ingenieros a fabricar naves espaciales ligeras y a reducir la cantidad de combustible necesaria para enviar cohetes al espacio.

El nuevo material combinado con nanorobots y nanosensores puede mejorar aún más el rendimiento de la sonda espacial y los trajes espaciales. Los científicos están empleando materiales a base de nanotubos de carbono para disminuir el peso de la nave espacial sin perder su resistencia estructural.

Estos nanotubos de carbono pueden habilitar células solares ligeras que utilizan la presión de la luz solar (luz que se refleja en las células solares) para propulsar la sonda espacial. Esto ahorra más combustible durante las misiones interplanetarias. Además, los nanosensores a bordo pueden monitorear los niveles de trazas de químicos en la estación espacial para analizar el desempeño de los sistemas de soporte vital.

1. Mejor calidad del aire y del agua

La nanotecnología se está utilizando de dos formas principales para reducir la contaminación del aire.

1. Catalizadores:actualmente en uso y que se mejoran con regularidad.
2. Membranas nanoestructuradas, actualmente en desarrollo.

Los catalizadores hechos de nanopartículas se utilizan para convertir eficazmente los vapores que escapan de plantas industriales y vehículos en gases inofensivos.

Las membranas nanoestructuradas, por otro lado, se pueden utilizar para separar el CO2 de las corrientes de escape de las plantas industriales. El objetivo es desarrollar una tecnología que se pueda implementar en todo tipo de centrales eléctricas sin necesidad de costosas modificaciones.

Del mismo modo, la nanotecnología también se está utilizando para abordar tres problemas importantes en la calidad del agua.

1. Eliminar la contaminación del agua industrial del agua subterránea.
2. Retire la sal o los metales del agua.
3. Mejore los filtros estándar para eliminar eficazmente las células de virus.

En el primer caso, las nanopartículas transforman los productos químicos contaminantes en una solución inofensiva. Es un proceso económico que se puede utilizar para llegar a los contaminantes dispersos en estanques subterráneos.

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Para el segundo problema, las técnicas de desionización basadas en electrodos de nanofibras son prometedoras para disminuir los requisitos de energía y el costo de transformar el agua salada en agua potable. En el tercer caso, se utilizan filtros de solo unos pocos nanómetros de ancho para eliminar las células del virus del agua.