Semiconductores orgánicos (nanotecnología)

Rosmar Niño Parra
C.I 18392888
CRF

Investigadores de la Universidad de Georgia han utilizado la nanotecnología para hacer crecer hebras de semiconductores orgánicos, con características similares a los semiconductores de silicio. El experimento podría conducir a una nueva clase de componentes electrónicos, e incluso, proporcionarnos una familia de células de combustible biológicas ideales para mantener en funcionamiento marcapasos, implantes cocleares y prótesis de todo tipo. Sin dudas, se trata de un avance significativo de la nanotecnología.

Un equipo de químicos de la Universidad de Georgia (UGA) liderado por Jason Locklin, un profesor adjunto del Franklin College of Arts and Science de la Facultad de Ingeniería, logró hacer crecer pequeñas hebras de polímeros orgánicos compuestos por cadenas de tiofeno (un hidrocarburo constituido por cuatro átomos de hidrógeno y uno de azufre ligados a cuatro átomos de carbono) y benceno ancladas sobre la superficie de delgadas láminas de metal. Estas dos sustancias son moléculas aromáticas que a veces se utilizan como disolventes.

Los estudiantes de posgrado Nicholas Marshall y Kyle Sontag participaron de los experimentos junto a Locklin. El científico dice que "estos conductores moleculares son cadenas de polímero que han crecido sobre una superficie de metal, y presentan una muy alta densidad. La estructura del conjunto se parece a un cepillo de dientes, donde las cadenas de polímeros hacen las veces de cerdas", por lo que el equipo ha comenzado a referirse a ellas simplemente como "cepillos". Lo más interesante de todo esto es que las hebras creadas en Georgia comparten las características de los semiconductores, a pesar de su naturaleza orgánica.

La belleza de los semiconductores orgánicos es que cambian sus propiedades a medida que varia su tamaño", dice Locklin. El tiofeno se comporta como un aislante, pero "si unimos varias moléculas de tiofeno entre sí, siguiendo un patrón determinado, el conjunto adquiere características propias de los conductores", se entusiasma. Los científicos han realizado experimentos que demuestran que esta técnica permite crear polímeros cuya estructura se ajusta a sus caprichos, logrando diferentes grados de conducción. "Esto abre el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos, como sensores, transistores y diodos, a una escala comprendida entre los 5 y 50 nanómetros", agrega Locklin.

Locklin cree que estos materiales también tienen futuro como parte de la "fuente de alimentación" destinada a proveer de energía eléctrica a los dispositivos electrónicos que se implantan dentro del cuerpo humano. Según sus dichos, "es difícil aprovechar una fuente de combustible propia del cuerpo, como la glucosa, como parte de una celda de combustible que reemplace a las baterías, pero nuestros cables moleculares podrían ayudarnos a crear una forma de manejar flujo de cargas gracias a sus características orgánicas". Sin dudas, el campo de los semiconductores orgánicos parece muy prometedor. De todos modos, Locklin es muy cauto y asegura que todavía estamos en los comienzos de esta tecnología, y que "aún no conocemos los principios físicos involucrados en la forma en que se desplazan las cargas a través de estos materiales."

La revista Chemical Science, que en su ultimo número ha publicado el trabajo del equipo liderado por Jason Locklin, afirma que esta técnica es "un avance significativo de la nanotecnología". Si logran convertir este experimento en un sistema viable para el desarrollo de componentes electrónicos, podríamos estar en los comienzos de una nueva etapa de la industria que incluso podría volver a hacer válida la vapuleada Ley de Moore.

Nanorobot por levitación magnética

Rosmar Niño Parra 
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Un micro-robot que vuela por levitación magnética

Es el primero de estas características y fue creado por ingenieros de la universidad de Waterloo, Canadá. Estiman que tendrá un valor incalculable para realizar tareas muy difíciles hasta ahora: ensamblar piezas diminutas, manipular materiales peligrosos y también para microcirugía.

Un equipo de científicos pertenecientes a la Universidad de Waterloo (Ontario) y liderados por el profesor Mir Behrad Khamesee, ha puesto a punto un pequeño robot que puede volar gracias a un inteligente uso del magnetismo. Según sus creadores, se utilizan una serie de electroimanes para crear un campo magnético parabólico, sobre cuya parte superior se ubica el mini robot. El dispositivo está dotado a su vez de otro grupo de pequeños electroimanes, cuyo campo magnético interactúa con el creado en primer lugar. Las fuerzas resultantes permiten al robot "volar" o girar en cualquier dirección.

El robotito voldor es un avance más de la nanotecnología que desafía la fuerzq de gravidad levitando empujado por un campo magnético. Se mueve y maneja objetos gracias a los imanes que posee en sus micropinzas.. Se lo controla – remotamente – por medio de un haz de rayo láser.

Funciona de forma similar a la que utilizan los trenes de levitación, o maglev, que se mueven por las fuerzas del magnetismo.

Según sus creadores puede ser usado para micromanipular, una técnica que permite colocar en el lugar correcto objetos diminutos. Algunas de las aplicaciones de la micromanipulación son ensamblar componentes, manipular muestras biológicas o incluso llevar a cabo operaciones de microcirugía.

El equipo canadiense dice ser el primero en fabricar un robot con micropinzas, con las que puede tomar y desplazar objetos siempre gracias al control de una persona que lo maneja remotamente. No hace falta mucha imaginación para vislumbrar la infinidad de tareas que se le podrían asignar a tal mini-robot.

Dado que la fuente de energía usada para moverlo es externa, el dispositivo no tiene que llevarla consigo, lo cual permite que sea mucho más manejable a la hora de maniobrar.

Gracias a la levitación magnética, el microrobot se posiciona solo y fácilmente sobre superficies complejas. Esto le da muchas ventajas sobre otro tipo de robots que caminan o se arrastran para hacer su trabajo. Además, como vuela, evita fricciones y otras fuerzas adherentes.

Los investigadores están muy entusiasmados con su invento, pues al no haber necesidad de cableados y como el robot flota libremente por el aire, puede funcionar dentro de un recinto cerrado mientras que el sistema de control se encuentra fuera. . "Se puede trabajar en entornos difíciles, como la manipulación de desechos tóxicos, y puede ser utilizado para llevar a cabo experimentos biológicos peligrosos. Por otra parte, ya que no existen vinculaciones mecánicas, el robot tiene un funcionamiento libre de polvo, apto para aplicaciones de sala limpia, explica Khamesee. De hecho, es posible que este último tipo de aplicación sea la ideal para el aparato de Khamesee. Dentro de una planta en la que se fabrican semiconductores, por ejemplo, podrían montarse los electroimanes necesarios para que el robot recorra las instalaciones distribuyendo materiales o manipulando productos.

Como sea, independientemente de las dificultades que plantea la necesidad de una instalación fija sobre la que se desplazará el aparato, se trata de un gran avance en el campo de la robótica.

IBM investiga chips basados en ADN - Nature Nanotechnology

Rosmar Niño Parra
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La compañía estudia que nuestro ADN se convierta en la estructura de los microchips de próxima generación.

Desde hace años los fabricantes de chips compiten por desarrollar el chip más pequeño y al menor precio, y esto ha hecho que los ingenieros se centren en la manera de reducir los costes de fabricación. Las investigaciones se basan ahora en nanoestructuras de ADN, también llamado 'ADN origami', que podrían proporcionar marcos en los que crear pequeños microchips, según un artículo publicado en la revista Nature Nanotechnology.

En dicho artículo el investigador de IBM Spike Narayan explica que las estructuras biológicas como el ADN ofrecen clases de patrones repetitivos que actualmente pueden ayudar en los procesos de fabricación de semiconductores.

Cuanto más pequeño se quiere hacer el chip más costoso es el equipamiento para su fabricación y, según Narayan, si el proceso 'ADN origami' se lleva a nivel de producción, los fabricantes podrían ahorrarse cientos de millones de dólares en herramientas complejas a cambio de menos de un millón de dólares en polímeros y soluciones de ADN y de calor.

Sin embargo, como la mayoría de las cosas, todo tiene un pero: los diez años que quedan, al menos, para que el proceso se haga realidad. Aunque que el 'ADN origami' podría ayudar a los fabricantes de chips a crear marcos de trabajo más pequeños que lo que es posibles con herramientas convencionales, la técnica todavía necesita años de experimento y pruebas.

Nanotecnología y el sector de los plásticos

Rosmar Niño Parra
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Interesante artículo sobre como se contempla los avances en nanotecnología desde la perspectiva del sector de los plásticos.

La nanotecnología ya está influyendo en la industria de los plásticos con la creación de nanocompuestos especiales que, una vez aplicados a los plásticos, dan lugar a piezas que son mejores en varios aspectos, además de tener un proceso de fabricación más barato.

Y ese es solo el comienzo.

¿Pero qué es lo "nano"?

Si alguien no está seguro de lo que es la nanotecnología, que no se preocupe, que no está solo. "Hay mucha gente muy inteligente que no entiende la nanotecnología", señaló Don Rosato, analista de investigación de Frost & Sullivan en Concord, Massachussets. "Al ver el prefijo 'nano' –que significa diminuto en griego– saben que se refiere a algo muy pequeño, pero más allá todo el proceso resulta misterioso".

La nanotecnología es, de hecho, un campo muy amplio y heterogéneo de la tecnología. Como tecnología habilitadora, crea el marco para el desarrollo de diversas innovaciones en muchos campos, que van desde el sector de la automoción, al de la electrónica o el farmacéutico. La palabra "nanotecnología" describe materiales, estructuras y tecnologías relacionadas con la creación o la presencia de una dimensión espacial inferior a 100 nanómetros. "Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro", señaló Rosato. "Para tener una perspectiva, el diámetro de un cabello humano mide unos 50.000 nanómetros".

A este nivel tan diminuto, las propiedades químicas, físicas y biológicas de los materiales son diferentes a las que tienen con un tamaño más grande y, a menudo, los nanomateriales se comportan de forma diferente a los materiales tradicionales, incluidos los polímeros. Para el mundo de la fabricación, esto es lo que la hace apasionante: las propiedades especiales de estas partículas microscópicas se pueden utilizar para desarrollar materiales que ofrezcan ventajas importantes en nuestro mundo macroscópico, como mejor resistencia, mejor dureza mecánica, mejor resistencia a los UV o mejor conductividad eléctrica y térmica.

En la industria de los plásticos, la nanotecnología implica, básicamente, que los nanocompuestos se incluyen en el plástico. "Las principales ventajas de la utilización de nanomateriales en los productos plásticos son la obtención de mayor rendimiento con un coste inferior y unos niveles de material más eficaces", señaló Rosato. La capacidad de ofrecer un rendimiento más elevado que el que pueden ofrecer las propiedades de los materiales tradicionales es de sobra conocida: por ejemplo, si ponemos una nanoarcilla en la defensa o parachoques de un automóvil, conseguiremos una mayor resistencia al impacto durante un período de tiempo más largo y con un nivel de carga inferior que con otros materiales tradicionales.

Más que dureza

La dureza no es el único beneficio de la nanotecnología. Según un informe sobre ciencia a nanoescala elaborado recientemente por el Committee on Technology, National Science and Technology Council, muchas de las aplicaciones de los plásticos que están en uso hoy en día pueden reducir considerablemente su tamaño, mejorando al mismo tiempo su eficacia. Según el informe: "Gracias al uso de la nanotecnología, ya hay en el horizonte procesadores de memoria del tamaño un sello postal, pero que todavía son capaces de almacenar una cantidad de información equivalente a la de 25 DVD". "Igualmente, con la nanotecnología se podrían fabricar paneles solares con un coste muy inferior a lo que cuestan actualmente".

También se están creando nanotubos de plástico con nanotecnología. Estos nanocompuestos tienen, generalmente, un diámetro de 50 a 150 nanómetros y se utilizan para conducir la electricidad. Estos nanotubos tienen la capacidad de conducción de corriente del cobre, pero además, son extremadamente flexibles, ligeros y duraderos. Se espera que esta tecnología acabe conduciendo a la creación de pinturas, siliconas, recubrimientos, selladores, fibras y adhesivos conductores. Se cree que estos tubos y láminas espesas podrían tener un valioso potencial para la industria de la automoción, la aeroespacial y la química.

Por último, ya se han creado también espumas especiales de nanocompuestos. Es probable que, con el tiempo, estas espumas reemplacen al plástico sólido porque son más ligeras, pero con el mismo aspecto de los plásticos sólidos. Los posibles usos para los nanocompuestos en espuma incluyen las tazas de café, los recipientes de comida rápida, el aislamiento de las casas, el relleno de las alfombras, los pañales desechables, los cojines y los materiales de empaquetado.

La nanotecnología también es un tema en boga entre los gobiernos y los investigadores de las instituciones académicas. "Es un área que recibe gran cantidad de financiación del gobierno", señaló Don Rosato. "La mayoría de las universidades, incluidas varias de Canadá, están investigando en nanotecnología".

Esta creciente aceptación se ve reflejada en el amplio número de proveedores de materiales plásticos que están profundizando en el campo. "En el 2006 habría unos 200 productos plásticos de uso final fabricados con nanotecnología", señaló Rosato. "Hoy en día, hay unos 600. De los proveedores de materiales de todo el mundo, los más importantes –BASF, Bayer, DuPont, Dow, Sabic Innovative Plastics, Lanxess, DSM y Clariant– se están implicando más en el tema".

Por mencionar un ejemplo, Clariant Masterbatches está cooperando, actualmente, con varias compañías alemanas en un proyecto diseñado para utilizar la tecnología de los nanotubos de carbono (CNT) para reducir el coste de las pilas de combustible ecológicas de baja temperatura. "Las aplicaciones relacionadas con los nanotubos de carbono han experimentado un enorme desarrollo debido a las propiedades únicas del material, entre las que se incluyen una dureza, resistencia y conductividad eléctrica excepcionales", comentó el Dr. Ralph Rutte, jefe de producción y tecnología de Clariant Masterbatches Division, en Muttenz, Suiza. "Se espera que el uso de nanotubos de carbono en lugar de relleno de grafito convencional y negro de carbón en las placas de las pilas de combustible proporcione una mejor conductividad. El beneficio para los fabricantes de plásticos es que, procesando los compuestos de los materiales de los CNT en máquinas moldeadores de inyección estándares, pueden reducir los costes de producción al mismo tiempo que aumentan la productividad".

Pero aunque el futuro de la nanotecnología en los plásticos parezca ilimitado, todavía hay algunos obstáculos que superar. Por ejemplo, los que critican la nanotecnología sostienen que ciertas sustancias podrían volverse tóxicas al manipularlas en una escala tan pequeña. También existe el temor de que algunas de estas sustancias manipuladas puedan causar daños en el sistema inmunológico en caso de inhalación, absorción a través de la piel o ingestión; un posible golpe para los fabricantes de moldes componentes médicos que esperaban incorporar los nanocompuestos a sus productos. "Hay posibilidades de que las nanopartículas de aplicaciones médicas atraviesen la barrera hematoencefálica", señaló Don Rosato. "Es un problema en el que están trabajando los investigadores, pero todavía no saben cómo resolverlo".

Independientemente de estas dificultades, no hay duda de que los dirigentes de la industria de los materiales plásticos están recibiendo la nanotecnología con los brazos abiertos.

Uso de nanotubos en chips de ordenadores

Rosmar Niño Parra
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Jose Luis Pereyra

Una nueva técnica para fabricar nanotubos de carbono deben ser más fáciles de integrar con los procesos existentes de fabricación de semiconductores

Fuente: "Síntesis de baja temperatura de nanotubos de carbono alineados verticalmente con contacto eléctrico para sustratos metálicos habilitado por descomposición térmica de la materia prima de carbono", Gilbert Nessim, Carl V. Thompson et al, Nano Letters.

Resultados: Los investigadores en el laboratorio de materiales del MIT, el profesor de ciencias Carl V. Thompson hizo crecer densos bosques de nanotubos de carbono cristalino sobre una superficie de metal a temperaturas cercanas a las características de fabricación de chips informáticos. A diferencia de intentos anteriores de hacer lo mismo, la técnica de los investigadores se basa enteramente en un proceso muy común en la industria de semiconductores. Los investigadores también demostraron que el paso crucial en su procedimiento para precalentar el gas de hidrocarburos de la que se forma nanotubos, antes de exponer a la superficie del metal a la misma.

¿Por qué importa?: Los transistores de chips de computadora están tradicionalmente conectados por cables de cobre diminutos. Pero, como el circuito de chips se encoge y los cables se vuelven más delgados, su conductividad sufre y tienen más probabilidades de fracasar. Un proceso de fabricación lo suficientemente sencillo como para permitir que los nanotubos de carbono reemplacen los cables verticales en los chips, permitiendo el embalaje más denso en los circuitos.

¿Cómo lo hicieron?: en una cámara de vacío, los investigadores vaporizan los metales, Tántalo y hierro, que se asentaron en capas sobre una oblea de silicio. Luego se coloca la oblea recubierta con una película en un extremo de un tubo de cuarzo, que se inserta en un horno. Al final de la lámina del tubo, la temperatura del horno fue de 475 grados C, pero en el extremo opuesto, la temperatura es variada. Los investigadores bombean gas de etileno en el tubo por el extremo opuesto de la oblea. Cuando la temperatura a ese fin se acercó a 800 grados, el etileno en descomposición, y el hierro en la oblea catalizó la formación de los nanotubos de carbono.

Próximos pasos: Los investigadores están tratando de determinar si las distintas combinaciones de metales y los gases de hidrocarburos puede reducir la temperatura del catalizador aún más y mejorar la calidad de los nanotubos.

Financiamiento: La investigación fue patrocinada por el MARCO de enfoque de Interconexión Centro y en parte por Intel (Gilbert Nessim, quien era un estudiante graduado en el laboratorio de Thompson, fue apoyada por una beca de Intel).

Las Nanopartículas de oro iluminadas con láser

Rosmar Niño Parra
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Las Nanopartículas de oro iluminadas con láser podrían detectar y tratar el cáncer

Romain Quidant, reciente premio Fresnel 2009, ha presentado su investigación sobre la detección y tratamiento del cáncer por medio de nanopartículas de oro iluminadas con láser.

Quidant es uno de los líderes de una revolucionaria estrategia contra el cáncer, llamada "oncología plasmónica", un programa de investigación pionero que desarrolla gracias al apoyo de la Fundacio Cellex Barcelona. La idea es introducir nanopartículas de oro en las células tumorales y, posteriormente, aplicar un láser que, gracias a los fenómenos descubiertos por este investigador de origen francés, calentaría las nanopartículas hasta tal punto que las células enfermas se quemarían completamente.

Las nanopartículas son estructura metálicas de tan solo una millonésima parte de metro: su diámetro es diez mil veces inferior al de un cabello. La revolución de su uso es que se pueden diseñar de manera que se introduzcan selectivamente en el cuerpo del paciente, es decir que penetren exclusivamente en las células enfermas. De esta manera, el tratamiento afectaría exclusivamente a los tejidos tumorales, sin dañar los sanos, como sucede actualmente con la quimioterapia o radioterapia.

El sistema se fundamenta en la habilidad de los investigadores de llevar a cabo ingeniería de las nanopartículas de manera que, primero, sepan reconocer las células enfermas; y, en segundo lugar, se conviertan en unas excelentes nanofuentes de calor. El primer resultado se obtiene revistiendo las nanopartículas de moléculas que detectan y penetran las células enfermas . El segundo, diseñando las minúsculas estructuras metálicas de manera que su forma optimice la generación de calor en respuesta a la iluminación externa.

El proyecto está todavía en fase de investigación y se desarrolla en colaboración con especialistas en medicina y biología. Unos de momentos clave del proceso de investigación es la selección, para su posterior inserción, de las partículas en las células enfermas, así como la minimización de su posible toxicidad. En principio, el oro es biocompatible y se evacua fácilmente por los fluidos corporales, pero los investigadores deben asegurarse que la química implicada en el proceso no afecte a las células.

Un nanolaboratorio en una gota de sangre

La interacción entre la luz y nanoestructuras de oro es útil no sólo para el tratamiento, sino también para el diagnóstico del cáncer. Romain Quidant está trabajando en un chip que integre multitud de nanoestructuras metálicas capaces de enviar una señal luminosa cuando entran en contacto con marcadores del cáncer. Este "nano-laboratorio" realizaría muchos análisis en paralelo a partir de una sola gota de sangre. Cada nanoestructura metálica está revestida de moléculas (receptores) capaces de reconocer y atrapar un específico marcador del cáncer. Cuando esto pasa, la nanoestructura responde a la iluminación externa de manera distinta respecto al caso en el cual se queda sin atrapar ningún marcador.

En esta línea de trabajo, el equipo que lidera Romain Quidant ya ha desarrollado un prototipo de nanosensor pensado para detectar sustancias dopantes en la sangre, como los esteroides que utilizan algunos deportistas.

Las ventajas principales de este tipo de dispositivo son su pequeño tamaño (que facilitaría su uso -por ejemplo- en países en desarrollo donde no hay laboratorios), y su gran sensibilidad, que permitiría detectar un cáncer en un nivel de desarrollo muy temprano, cuando la densidad de marcadores es muy baja.

Quidant prevé que el detector estará listo en la próxima década y que sus aplicaciones irán del control agroalimentario a la detección de sustancias industriales peligrosas.

La plasmónica: de las vidrieras góticas al laboratorio.

La disciplina subyacente a la mayoría de los descubrimientos de Romain Quidant es la plasmónica. Ese es, precisamente, el "ingrediente secreto" que, por ejemplo, confiere un color tan especial a las vidrieras de las catedrales. De hecho estas vidrieras contienen finos polvos de metal. La interacción de la luz con los electrones del metal de una nanopartícula metálica genera unas resonancias, los plasmones, que tienen comportamientos sorprendentes, como la capacidad de emitir de manera controlada luz y calor.

Este fenómeno físico de base es la respuesta óptica de las nanopartículas metálicas cuando se les envía una determinada luz. Para un tipo de luz bien definido la nanopartícula va a tener una "resonancia óptica" que, por una parte, genera un campo de luz muy intenso y concentrado en su superficie, y por otra, produce el calentamiento de la partícula. El plasmón es ese efecto de resonancia que caracteriza la interacción de la luz con estas nanopartículas, produciendo tanto el campo intenso y localizado como el calentamiento.

La fotónica

Desde los espejos que Arquímedes utilizó para quemar los barcos enemigos, hasta los láseres utilizados en el diagnóstico y la terapia hoy en día, la historia tecnológica de la luz ha sido la aventura de transformar una entidad intangible y fugaz en una herramienta poderosa y versátil.

Hoy, la luz representa una herramienta imprescindible: para siluetear piezas industriales, para analizar sustancias químicas, para operar la miopía, las pecas o la pérdida de color de la piel, como fuente de energía limpia... Sus aplicaciones se encuentran en muchos momentos de la vida cotidiana: Internet de banda ancha, los lectores de CDs y de códigos de barras, las impresoras, incluso los rayos de luz de los conciertos…

La luz es una herramienta de frontera. Sus aplicaciones futuras incluyen los ordenadores cuánticos y la criptografía super-segura, así como nuevas tecnologías nanométricas y sistemas mínimamente invasivos que interactúan con la materia viva.

Nueva tecnología para producir 'nanoestructuras'

Rosmar Niño Parra
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Una nueva tecnología para la producción de nanoestructuras, 60.000 veces más delgadas que el grosor de un pelo humano, ha sido presentada en un congreso en Viena. El llamado procedimiento de "nanoimprenta" representa una alternativa "económica y segura" para obtener estructuras de dimensiones microscópicas que se usan, entre otras muchas aplicaciones, en la electrónica.

Con los procedimientos litográficos relativamente caros y lentos que se vienen aplicando hasta ahora se alcanzaba tan sólo una reducción del material de unos 50 nanómetros (la millonésima parte de un milímetro), mientras que mediante la exposición a luz ultravioleta de onda corta, a unos 20 nano metros.

En el nuevo procedimiento, más eficiente, no se recurre a la exposición sino a la producción de estampillas a base de rayos de electrones.

Este método, además, es más apto para la industria por sus costes reducidos, explicó el organizador del congreso, Heinrich Kurz, jefe del

Instituto de Tecnología de Semiconductores de la Universidad de Aquisgrán

Una empresa austríaca especializada en el sector afirma que está a punto de producir la primera aplicación industrial de la tecnología de "nanoimprenta": una planta de producción de discos duros para ordenador, mucho más pequeños de lo usual, y que disponen de una memoria diez veces mas potente.

Gracias a una superficie de nanoestructuras, el disco duro puede grabar los bits con divisiones más claras y, de este modo, aumenta así su capacidad.

Los expertos ven otras aplicaciones de esta tecnología en sistemas de análisis de estructuras moleculares, como los 'chips' de genes, o en pantallas electrónicas más eficientes.

Según subrayó Kurz, esta tecnología microscópica se considera muy prometedora a nivel mundial, y su importancia cada vez mayor se refleja en los crecientes volúmenes de subvenciones que dedica la UE a su investigación, estimada en 1.000 millones de euros al año.

Crean un nanotransistor que sustituirá al silicio en 2025

Rosmar Niño Parra

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Permitirá la rápida miniaturización de los componentes electrónicos de los ordenadores

Ingenieros de la Universidad de Manchester han usado un nuevo material llamado graphene, de tan solo un átomo de grosor, para crear el transistor más pequeño del mundo. Este adelanto puede agilizar el desarrollo de un nuevo tipo de chip para ordenadores súper rápidos, inimaginables con los chips actuales de silicio. Sus creadores aseguran que esta innovación permitirá agilizar la miniaturización de elementos electrónicos y puede convertirse en una alternativa prometedora y real cuando la "Era del Silicio" llegue a su fin en 2025. Por Raúl Morales.

El profesor Andre Geim y el doctor Kostya Novoselov, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester, han anunciado en el número de marzo de la revista Nature Materials la fabricación del transistor más pequeño del mundo, que podría posibilitar la producción de nuevos chips para ordenadores super rápidos. Este nuevo transistor tiene sólo un átomo de ancho y cincuenta átomos de largo.

En las últimas décadas, los fabricantes han ido llenando de componentes los circuitos integrados. Por ello, el número de transistores y la potencia de estos circuitos se doblan cada dos años aproximadamente. Este fenómeno ha sido denominado la Ley de Moore .

Se trata de una ley empírica, formulada por Gordon E. Moore en 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy. Ese año, Gordon Moore afirmó que el número de transistores por pulgada en circuitos integrados se duplicaba cada año y que ese mismo crecimiento continuaría durante las décadas siguientes, asegurando el futuro de la informática.

Más pequeños

La velocidad a la que se llenan los circuitos ha ido, sin embargo, decreciendo notablemente. La tecnología basada en el silicio está a punto de alcanzar el mínimo tamaño posible. Por ello, la miniaturización de los componentes electrónicos es el reto más importante al que la industria de los semiconductores se enfrenta en los próximos veinte años.

En este sentido, hace dos años el profesor Andre Geim y sus colegas descubrieron una nueva clase de material que podía ser visto como niveles atómicos individuales separados de una masa de cristales. Este nuevo material fue bautizado como graphene.

El graphene es una molécula de carbono bidimensional, con el espesor de un átomo, con una alta conductividad y una mínima resistencia. En estos dos años, este material se ha convertido en uno de los temas fundamentales de los que se está encargando la física. Gracias al graphene, la famosa Ley de Gordon Moore se podría dar por superada en las próximas décadas.

Material estable

Al mismo tiempo que era anunciado el descubrimiento del graphene, el profesor Geim también anunció la fabricación de un transistor mucho más pequeño a partir de este nuevo material. Aquel primer transistor resultó ser inservible porque no llegaba a hacer correctamente su función de "interruptor".

Ahora, el equipo de la Universidad de Manchester ha demostrado por primera vez que el graphene se muestra muy estable y con una gran conductividad, incluso cuando es cortado en tiras de sólo unos nanómetros de largo. De este modo han encontrado la manera de solucionar el problema inicial y hacer este tipo de transistores útiles para usarlos en los chips que se ensamblarán en los ordenadores del futuro.

Otros materiales conocidos, como el silicio, que domina toda esta industria, se descomponían y eran inestables incluso en tamaños diez veces mayores. Esta pobre estabilidad ha sido la mayor barrera con la que los investigadores se han topado para usarlos en futuros dispositivos electrónicos más pequeños, comprometiendo y limitando el desarrollo de la microelectrónica.

El equipo de investigación sugiere que los futuros circuitos electrónicos podrán hacerse a partir de una única lámina de graphene. Estos circuitos incluirían un elemento central o punto cuántico, una barrera semitransparente que controla los movimientos individuales de los electrones, interconectares y puertas lógicas (circuitos de conmutación integrados en el chip), todo ello hecho únicamente de graphene.

Primera prueba

El equipo de Geim ha probado esta idea fabricando un número de transistores de un único electrón que ha sido capaz de funcionar por primera vez a temperatura ambiente, y no en condiciones especiales, y con una alta calidad.

Aunque esta primera prueba es esperanzadora, los investigadores de la Universidad de Manchester advierten que en la actualidad no existe la tecnología capaz de cortar elementos individuales con precisión nanométrica.

Hacer transistores a escala realmente nanométrica es el mismo reto en el que se encuentra la tecnología basada en el silicio, sin embargo, a diferencia del silicio, el graphene se muestra totalmente estable, incluso en estos tamaños, por eso estamos esperanzados, afirma el doctor Leonid Ponomarenko, que también participa en esta investigación, en un comunicado hecho público por la Universidad de Manchester.

El profesor Geim no espera el "nacimiento" de circuitos basados en graphene hasta 2025. Hasta esa fecha, el silicio seguirá siendo dominante en los componentes microeletrónicos. Sin embargo, cree que este material es la única tecnología viable cuando la "Era del Silicio" llegue a su fin.

Este material combina las mejores cualidades de otras tecnologías que han sido consideradas como posibles sustitutas del silicio. Combina en uno sólo material, lo mejor de los nanotubos de carbono y de la electrónica molecular, asegura Geim

Un microscopio microscópico

Rosmar Niño Parra
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(NC&T) Changhuei Yang desarrolló el dispositivo, con la ayuda de sus colegas del Caltech.

El microscopio es verdaderamente compacto; de hecho, podría instalarse en un teléfono móvil. Además, es capaz de obtener la iluminación necesaria para la visualización a partir simplemente de la luz solar. Todas estas características lo hacen muy atractivo para aplicaciones sanitarias en el Tercer Mundo.

El nuevo instrumento combina la tecnología del chip tradicional de ordenador con la microfluídica, la conducción de fluidos a escalas increíblemente pequeñas. Un microscopio optofluídico completo en un chip es de alrededor del tamaño de una moneda de veinticinco centavos de dólar, aunque la parte del dispositivo que produce las imágenes de los objetos es sólo del tamaño de la nariz de George Washington en esa moneda.

Yang está ahora manteniendo negociaciones con compañías de biotecnología para fabricar en serie el chip. La plataforma en que se integre el chip puede variar, dependiendo de las necesidades del usuario. Por ejemplo, el personal de salud en las áreas rurales podría llevar modelos adecuados para formar parte del instrumental médico portátil, capacitando a los profesionales a comprobar in situ si un individuo padece de malaria, entre otras cosas. "Podríamos construir cientos o miles de microscopios optofluídicos en un solo chip, lo que permitiría obtener las imágenes de muchos organismos para su análisis inmediato", explica Xiquan Cui, del equipo de investigación.

En el futuro, los microscopios en chips podrían incorporarse en dispositivos que se pudieran implantar en el cuerpo humano. Un sistema de análisis con un microscopio implantable es capaz, de manera autónoma, de vigilar lo que llega por el torrente sanguíneo y aislar células cancerosas sueltas con las que se encontrase, proporcionando así información importante para el diagnóstico y ayudando a impedir la diseminación de dichas células cancerosas.

Desarrollan un tratamiento para destruir las células de cáncer con ayuda de nanotubos de carbono

Rosmar Niño Para
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 Científicos japoneses del Instituto de Investigaciones de la Industria y la Tecnología y de la Universidad de Sanidad e Higiene desarrollaron un tratamiento que permite destruir las células del cáncer en diez días, informó hoy un portavoz de la citada universidad.

Explicó que el tratamiento incluye la aplicación de un fármaco, cuya eficacia se refuerza con técnologías láser, utilizado por primera vez en el llamado nanotubo de carbono, que bajo el microscopio, representa una sustancia en forma de polvo parecida a una fibra extrafina.

Los investigadores determinaron que el fármaco aplicado con ayuda del nanotubo de carbono llega más eficazmente hasta la célula. Así, los experimentos con ratones mostraron que las células del cáncer sometidas a un tratamiento con rayos láser durante 15 minutos diarios dejaban de existir dentro de diez días.

Ahora, los científicos japoneses se proponen probar su método en animales de tamaño grande, y después, proceder al tratamiento de las enfermedades oncológicas en las personas.

Biomateriales para el hombre biónico del futuro

BIOMATERIALES

¨Un material que trata de interaccionar interfacialmente con el sistema
biológico para evaluar, tratar, apoyar o reemplazar cualquier tejido,
órgano o función del cuerpo¨ Williams´92

Aplicación:

• DISPOSITIVOS Y PRÓTESIS
• LIBERACIÓN DE FÁRMACOS
• INGENIERÍA DE TEJIDOS
• BIOSENSORES

PRÓTESIS

• Mejora del POLIETILENO y la
ALÚMINA en prótesis articulares
• Alotropía del CARBONO
• NiTi en Cardiovascular/Digestivo
• Modificación superficial del TITANIO

INGENIERÍA DE TEJIDOS

Células progenitoras
↓
Cultivo celular
↓
Fijación a un andamiaje
↓
Proliferación celular
↓
Diferenciación celular
↓
Liberación matriz extracelular
↓
Trasplante

ANDAMIAJES

• Estructura: - soporte para el crecimiento del tejido en 3-D

- estímulo al crecimiento en la forma dictada por el andamio
- mimetice la estructura del tejido huésped

• Porosidad: - macroporos interconectados con aberturas entre poros > 100 μm para
facilitar la migración del medio del cultivo y las células y la angiogénesis
(crecimiento de capilares sanguíneos en su interior)

• Topografía superficial: - textura y rugosidad en escala nanométrica para
facilitar el depósito de la matriz extracelular

• Bioactividad: - evitar materiales bioinertes para impedir la capa fibrosa

- adherir proteínas para mejorar la bioactividad

• Biodegradable: - facilitar la eliminación de los productos de degradación

• Estimulación: - sistema de liberación de agentes: factores de crecimiento, genéticos

• Propiedades mecánicas: - evitar el apantallamiento tensional en tejidos óseos
( biocompuestos)

Regeneración ósea ¨in vivo¨

Sitio Web: http://www.ibercajalav.net/img/biomaterialesHombreBionico.pdf

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

Tecnologías para la vida, salud y asistencia a las personas discapacitadas

El comportamiento de los bloques moleculares que constituyen los seres vivos (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, hidratos de carbono y otros) dependen de sus dimensiones y estructuras a escala nanométrica. La investigación de estos sistemas requiere un enfoque multidisciplinario, en el cual convergen conocimientos y métodos de la física, de la química, de la biología, metodologías sofisticadas como la simulación mediante modelos matemáticos y, no menos importantes, las nanotecnologías. Estas hacen posible la investigación sobre los problemas fundamentales de la materia viva, de otra manera difíciles de estudiar.
El arsenal de conocimientos de que se dispone está dando también frutos preciados en campos de notable importancia como la medicina humana y veterinaria, la farmacología, la agricultura. Nos limitaremos aquí a dar algunos ejemplos.

- Lab-on-a-chip ("laboratorio en una plaquita"). Se trata de un dispositivo miniaturizado para la realización de análisis clínicos que utiliza cantidades pequeñísimas de muestra y suministra resultados en breve tiempo sin la intervención del laboratorio de análisis. El sistema, realizado imitando la tecnología de la microelectrónica, consiste en un sustrato de vidrio de sílice u otra composición, o de un material polimérico, que presenta múltiples canales a través de los cuales se dirigen microcantidades del fluido a analizar hacia los puntos sensibles donde se lleva a cabo el análisis. Estos dispositivos, en muchos casos aún en etapa de experimentación, se construyen actualmente en escala micrométrica (ver figura 18).

Figura 13. El "lab-on-a-chip" producido por Aclara Biosciences (California) para análisis de DNA y RNA a través de un sistema específico de microcanales.

En Alemania se ha iniciado recientemente la experimentación a nivel comercial de un dispositivo similar, realizado con tolerancias nanométricas, y para el cual se informa una mejora significativa de la funcionalidad y de las prestaciones . Si bien el dispositivo debería ser del tipo descartable, esta posibilidad no es compatible con los costos actuales. No se dispone de datos sobre el dispositivo alemán , pero en Gran Bretaña se estima que el costo actual puede estar alrededor de las 1.200 a 1.300 Libras esterlinas. La experiencia con la microelectrónica sugiere que los costos disminuirán rápidamente, teniendo en consideración la gran variedad de usos que pueden tener estos sistemas. Por ejemplo, como laboratorio miniaturizado portátil capaz de llevar a cabo en breve tiempo análisis clínicos, incluyendo los relativos al DNA; análisis de productos alimenticios capaces de detectar la presencia de constituyentes tóxicos o modificados genéticamente. Se prevé también un amplio uso en la investigación farmacológica para estudiar la reacción de células aisladas frente a nuevos fármacos. El estudio de la NEXUS ya mencionado (ver tabla 2) estima que en el 2002 el mercado mundial de éstos dispositivos será del orden de los mil millones de dólares.

- Las nanopartículas en el suministro dirigido de fármacos y otros medios de curación. Las nanopartículas y los recubrimientos superficiales nanoscópicos permiten suministrar fármacos en modo dirigido directamente a las células enfermas. El tratamiento farmacológico en este caso es más eficaz y presenta menos efectos secundarios no deseados (baste pensar en los tratamientos quimioterápicos de enfermedades tumorales). Actualmente está en fase de experimentación el uso de nanopartículas en la cura de enfermedades genéticas como la fibrosis cística; en este caso las nanopartículas se utilizan para inyectar DNA sano en sitios celulares específicos para sustituir al gen defectuoso. También se halla en fase de experimentación el uso de nanopartículas magnéticas para guiar y posicionar los fármacos en sitios específicos mediante sistemas magnéticos externos. Partículas de este tipo pueden ser usadas también para efectuar acciones térmicas localizadas dn las células cancerosas; fijadas las partículas en las mismas, se procede a su calentamiento aplicando un campo magnético externo.
- Materiales para la reparación y regeneración de tejidos. Es conocido el hecho de que las células vivas, cuando están en contacto con una superficie, resultan fuertemente influenciadas por las características fisicoquímicas y por la morfología de la misma. Recientemente se está dedicando un notable esfuerzo a la investigación de superficies micro y nanoestructuradas capaces de promover el crecimiento controlado de células. Se puede dar origen así a tejidos que reemplacen a partes dañadas, o a favorecer la compatibilidad de prótesis y otros sistemas (por ejemplo sensores, sistemas de suministración localizada de fármacos) implantados en el cuerpo humano.
Las aplicaciones en los campos biológico y médico, además de su contribución al cuidado de la salud y de la calidad de vida en general, dan origen a nuevas actividades industriales y de servicios de notable valor económico. Si bien muchas de estas actividades (por ejemplo, la industria farmacéutica) exigen un esfuerzo en la investigación avanzada sólo posible para empresas grandes, a menudo transnacionales, quedan siempre amplios espacios para empresas de dimensiones pequeñas y medianas, que deberán valerse de la competencia científica disponible en las universidades y entes públicos de investigación.

Sitio Web: http://www.ceramicaycristal.com/Ciencia.htm

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Nanotecnología para acabar con la contaminación

Un grupo de investigadores del Núcleo Milenio de Ingeniería Molecular y Química Supramolecular para catálisis, electrocatálisis, remediación y conversión de energía, compuesto por jóvenes de siete universidades del país y pertenecientes a diversas disciplinas científicas trabajan en un innovador proyecto que busca atacar las moléculas contaminantes en aguas y suelos del país.

Dirigidos por el profesor Ramiro Arratia, doctor en fisicoquímica molecular de la Universidad Andrés Bello, este grupo de cerca de 30 científicos ejecutarán una propuesta basada en nanotecnología ambiental, para crear nuevos sistemas energéticos que permitan usar otras alternativas menos contaminantes.

Arratia explica que se usará la "nanotecnología ambiental para descontaminar las aguas, catalizar contaminantes orgánicos y eliminar los contaminantes de manera natural y queremos llegar a eso a partir de moléculas especiales".

La idea es usar nanotubos que se fabrican en diversas universidades de nuestro país y colocar allí "moléculas que, al entrar en contacto con los contaminantes, los desarman y los transforman en partículas no contaminantes", indicó el científico en el programa Milenio de Radio Universidad de Chile.

En la ocasión el profesor estuvo acompañado de dos investigadores estudiantes de doctorado, Ricardo Veloso, bioquímico de la Universidad Austral y Álvaro Muñoz, químico de la Pontificia Universidad Católica, quienes afirmaron que el objetivo primordial de esta instancia es aportar al crecimiento de nuestro país.

"Nosotros somos muy afortunados al lograr la participación de científicos notables como Juan Manuel Manríquez y José Zagal. Planteamos el problema de la necesidad de trabajar en un tema conjunto los máximos exponentes de cada ámbito, ver un problema interesante para Chile e intentar resolverlo y aportarlo a la sociedad", dijo Ramiro Arratia.

Esto, porque la contaminación es uno de los temas que más impacto tiene y más necesidad tiene en nuestra sociedad, "pues las aguas y nuestro suelo, todos conocemos el daño que les han hecho las salmoneras, las papeleras y otras industrias en todo el país", afirmó el experto.

Así lo explica también Ricardo Veloso, uno de los investigadores que participa de este proyecto, quien aseguró que "como valdiviano, presencié la destrucción del santuario de la naturaleza en el Río Cruces y aún no existe ni un culpable. Tengo la esperanza de, a través de este proyecto, saber qué pasó, porque no es normal ir caminando por la calle y encontrarse con un cisne muerto en el suelo".

El profesor Arratia, por su parte, destacó la importancia de este tipo de proyectos que son únicos en Chile y en América Latina, pues a los estudiantes de doctorado "les abre una nueva frontera del conocimiento al tener especialistas en distintas áreas. Ellos están trabajando en la parte de modelamiento molecular que es una de las últimas tecnologías en química antes de hacer un experimento". Ciencia de primer nivel.

Sitio Web: http://netbird.wordpress.com/2009/07/06/nanotecnologia-para-acabar-con-la-contaminacion/

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Nanotechnology. ¿Qué es? concepto, definición, significado

La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al un nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman La mejor definición de Nanotecnología que hemos encontrado es esta: La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etc.. Esta nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden introducirnos en una nueva era, tal como señala Charles Vest (ex-presidente del MIT). Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social. La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. Desde entonces Eric Drexler (personal webpage), se le considera uno de los mayores visionarios sobre este tema. Ya en 1986, en su libro "Engines of creation" introdujo las promesas y peligros de la manipulación molecular. Actualmente preside el Foresight Institute. El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas. Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una segunda revolución industrial en el siglo XXI tal como anunció hace unos años, Charles Vest (ex-presidente del MIT). Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias (desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más dedlicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones. Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo. Sitio Web: http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm ANGGIE M. NAVAS G. CRF

La Nanotecnología aprende a nadar

Según la versión digital de MIT Technology Review hoy, un nuevo modelo matemático de movimiento podrá ayudar a desarrollar nano aparatos capaces de moverse por líquidos. Esto sería un gran paso para aquellos científicos actualmente investigando nuevas formas de transportar por el cuerpo tratamientos contra el cáncer, directamente hacia el tumor, o de transportar aparatos capaces de deshacer un coagulo directamente al lugar del coagulo en cuestión. 

Para lograr un avance tan importante para la medicina, científicos deben solucionar el problema de cómo lograr que los nano aparatos necesarios para transportar estas cosas tengan capacidad para moverse a través de fluidos. A diferencia de los objetos de tamaño normal, la viscosidad tiene más impacto sobre los movimientos de un nano objeto en un líquido que la inercia. El autor del artículo de Technology Review compara el esfuerzo de lograr transportar un micro objeto por al agua con el esfuerzo de nadar en miel. Cuando se trata de nano objetos, la dificultad es mucho mayor.

Para poder desplazarse por un líquido, un nano objeto necesita lograr un movimiento no recíproco, algo muy difícil de reproducir a nano escala. Pero dos matemáticos de Irán, Ali Najafi y Ramin Golestanian, acaban de proponer una solución que simplemente requiere recortar o alargar dos palos rígidos. Su modelo consiste en tres esferas, conectadas por dos estructuras tipo palo. En un ciclo de movimiento, se recorta el brazo izquierda y el brazo derecha, y luego se alarga ambos. El resultado es una serie de grandes movimientos hacia la derecha y pequeños movimientos hacia la izquierda.

El atractivo de este nuevo modelo es su sencillez aunque quedan por resolver cuestiones tales como cómo conectar las formas y cómo superar el problema del Brownian Motion

Sitio Web: http://www.euroresidentes.com/Blogs/avances_tecnologicos/2004/07/la-nanotecnologa-aprende-nadar.htm

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El Viaje de los Nano-Cirujanos

Científicos financiados por la NASA desarrollan naves microscópicas, capaces de internarse en el cuerpo humano y reparar problemas – célula por célula.

Enero 14, 2002: Es como una escena de la película "El Viaje Fantástico". Una pequeña nave -- mucho más pequeña que una célula humana -- dando tumbos a través de la corriente sanguínea de un paciente, a la caza de células enfermas para penetrar sus membranas e inyectarles precisas dosis de medicinas. 

Sólo que ésto no es Hollywood. Es ciencia real.

Arriba: Minúsculas cápsulas, mucho más pequeñas que estas células de sangre, podrían ser un día inyectadas en la corriente sanguínea de las personas, para tratar enfermedades que van desde el cáncer a daños por radiación. Derechos Reservados 1999, Daniel Higgins, Universidad de Illinois en Chicago.

Investigadores financiados por una donación de la NASA, comenzaron recientemente un proyecto para hacer realidad estos escenarios futuristas. Si tienen éxito, las "naves" desarrolladas por los científicos -- llamadas nanopartículas o nanocápsulas -- podrían ayudar a hacer realidad otra historia de ciencia ficción: la exploración humana de Marte y la permanencia a largo plazo en el espacio por los humanos.

Aunque las aplicaciones espaciales serán el principal objetivo de los investigadores, las nanopartículas tienen también un gran potencial para muchos campos de la medicina, especialmente para el tratamiento del cáncer. La seductora promesa de entregar venenos capaces de matar tumores, directamente a las células cancerosas, evitando así los devastadores efectos secundarios de la quimioterapia, ha generado un gran interés en la comunidad médica por las nanopartículas.

"El objetivo de estas nanopartículas es introducir un nuevo tipo de terapia -- de penetrar en células individuales... y repararlas; o, si hay mucho daño, deshacerse de ellas", explica James Leary, de la Rama Médica de la Universidad de Texas. Leary es el encargado de la investigación, junto con Stephen Lloyd y Massod Motamedi también de la Universida de Texas; Nicholas Kotov de la Universidad Estatal de Oklahoma; y Yuri Lvov de la Universidad Tecnológica de Luisiana.

Este proyecto se orienta hacia un problema relacionado con el cáncer -- las altas dosis de radiación (radioactividad) que experimentan los astronautas en el espacio, especialmente en los viajes a la Luna o a Marte, que exigen abandonar el paraguas protector del gigantesco campo magnético que rodea a la Tierra.

Ni siquiera los materiales más avanzados, utilizados para protegerse de la radiación en las naves espaciales, son capaces de aislar completamente a los astronautas de la radiación de alta energía del espacio. Estos fotones y partículas atraviesan sus cuerpos como balas infinitesimales, destruyendo moléculas a su paso. Cuando el ADN sufre daños por esta radiación, las células se comportan erráticamente, ocasionalmente generando cánceres.

"Este es un problema importante", dice Leary. "Si los humanos van a vivir en el espacio, tenemos que buscar cómo protegerlos mejor de la radiación".

Derecha: La radiación cósmica de alta energía puede producir daños en el ADN y hacer que las células se comporten erráticamente. Imagen cortesía de NASA/OBPR.

Debido a que los escudos contra la radiación posiblemente no puedan resolver totalmente el problema, los científicos deben encontrar alguna otra forma de hacer a los astronautas más resistentes a los daños de la radiación.

Las nanopartículas ofrecen una solución elegante. Estas cápsulas destinadas a entregar medicinas son minúsculas -- de sólo algunos cientos de nanómetros, lo que es menor que una bacteria y más pequeña aún que la longitud de onda de la luz visible. (Un nanómetro es una millonésima de un milímetro).

Una simple inyección con una aguja hipodérmica puede liberar miles o millones de estas cápsulas dentro del torrente sanguíneo de una persona. Una vez allí, las nanopartículas aprovecharán el sistema de señalización celular natural del cuerpo, para encontrar las células afectadas por la radiación.

Los billones de células del cuerpo humano se identifican y comunican entre sí a través de moléculas complejas incrustadas en sus membranas exteriores. Estas moléculas actúan como "señales" químicas para comunicarse con otras células o como "porteros" químicos que controlan la entrada a la célula de moléculas existentes en el torrente sanguíneo (tales como las hormonas).

Cuando las células son dañadas por la radiación, producen marcadores de una clase particular de proteínas llamadas "CD-95" y los colocan en su superficie exterior.

"Es la forma en la que una célula habla a otra célula y le dice, 'Oye, Estoy herida'", dice Leary.

Implantando moléculas en la superficie exterior de las nanopartículas que se adhieren e los marcadores CD-95, los científicos pueden "programar" las nanopartículas para que busquen las células dañadas por la radiación.

Izquierda: Una membrana de dos capas separa el interior de la célula, abajo a la derecha de esta imagen, del ambiente que la rodea. Las moléculas complejas en esta membrana exterior controlan la forma como el interior de la célula interactúa con su ambiente. Imagen, derechos reservados, Scott Barrows, Universidad de Illinois en Chicago.

Si el daño causado por la radiación es muy grande, las nanopartículas podrían entrar en las células dañadas y liberar enzimas que inicien la "secuencia auto-destructiva" de la célula, llamada apoptosis. Si el daño no es muy extenso, pueden soltar enzimas reparadoras de ADN para intentar arreglar la célula y hacer que vuelva a funcionar normalmente.

Los humanos y otros organismos tienen enzimas naturales que protegen el ADN y reparan errores, pero algunas hacen su trabajo mejor que otras. "Hay organismos que pueden [absorber altas] dosis de radiación sin mayores efectos nocivos," dice Leary. Estudiando estas especies, los científicos ya saben como preparar enzimas reparadoras de ADN que podrían ser transportadas por nanopartículas.

El equipo de Leary estudia también la manera de adherir moléculas fluorescentes a las nanopartículas. Estas podrían ser diseñadas para iluminar ciertas etapas del proceso, empleando incluso diferentes colores para las diferentes etapas. Estas marcas fluorescentes serían una forma para monitorear el trabajo de las nanopartículas dentro del cuerpo.

Arriba: En esta ilustración, las paredes de las nanocápsulas son disueltas parcialmente, para luego permitir que se restablezcan, atrapando en su interior moléculas medicinales fluorescentes. Estas naves pueden ser fabricadas de polímeros auto-ensamblantes o de materiales semiconductores tales como el telurato de cadmio. Cortesía de Yuri Lvov, Universidad Tecnológica de Luisiana.

"Para establecer el nivel del daño causado por la radiación, un astronauta se pondría algo así como un par de anteojos, pero estos anteojos serían capaces de mirar dentro de la retina", explica Leary. "Utilizando el flujo de nanopartículas [fluorescentes] a través de las células de la retina como un instrumento de análisis in vivo". (In vivo significa "dentro del organismo".)

Ya existen tecnologías semejantes -- se utilizan para medir las variaciones en el flujo sanguíneo de la retina debido a varias enfermedades. La NASA está interesada en estos métodos no-invasivos para controlar la salud, ya que los astronautas deberían posiblemente servir como sus propios médicos en misiones de larga duración.

"Eventualmente, los astronautas podrían utilizar estos anteojos para determinar lo que ocurre en su torrente sanguíneo. Y si es que necesitan tratamiento, tienen una jeringa hipodérmica o algo semejante con las nanopartículas apropiadas para el trabajo de reparación", dice.

Las nanopartículas son una forma radicalmente nueva de biosensores y suministro de medicinas, y como tal, la tecnología necesitará aun de muchos años más para llegar a su madurez y ser confiable. Pero no es una fantasía descabellada. Todos los elementos de esta idea ya han sido demostrados por separado -- las enzimas reparadoras de ADN, las nanopartículas, las etiquetas fluorescentes. El truco es hacer que todos ellos trabajen juntos en forma confiable.

"Este es un problema muy difícil, y no seremos capaces de hacerlo todo en tres años", que es la duración del financiamiento. "Aquí tratamos de desarrollar una ciencia muy innovativa -- es algo así como un salto", dice Leary. "Pero eso es lo que hace que este proyecto sea tan divertido".

Sitio Web: http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/15jan_nano.htm

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Nanomateriales de gran interés tecnológico.

• Nanotubos de carbono: propiedades, métodos de síntesis y aplicaciones.

Nanotubos de carbono

    Historia

Las fibras y filamentos de carbono se han estudiado desde hace más de 100 años (1890).

Imágenes TEM de tres fibras de carbono.(Radushkevichand Lukyanovich,1950).

Producción progresiva → demanda realizada por la industria espacial y aeronaútica.
La preparación de fibras que sean resistentes a la propagación de fracturas requeriría un desarrollo de los métodos de crecimiento de las mismas (CVD)

En 1970 se muestra una imagen de los que hoy denominamos nanotubo de carbono (CNT) de simple -(SWNT) o doble -(DWNT) pared.
                                                                                 

(Izqda) Primera imagen de los denominados SWNT ó DWNT,año 1975. (Dcha) Imágenes simuladas de DWNT en un haz de SWNT y un SWNT en un haz de DWNT.

Lijima (1991) , muestra imágenes HRTEM de nanotubos de carbono donde se visualizan con claridad las múltiples capas concéntricas de grafeno (MWNT).

Imágenes HRTEM de Iijima de tres MWNTs constituidos por 3, 5 y 7 capas concéntricas de grafeno.

El interés de este tipo de fibras ha continuado hasta la actualidad.
El número de publicaciones dedicadas a los CNT aumenta todavía de forma exponencial

Estructura

CNT→ cilindros de grafeno a nanoescala que se une en el punto final por medio fulereno

• Los SWNT se clasifican de acuerdo a tres posibles configuraciones:zig-zag, sillón y quiral.

• Configuración de zig-zag:dos enlaces C-C opuestos de cada hexágono quedan paralelos al eje del tubo
• Configuración de sillón: los enlaces C-C son perpendiculares al eje.

• En todas las otras configuraciones: los enlaces C-C opuestos se disponenen cierto ángulo respecto al eje del tubo → nanotubo helicoidal quiral.

• Las propiedades de los CNTs dependen de su estructura.

• Así, para diámetros similares, todos los SWNTs de sillón y 1/3 de los de zig-zag son metálicos, el resto son semiconductores.

Grafeno

carbono Modelos de las tres estructuras atómicas de SWNT

Propiedades

• Los CNTs presentan extraordinarias relaciones de aspecto:

• Los SWNTs pueden crecer hasta varios centímetros (109 veces su diámetro).
• Los MWNTs tienen longitudes de hasta un centímetro y diámetros de 5-100nm.
  

• Se han descrito extraordinarias propiedades mecánicas.

• Mediante dopaje se puede modificar su respuesta electrónica.

• Atractivos para aplicaciones en:

• Nano-electrónica
• Sensores
• Rellenosenpolímeros
• Cerámica
• Compuestos metálicos.

• Hoy en día las propiedades de los nanotubos de C se miden en masa.

• Imposibilidad de obtener materiales limpios

• Los métodos de crecimiento son insuficientes para controlar la producción de CNTs con propiedades y estructuras uniformes.

                                                                                   

(a)Modelo de transistor CNT vertical.(b)Fibras de carbono crecidas por PECVD, 1μm de diámetro , utilizadas como conectores

Métodos de síntesis vs. propiedades de nanotubos de carbono

• La producción de CNTs es sencilla.
• Todos los métodos requieren de una fuente de C, un catalizador metálico y calor.
• La preparación de SWNT requieren del catalizador metálico.

a) Arco de descarga de C

• Utilizados electrodos de grafito a través de los cuales se pasa una corriente directa en una atmósfera inerte de He.
• Se obtiene un depósito en el cátodo con una capa externa gris y dura con una capa interna y blanda que contiene MWNTs , partículas poliédricas y carbono amorfo.
• Con el empleo de catalizadores (Fe,Co,Ni) se pueden obtener SWNT.
• En el caso de los MWNTs, el empleo de B permite aumentar la longitud de las fibras y favorece la formación en zig-zag.

(Izquierda) Esquema del aparato para formar CNTs por método de arco de descarga.
(Derecha) Imágenes SEM de H2-arc MWNTs :(a)como se recogen (b)purificados por radiación IR.

Imágenes HRTEM de H2-arc MWNTs 166.1

b)Técnicas de vaporización laser ó ablación laser.

• También utiliza la condensación de átomos de C

Esquema del montaje horno-laser

• La generación de SWNTs necesita del empleo de catalizadores (Ni,Co,Pt) en la fuente de grafito.
• No se suele utilizar para obtener MWNTs.
• La calidad , longitud , diámetro y distribución quiral es similar a la de los nanotubos obtenidos por arco de descarga.

c) Deposición de vapor químico (CVD)

• Obtuvo las primeras fibras de C (1890).
• CVD y PECVD son los métodos más utilizados para obtener un crecimiento alineado de MWNTs y SWNTs en varios sustratos:Ni,Si,SiO2,acero,vidrio,etc.
• Los MWNTs obtenidos son poco cristalinos , con gran número de defectos, y por tanto menos derechos.
• Pueden alcanzar 1cm de longitud y diámetros de hasta 100nm, variando el número de paredes de 3 a 100.
• Crecen perpendiculares al sustrato, por lo que resulta fácil medir su longitud
• Es la técnica más versátil para obtener CNTs dopados con B ó N.

(a)Esquema del dispositivo CVD. (b) Modelo de crecimiento de CNT. (c) Un ejemplo de SWNT y MWNT crecidos por CVD. (Derecha) Depósito de SWNTs alineados crecidos por CVD.

(Izquierda) Crecimiento por CVD: (a) depósito de catalizador ; (b) re-estructura en nanopartículas a las condiciones especificadas ; y (c) crecimiento de los nanotubos.(Derecha) MWNTs crecidos en alineación vertical , por PECVD , para aplicaciones electrónicas.

d) Electrolisis

• Es el método menos empleado.
• Los MWNTs se forma cuando una corriente se pasa entre dos electrodos de grafito inmersos en sales iónicas fundidas,vgr. LiCl a 600 ºC.
• El material obtenido se compone de MWNTs, partículas metálicas encapsuladas en carbón,carbono amorfo y filamentos de carbono.
• Sólo produce MWNTs, con diámetros de 10-20nm, longitud > 500nm y sólo unas pocas paredes.

Imagen TEM característica de MWNTs obtenidos electroquímicamente

Sitio Web: http://www.uco.es/~iq2sagrl/nanomateriales/Tema6-diapositivas.pdf

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