14 aplicaciones innovadoras de nanotecnología: de medicina a materiales

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

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

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

¿Qué es exactamente la nanotecnología?

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

La nanotecnología puede proporcionar insights sin precedentes en materiales y equipos y es probable que impacte varios campos, incluyendo física de dispositivos, ciencia de materiales, química supramolecular, ciencia coloidal e ingeniería eléctrica y mecánica.

El tema se puede explicar mejor proporcionando explicaciones claras y concisas de aplicaciones de nanotecnología. Hemos listado algunos usos menos populares de la nanotecnología y sus ventajas, mostrando cómo realmente impactan nuestras vidas diarias.

14. Nanotecnología en la industria alimentaria

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

En las últimas dos décadas, aplicaciones de nanotecnología han surgido con la creciente necesidad de usos de nanopartículas en diferentes campos de microbiología de alimentos y ciencia de alimentos, incluyendo procesamiento de alimentos, envasado, seguridad, identificación de patógenos transmitidos por alimentos, y extensión de vida útil de productos alimenticios.

Partículas nano-diseñadas usadas en la industria alimentaria, por ejemplo, minimizan la fuga de dióxido de carbono en bebidas carbonatadas, reducen grasa y mejoran valor nutricional. También mantienen el flujo de humedad y controlan el crecimiento de bacterias para mantener alimentos frescos.

Técnicas de envasado inteligente combinadas con nanosensores permiten la detección de alimentos contaminados y la presencia de bacterias y pesticidas.

Hoy, ingredientes a nanoescala se usan para mejorar sabor, textura y color de alimentos. Las nanopartículas de dióxido de titanio, dióxido de silicio y sílice amorfa se usan como aditivos alimentarios.

En la industria alimentaria, se espera que aplicaciones comerciales de nanopartículas crezcan a una tasa significativa debido a sus propiedades novedosas y únicas. Así, la exposición humana a nanopartículas continuará aumentando, y su impacto de salud asociado seguirá siendo una preocupación pública principal.

13. Comunicación molecular

Los nanomáquinas son dispositivos totalmente funcionales que pueden realizar numerosas tareas como actuación, detección, almacenamiento de datos y computación. Para ser más efectivas y eficientes, estas máquinas deberían interconectarse en forma de red.

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

Funciona entregando moléculas en un medio (como agua o aire) para transmisión. Las señales de comunicación requieren poca energía y pueden hacerse biocompatibles. También, esta técnica no depende de antenas de tamaño específico.

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

Nanocomunicación dentro del cuerpo humano, por ejemplo, puede tener varias aplicaciones de salud, como ingeniería de tejidos, sistema inmune mejorado, Interfaz Cerebro-Máquina, y administración dirigida de fármacos.

Los científicos están trabajando actualmente en modelos para comunicación extremo a extremo entre máquinas bio-nano.

12. Cultivo de células nerviosas

Crédito de imagen: Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

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

Han mostrado cómo nanopartículas magnéticas pueden usarse para generar tensión mecánica para estimular la elongación de axones (o fibras nerviosas). También han descrito cómo nanofibras alineadas pueden proporcionar una matriz bioactiva donde las células nerviosas pueden regenerarse.

Varios estudios han probado que 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 el interés global en energía verde continúa aumentando, los científicos han continuado estudiando formas de mejorar la eficiencia de células solares. En los últimos años, varios avances en nanotecnología se han integrado en paneles solares para mejorar eficiencia mientras disminuyen costos de fabricación e instalación.

Nanopartículas de silicio, en particular, han probado ser útiles: tienen baja densidad aparente, estado de superficie activo, y características fotoluminiscentes únicas. Por tanto, estas nanopartículas también se usan en semiconductores integrados, dispositivos de visualización luminiscente, celdas de energía solar y baterías de iones de litio.

Avances recientes en celdas solares basadas en grafeno han resultado en 20% menos reflectancia y al menos 40% más conversión de energía comparado con celdas solares tradicionales.

10. NanoArte

Una nano-escultura creada por Jonty Hurwitz

Los científicos se están volviendo artistas, gracias al "NanoArte". Es una obra de arte hecha a escala molecular y atómica. Retrata nanoestructuras naturales o sintéticas observadas por 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 pieza de arte única. Uno de los objetivos de tales artes es familiarizar a la gente con objetos diminutos útiles y avances en su síntesis.

En 2015, Jonty Hurwitz desarrolló un nuevo método para generar nanoesculturas usando fotogrametría y litografía de multifotón. Hurwitz es un artista creativo ahora reconocido por la forma humana más pequeña jamás construida usando nanotecnología.

9. Diagnóstico y tratamiento médico

Métodos de diagnóstico basados en nanotecnología pueden proporcionar dos beneficios mayores:

• Pruebas rápidas, que pueden permitir a médicos realizar pruebas diagnósticas e iniciar tratamiento dentro de un día.
• Detección de enfermedades graves en etapas tempranas, lo que puede ayudar a médicos a detener enfermedad(es) antes, con menos daño al paciente.

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

Otro buen ejemplo son sensores de nanoporo que pueden identificar partículas virales individuales. Sensores de nanoporo combinados con técnicas de inteligencia artificial pueden proporcionar detección rápida, punto de uso, de virus.

La tecnología también puede usarse para combatir infecciones: investigadores han desarrollado un prototipo de apósito de catéter que incorpora nanopartículas de clorhexidina hexametafosfato. Puede inhibir el crecimiento de bacterias y disminuir colonización de heridas. En el futuro próximo, este tipo de moléculas podrían usarse en materiales de cuidado de heridas para controlar infecciones.

8. Mejorando disponibilidad de combustible

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

• Puede aumentar el rendimiento de motores.
• Puede producir combustibles eficiente y económicamente de materias primas convencionales.

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

Nanotecnología combinada con gasificación, pirólisis, digestión anaeróbica, transesterificación e hidrogenación ha probado ser económica y eficiente, pero aún mayormente limitada a laboratorios y pequeña escala. Pronto reemplazarán (probablemente en las próximas tres décadas) sistemas tradicionales a escalas comerciales.

Varios nano-catalizadores de óxido metálico, incluyendo óxido de calcio, titanio, óxido de estroncio y óxido de magnesio, han sido creados con alto rendimiento catalítico para producir biodiésel. Nano-catalizadores basados en carbono también tienen gran potencial para producción de biodiésel de diversas materias primas.

7. Pantallas y dispositivos optoelectrónicos

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

Nanocables de silicio y nanotubos de carbono hacen posible desarrollar pantallas de bajo consumo energético. Dado que estas nanoestructuras son altamente conductoras, pueden usarse en pantallas de emisión de campo con eficiencia sin precedentes.

En OLEDs, nanomateriales y técnicas de nanofabricación se usan para fabricar electrodos transparentes y empaquetar OLEDs para protegerlos de daños externos (como agua). Los científicos han desarrollado exitosamente unos pocos nanómetros de grafeno como conductor transparente, allanando el camino para OLEDs baratos y flexibles.

Transistores orgánicos emisores de luz (alternativa a OLEDs) podrían abrir nuevas puertas en optoelectrónica orgánica y servir como bancadas de prueba para abordar temas fotónicos fundamentales como quenching de excitones y pérdida de fotones.

Quantum Dots —pequeñas partículas semiconductoras de pocos nanómetros de tamaño— son tanto electro-activas (electroluminiscentes) como foto-activas (fotoluminiscentes). Sus propiedades físicas únicas lo hacen un material prometedor para pantallas de próxima generación.

Comparado con OLEDs y materiales orgánicos luminiscentes, materiales basados en quantum dots tienen mayor vida útil, colores más puros, y menor consumo de energía y costos de fabricación.

6. Computación y almacenamiento de memoria

Progresión del proceso de fabricación de semiconductores nanométricos

Con nanoelectrónica, los procesadores de computadora pueden hacerse más potentes que lo posible con métodos tradicionales de fabricación de semiconductores. Los científicos están estudiando actualmente varias técnicas —incluyendo nuevos tipos de nanolitografía— y formas de usar nanomateriales, como moléculas pequeñas y nanocables en lugar de componentes CMOS convencionales.

Han logrado desarrollar transistores de efecto de campo usando nanocables semiconductores heteroestructurados y nanotubos de carbono semiconductores.

Gigantes tecnológicos comenzaron la producción de memoria nanoelectrónica a principios de 2010. En 2013, Samsung produjo memoria flash NAND multi-nivel de 10 nanómetros. En 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company produjo memoria SRAM usando proceso de 7 nanómetros.

5. Nano-ciencia cuántica

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

En años recientes, cuántico ha tomado nuevo significado debido a la creciente investigación hacia la realización de computadoras cuánticas. Hoy, fenómenos mecánicos cuánticos —como coherencia cuántica, superposición y entrelazamiento— se diseñan a nanoescala.

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

4. Carga rápida de smartphones y vehículos eléctricos

Recientemente, esfuerzos sustantivos se han centrado en desarrollar materiales de electrodo nanoestructurados, que podrían mejorar sistemas de almacenamiento de energía de vanguardia como baterías de iones de litio.

Algunos investigadores han ideado dicalcógenidos de metales de transición bidimensionales que pueden usarse como supercondensadores. El material es pequeño y permite transferencia de electrones más rápida, permitiendo carga y descarga más rápidas. Está hecho de nanocables de espesor nanométrico con capas de material 2D.

Hay muchos ejemplos como ese. Una compañía israelí llamada StoreDot construye nanomateriales, que (combinados con compuestos orgánicos propietarios) tienen el potencial de convertirse en el estándar definitivo de carga rápida en varias industrias, incluyendo smartphones, 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, sus baterías de smartphone y baterías flash de vehículo eléctrico (construidas con compuestos orgánicos no inflamables) pueden cargarse en 60 segundos y 5 minutos (proporcionando rango de 300 millas), respectivamente.

3. Nanorecubrimiento y superficies nanoestructuradas

Nanorecubrimiento hidrofóbico

Recubrimiento con grosor controlado a escala atómica o nano se ha vuelto común hoy. Aplicaciones recientes incluyen recubrimientos de óxido nanoparticulado que destruyen catalíticamente agentes químicos, y ventanas autolimpiables (recubiertas en dióxido de titanio activado) diseñadas para ser antibacterianas y repelentes al agua.

Las capas intermedias a nanoescala proporcionan unión superior y coincidencia graduada de propiedades térmicas y elásticas, mejorando así la adhesión. Estos tipos de capas también mejoran recubrimientos duros resistentes al desgaste y rayones.

Además, control mejorado de porosidad a nanoescala ha hecho textiles mucho mejores: ha permitido telas impermeables, transpirables, resistentes a manchas.

2. Exploración espacial

Crédito: NASA

La nanotecnología puede hacer el vuelo espacial más práctico. Avances recientes en nanomateriales han ayudado a ingenieros a hacer naves espaciales ligeras y reducir la cantidad de combustible requerido para enviar cohetes al espacio.

Nuevos materiales combinados con nanorobots y nanosensores pueden mejorar aún más el rendimiento de sondas espaciales y trajes espaciales. Los científicos están empleando materiales basados en nanotubos de carbono para disminuir el peso de la nave espacial manteniendo su resistencia estructural.

Estos nanotubos de carbono pueden permitir celdas solares ligeras que usan la presión de luz solar (luz reflejada en celdas solares) para impulsar la sonda espacial. Esto ahorra más combustible durante misiones interplanetarias. Además, nanosensores a bordo pueden monitorear niveles de químicos traza en la estación espacial para analizar el rendimiento de sistemas de soporte vital.

1. Mejor calidad de aire y agua

La nanotecnología se está usando de dos formas principales para disminuir la contaminación del aire.

1. Catalizadores – actualmente en uso y regularmente mejorados.
2. Membranas nanoestructuradas – actualmente en desarrollo.

Catalizadores hechos de nanopartículas se usan para convertir efectivamente vapores que escapan de plantas industriales y vehículos en gases inofensivos.

Membranas nanoestructuradas, por otro lado, pueden usarse para separar CO2 de corrientes de escape de plantas industriales. El objetivo es desarrollar una tecnología que pueda implementarse en todos tipos de plantas de energía sin costoso retrofitting.

Similarmente, la nanotecnología también se está usando para abordar tres problemas principales en calidad de agua.

1. Eliminar contaminación industrial de agua de aguas subterráneas.
2. Eliminar sal o metales del agua.
3. Mejorar filtros estándar para eliminar efectivamente células de virus.

En el primer caso, nanopartículas transforman químicos contaminantes en una solución inofensiva. Es un proceso barato que puede usarse para alcanzar contaminantes dispersos en estanques subterráneos.

Para el segundo problema, técnicas de deionización basadas en electrodos de nanofibras muestran promesa para disminuir requerimientos de energía y costo de transformar agua salada en agua potable. En el tercer caso, filtros de solo pocos nanómetros de ancho se usan para remover células de virus del agua.