- NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGÍA
Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro
Hablar de nanociencia y nanotecnología es hablar de innovación. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnología a partir de la investigación básica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevos materiales con aplicaciones en medicina (fabricación de ligamentos o tendones artificiales) o en construcción (edificios que se puedan autoabastecer energéticamente), hasta dispositivos electrónicos cada vez más diminutos y potentes.
Es ese carácter innovador lo que ha llevado a incorporar la nanociencia y la nanotecnología como una de las Acciones Estratégicas del Plan Nacional de I+D+I 2008-2011. Las acciones estratégicas son la apuesta del Gobierno en materia de I+D+I y responden a un concepto integral en el que se ponen en valor las investigaciones realizadas, así como su transformación en procesos, productos y servicios para la sociedad. Dicho de otra manera, el gobierno reconoce el papel de estas disciplinas para mejorar la competitividad de la industria española.
La presente unidad didáctica, elaborada con la inestimable colaboración de un grupo de científicos expertos, explica con rigor y al mismo tiempo de forma amena el tremendo potencial de la nanociencia y la nanotecnología, disciplinas que, como el título de la unidad indica, se encuentran entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Este texto, pensado como apoyo a los estudiantes de Secundaria,incluye un capítulo sobre las implicaciones sociales de estas disciplinas, sin rehuir aspectos polémicos como el impacto que pueden tener algunas aplicaciones de la nanotecnología o si realmente están justificadas las enormes expectativas que suscitan estas disciplinas.
Esperemos que esta unidad didáctica sirva para despertar el interés de la sociedad en general y en concreto de profesores y estudiantes sobre estas disciplinas, así como transmitir la importancia y necesidad de la implicación de los ciudadanos en los debates científicos y tecnológicos.
Juan Tomás Hernani -Director General
1. NANO-INTRO: El nano-mundo a vista de pájaro 17
El mundo invisible 19
EEE 1.1 El número de Avogadro 20
Nanotecnología... ¿Qué significa esta palabra? 20
EEE 1.2 La visión de Feynman sobre la ciencia 21
EEE 1.3 La Química 24
La tecnología actual o ¿hasta dónde es posible reducir el tamaño de un objeto? 24
EEE 1.4 Superficie y volumen 27
EEE 1.5 Un “no experimento” 27
EEE 1.6 La Física 28
CE La teoría cuántica 29
La tecnología actual frente a la del futuro: Top-down frente a Bottom-up 34
EEE 1.7 ¿Qué es un interruptor? 36
Los orígenes de la nanotecnología 36
CE El discurso de Feynman “There is plenty of room at the bottom” 37
CE ¿Cómo llegar a ser nanotecnólog@? 41
2. NANO-HERRAMIENTAS: El arte de ver, tocar, mover y escribir 47
Microscopios para ver 49
Microscopios de campo cercano: no sólo los ojos, sino también las manos 51
CE La “magia” de la física cuántica para construir microscopios 54
EEE 2.1 Microscopios: características generales 60
Manipulación de la materia mediante el uso de microscopios 60
Otras técnicas litográficas 64
EEE 2.2 Sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) 65
CE ALBA, el sincrotrón español: una herramienta kilométrica para estudiar objetos nanométricos 66
3. NANO-MATERIALES: Nuevos materiales para un nuevo siglo 71
En un mundo de carbono 73
EEE 3.1 Conseguir diamante en un laboratorio 77
El balón de fútbol más pequeño del universo: los fullerenos 78
EEE 3.2 Diez fullerenos o la calculadora más pequeña del mundo 79
EEE 3.3 ¿Cómo sería el fullereno cerrado más pequeño? 80
Nanotubos de carbono: el hilo mágico 81
CE Construyendo “macro”-tubos de carbono 82
CE Los nanotubos como un nuevo acero 85
CE La tela de araña y la cabra Spiderman 89
EEE 3.4 Las zeolitas 90
ÍNDICE
4. NANO-QUÍMICA: La danza de las moléculas 93
Construcción de dispositivos moleculares mediante la aproximación bottom-up 95
EEE 4.1 El azul maya: un ejemplo de material híbrido 96
La química supramolecular y el diseño de moléculas a la carta 97
EEE 4.2 Respiramos gracias a moléculas 99
CE La nanotecnología mueve montañas: Máquinas moleculares 100
EEE 4.3 Motores biomoleculares 102
Las monocapas autoensambladas 103
EEE 4.4 Diseño de superficies con propiedades específicas: Una gotita de agua muy voluble 106
Nanopartículas 108
EEE 4.5 Nanopartículas de oro: ¿Un material nuevo?¿Una copa mágica? 109
EEE 4.6 Materiales fotocrómicos 111
EEE 4.7 Sintetizando nanopartículas 112
5. NANO-BIOTECNOLOGÍA: En busca de los secretos de la vida 115
Primera estación: el micromundo 118
EEE 5.1 Construye un microscopio 120
CE Los virus: nanomáquinas que evolucionan 122
¡Pero estamos hechos de nanocosas! 125
CE Origen de la vida, biología sintética y nanotecnología 126
EEE 5.2 La biología 129
CE Un zoom sobre un ser vivo: de lo macro a lo nano sin salir de la charca 130
EEE 5.3 Dibuja el nanomundo 132
Manipulando nano-bio-objetos 132
CE El ADN como nanobiopolímero 133
EEE 5.4 Jugando al “soga-tira” con un virus 138
Hacia la nanomedicina 140
Nanosubmarinos y nanorobots en nuestro cuerpo 141
EEE 5.5 El nanosubmarino amarillo 143
El fabuloso mundo de los nanobiosensores 145
6. NANO-ELECTRÓNICA: Del silicio a las moléculas 149
El siglo XX: la era de la Electrónica 151
EEE 6.1 Transistor, chip, circuito impreso, circuito integrado. ¡Qué lío! 153
¿Algún día dejarán de usarse los semiconductores para fabricar “chips”? 155
EEE 6.2 Densidades críticas de dopantes en el silicio 157
EEE 6.3 Almacenamiento masivo 157
Cuando la ley de Ohm da problemas: transporte balístico 158
Y además...¡más efectos cuánticos! 160
CE Mecánica Cuántica encima de una mesa 161
La nueva electrónica: moléculas, nanotubos, nanohilos, puntos cuánticos,... 163
EEE 6.4 Reduciendo la dimensión 164
CE Los ordenadores cuánticos y la nanotecnología 168
Más allá de la electrónica: nanofotónica, espintrónica, biocomputadores y “ciempiés” 170
Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro
7. NANO-SIMULACIÓN: El laboratorio en un ordenador 175
El método científico y las matemáticas 177
Calcular para predecir 178
EEE 7.1 ¿Cuánto tardará en caer un objeto desde el piso 20? 178
De las reglas de cálculo a los superordenadores 179
EEE 7.2 Un supercomputador frente a toda la humanidad 181
EEE 7.3 Velocidad de los procesadores de videoconsolas 181
Simulación: una forma de ahorrar recursos y tiempo 182
Cálculos en la nanoescala: de los cálculos ab-initio a los métodos semi-clásico 182
EEE 7.4 ¿Es difícil programar en un super-computador? 186
8. NANO-APLICACIONES: Del laboratorio al escaparate 189
Nanomateriales 191
Nanoelectrónica 193
Nanobiotecnología y nanomedicina 194
EEE 8.1 Liberadores de fármacos, espermatozoides y virus 196
Instrumentación, sensores, actuadores, ensambladores... 197
La llegada de la nanotecnología: un proceso de varias etapas 198
De compras por el nano-mercado 199
9. NANO Y SOCIEDAD: implicaciones sociales de la nanotecnología 203
Algo más que la nueva revolución industrial 205
“Nano”+”Bio”+”Info”+”Cogno”: La convergencia NBIC 206
EEE 9.1 Debate: La inmortalidad 209
Nanotecnología, sostenibilidad y responsabilidad 209
EEE 9.2 La nanotecnología como impulsora del desarrollo sostenible 210
CE Nano-eco-toxicología: “Hombre prevenido vale por dos” 211
El impacto mediático de la nanotecnología 213
EEE 9.3 Búsqueda de información en la red 214
CE “WEBOTECA” – Nanociencia y Nanotecnología en la Red 214
El impacto cultural de la Nanotecnología: arte, literatura, cine, moda, gastronomía... 218
EEE. 9.4. Debate: El hombre de los seis millones de dólares 220
EEE. 9.5 La nanotecnología es premiada con el Premio Príncipe de Asturias 2008 222
EEE. 9.6 “La era del camaleón” 223
ANEXOS 225
ANEXO 0: Contenidos curriculares 227
ANEXO I: Soluciones a ejercicios 233
ANEXO II: Lecturas complementarias 239
ANEXO III: Autores 245
ANEXO IV: Leyenda iconos 247
Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro
PRÓLOGO
Muchas veces, amigos e incluso compañeros investigadores de otras especialidades me preguntan “¿para cuando los nanorobots?” Imaginan el futuro lleno de aparatejos microscópicos que nos curan, nos cuidan, nos divierten...Esperan que esta nueva ciencia de lo pequeño revolucione nuestra sociedad y nos transporte al futuro de las películas de ciencia ficción. De alguna manera, el futuro que mucha gente espera es el que recreaba la película “Un viaje alucinante”, en el que un submarino con su tripulación es reducido al tamaño de un glóbulo rojo y viaja por la sangre para reparar un daño preciso en el cerebro. Parece claro que los científicos, en muchas ocasiones para sentirnos importantes y en otras para revalorizar nuestro trabajo, proclamamos que un pequeño hallazgo es la base de un futuro medicamento contra el cáncer, o de un nuevo y revolucionario dispositivo electrónico. Esta información es traducida por los periodistas y asimilada por el lector de la prensa como que hemos acabado con el cáncer, o que un nuevo superordenador estará disponible en las tiendas este año. Estas expectativas crean una desilusión en la sociedad, que ve como después de tantos anuncios triunfalistas, el cáncer sigue sin curarse y nuestros ordenadores “colgándose” cuando más los necesitamos.
Las expectativas que se han puesto en el nanofuturo son muy elevadas y muchas veces no guardan relación con la base científica que las sustenta. Tanto es así que hoy día la gente no sabe distinguir entre lo que será real y la ciencia ficción. Lo que llegará a nuestras casas formando parte de nuestra cotidianidad y lo que se quedará en el laboratorio como meros experimentos académicos. Lo primero será tecnología, lo segundo, la ciencia básica necesaria. Estos dos conceptos se mezclarán a lo largo de este libro como se mezclan en nuestras mentes.
En cualquier caso, la nanotecnología se nos muestra hoy como una potentísima herramienta capaz de volver a transformar la sociedad cómo ya lo hiciese la microelectrónica en la primera mitad del siglo XX. La potencialidad de estas nuevas tecnologías parece verdaderamente ilimitada. A medida que la tecnología que se derive de esta nueva ciencia vaya transformando la sociedad, aparecerán “efectos secundarios” o riesgos asociados a su uso extensivo. Sería pecar de un optimismo infantil no recapacitar sobre estos aspectos. Esta es una invitación para el lector: que intente imaginar y evaluar las consecuencias sociales, éticas e incluso morales de la tecnología del futuro que se presenta en este libro. Estos peligros son especialmente importantes en esta sociedad globalizada y muchas veces manipulada. El paso del laboratorio al mercado de consumo puede ser tan rápido como el dinero que una empresa pueda ganar con ese desarrollo. La ciencia y tecnología no escapan de la globalización y muchas conclusiones científicas se deforman o distorsionan al servicio de objetivos políticos, ideológicos y económicos. Por eso es tan importante tener ideas claras y formarnos nuestra propia opinión también en temas científicos.
Julio Verne, en el siglo XIX, imaginó que el hombre llegaría a la Luna, y éste finalmente llegó, al igual que en algunos años llegará a Marte. También se imaginó al hombre paseando por el centro de la Tierra, y hoy sabemos que esto nunca podrá ocurrir. Aunque es difícil discernir qué invención será realidad y que otra no, intentaremos plasmar en este libro la base de la tecnología que nos espera y que, sin duda, cambiará nuestras vidas. Intentaremos huir de las aseveraciones y buscaremos sugerir y presentar elementos de juicio de manera tal que podamos distinguir entre la ciencia del presente y la tecnología del futuro.
¿Para cuando nanorobots? Seguramente nunca, pero sí existirán otras soluciones mucho más baratas, sencillas, imaginativas e igualmente potentes. Éstas son las que desarrollaremos en este libro.
José Ángel Martín
http://www.fecyt.es/fecyt/docs/tmp/1797493800.pdf
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