La visión y el estudio del universo no están solamente limitados al entorno cotidiano o a los astros y colosales objetos observados, sino también a los componentes fundamentales de la materia que el ojo humano no puede percibir, un conjunto enorme de partículas, estructuras y propiedades regidas por parámetros en muchas ocasiones anti-intuitivos. A esto lo llamamos nanociencia, y su entendimiento puede expandir horizontes en cuanto al desarrollo de conceptos en la ciencia, que derivan en nuevas tecnologías que revolucionan campos que van desde la medicina hasta el medio ambiente.
El estudio del mundo a nivel micro, nano o psicométrico se vuelve entonces muy específico, por lo que existe un gran número de ramas de investigación científica que a su vez dan lugar a grupos de investigación, proyectos de desarrollo y, en general, nuevas iniciativas que surgen día tras día. El mundo nanométrico es de especial interés actualmente, ya que de este se desprenden numerosas aplicaciones que se pueden profundizar en el Doctorado en Ingeniería de la EIA, algunas de las cuales serán mencionadas más adelante.
¿Qué es la nanociencia y nanotecnología?
En ciencias e ingeniería, la escala nanométrica se refiere a distancias que rondan los nanómetros, es decir, la millonésima parte de un milímetro. A estos órdenes de magnitud se encuentran los átomos y las moléculas, por lo que la nanociencia, que se encarga de estudiarlos, se basa en física avanzada, así como en matemáticas, química y estadística para poder describir los fenómenos que aquí ocurren.
Una vez entendido al menos en un nivel básico el comportamiento de sistemas a esta escala (especialmente propiedades, tipos de fenómenos e interacciones entre átomos y moléculas), se da paso al desarrollo de aplicaciones.
En este punto yace la nanotecnología, que hace referencia a modelamiento, mediciones, diseños, caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos o sistemas artificiales creados mediante la manipulación controlada de tamaños y formas a nivel nanométrico. En ella, tanto científicos (principalmente físicos y químicos) como ingenieros de muchos tipos, haciendo uso de los conceptos previamente establecidos, inician un interesante y arduo camino de desarrollo de aplicaciones.
¿Qué pasa a nivel nanométrico?
Átomos y moléculas están en constante interacción, así que se vuelve necesario manipularlos con el fin de construir materiales útiles en tecnología, ciencia médica o ingeniería, por lo tanto, se deben tener en cuenta los fenómenos presentes en estos sistemas. Algunos ejemplos interesantes son las interacciones de Van der Waals, que son las que mantienen unidas las moléculas debido a las fuerzas del mismo nombre o la propagación de campos electromagnéticos a través de los dos tipos de ordenamientos moleculares y/o atómicos más importantes para la nanotecnología: los polímeros y los cristales.
Modelar la gran mayoría requiere de estado sólido, mecánica estadística y química, dependiendo de hacia dónde se quiera orientar la mirada.
Las propiedades de estos materiales son muchas y, en la mayoría de los casos, pueden representar el desarrollo de aplicaciones en muchos campos, pero estas pueden ser diferentes dependiendo de:
- El área superficial, ya que a menudo un material posee mayor superficie a nanoescala que uno mucho más grande y, en algunos casos, materiales inertes a escala milimétrica son más químicamente reactivos cuando se producen en forma de nanoestructura.
- Los efectos cuánticos juegan un papel relevante a escala nanométrica, ya que las propiedades ópticas eléctricas y magnéticas del material pueden cambiar debido a efectos de espín electrónico, energías de ligadura y otros efectos de contorno descritos por la mecánica cuántica que no juegan un papel relevante en dimensiones micro y macro métricas [8].
Gran parte del interés por la nanotecnología proviene de estos fenómenos únicos que exhibe la materia a escala nanométrica, ya que mejoran procesos industriales, materiales y las aplicaciones en muchos campos, además de permitir la creación de otros completamente nuevos. El trabajo en esta apasionante rama de la ciencia y la ingeniería comienza con estudios de doctorado.
La EIA cuenta con un programa de Doctorado en Ingeniería muy completo que es la puerta a un universo académico y laboral en temas de vanguardia que se enfocan en el desarrollo de tecnologías de punta.
Aplicaciones de nanociencia y nanotecnología
Las posibilidades en el estudio de nanoestructuras y fenómenos a escala nanométrica y, por tanto, sus aplicaciones son casi infinitas. Por esta razón, aquí solo se mencionarán algunos avances, aplicaciones y tendencias de actualidad en nanociencia y nanotecnología que podrían motivar fácilmente a personas en busca de un norte profesional.
Tecnología y dispositivos
- Memoria RRAM: Computación inspirada en el cerebro
La memoria RRAM (acceso aleatorio de conmutación resistiva) ha surgido para aplicaciones de memoria no volátil con características estructurales simples, con bajo costo, alta densidad, alta velocidad, baja potencia y compatibilidad con CMOS. En los últimos años, la tecnología RRAM ha logrado un progreso significativo en los paradigmas informáticos inspirados en el cerebro al explotar sus características físicas únicas, que intentan eliminar la transferencia de datos que consume mucho tiempo y energía entre la unidad de procesamiento y la unidad de memoria [6].
El diseño de paradigmas informáticos basados en RRAM, sin embargo, requiere una descripción detallada de los efectos físicos dominantes correlacionados con los procesos de conmutación resistiva para realizar la interacción y optimización entre dispositivos y algoritmos o arquitecturas. - Celdas solares orgánicas
Los dispositivos fotovoltaicos (PV) basados en heterouniones orgánicas han logrado valores notables de eficiencia de conversión de energía (PCE). Sin embargo, la fotodegradación es a menudo una causa de caídas en el rendimiento del dispositivo.
El uso de capas luminiscentes de cambio descendente (LDS) que absorben ultravioleta (UV) se plantea como una estrategia de mitigación que filtra simultáneamente la radiación UV que llega al dispositivo y la reemite con menor energía en el espectro visible, igualando la respuesta máxima de las celdas fotovoltaicas y permitiendo así el aumento de la fotocorriente generada [7].
Medicina
- Detección de patógenos virales mediante grafeno, nanotubos de carbono y nanosensores plasmónicos: desarrollo de pruebas rápidas en pandemias como el COVID-19
Los nanomateriales de carbono son una opción atractiva para diseñar biosensores debido a su escalabilidad, funcionalidad sintonizable, fotoestabilidad y propiedades optoelectrónicas únicas. Usando este tipo de materiales, la detección de patógenos puede ser de tipo óptica o electroquímica [4]. - Tratamiento de enfermedades tropicales desatendidas
El principal problema en el tratamiento de estas enfermedades es la administración de medicamentos, ya que los usuales (vía oral o intravenosa) no son absorbidos de manera eficiente por el cuerpo. Aquí, los fármacos basados en nanomateriales ofrecen una terapia mejorada, debido a que permite dirigir a ubicaciones específicas del cuerpo los medicamentos en lugar de la absorción regular que en muchas ocasiones disipa el medicamento antes de que llegue al sitio afectado [5].
Medioambiente
- Separación de agua y aceite mediante malla de cobre nanoestructurada
Es de gran importancia práctica para hacer frente a las crecientes descargas de aguas residuales industriales oleosas o los derrames de petróleo marino, evitando la contaminación del agua. Los materiales super humedecibles inteligentes utilizados para la separación de aceite y agua han despertado un enorme interés debido a sus ventajas de eficiencia energética y aplicabilidad en una amplia gama de procesos industriales [3]. - Manejo de aguas residuales en la industria textil por degradación fotocatalítica derivada de nanoestructuras
Para nadie es un secreto que la producción a gran escala de productos textiles (entre otros muchos que involucran plásticos y agentes químicos) tiene en alto riesgo las fuentes hídricas tanto superficiales como subterráneas del planeta. La fotocatálisis de semiconductores impulsada por luz visible contribuye a descomponer productos y subproductos químicos contaminantes. Consiste en el crecimiento hidrotérmico de nanoestructuras de disulfuro de estaño que fotodegrada contaminantes orgánicos como la rodamina y el violeta de metilo [2].
Retos en la fabricación de nanomateriales
Hay una serie de grandes desafíos en cuanto a las técnicas de nanofabricación. Uno de estos es desarrollar alternativas sostenibles y ecológicas a las tecnologías que aún no cumplen con este criterio. A escala de laboratorio, es importante el desarrollo de la interfaz entre el mundo macroscópico y los nanodispositivos.
La nanofabricación a escala industrial usualmente requiere la capacidad de crear patrones de nanoestructuras en grandes áreas y existen pocos métodos para lograr este objetivo. Algunas de las opciones actuales para crear estos nanopatrones son la litografía de nanoimpresión y/o procesamiento de rollo a rollo además de la fotolitografía. La industria de los semiconductores continúa empujando los límites de la tecnología fotolitográfica para lograr una resolución cada vez más fina [8].
Estudiar nanotecnología
El desarrollo de nanotecnología seguirá en auge durante varias décadas más, ya que aún no se ha explotado el verdadero potencial de sus conceptos, además de que día a día surgen nuevos retos, nuevas ideas y aplicaciones para mejorar la vida del ser humano. Involucrarse a fondo en alguna de sus interesantes ramas no sólo deja huella en la humanidad, sino que también permite a las personas construir un proyecto de vida alrededor de la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías. En la EIA los profesionales de áreas como ingeniería, ciencias o incluso educación, pueden encontrar una opción de vida ingresando al Doctorado en Ingeniería, en el que se profundiza tanto en nanotecnología y nanociencia como en temas de innovación y tecnología.
Referencias bibliográficas:
- [ 1 ] https://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_1.php
- [ 2 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.711368/full
- [ 3 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.757487/full
- [ 4 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.733126/full
- [ 5 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.665274/full
- [ 6 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.654418/full
- [ 7 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.635929/full
- [ 8 ] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnano.2021.700849/full
