La nanotecnología contada por Antonio José Acosta

'La nanotecnología: el mundo de las máquinas a escala nanométrica' es un texto de divulgación científica que, con una extensión mediana tirando a corta, cuenta lo que creo son los aspectos fundamentales de la nanotecnología, desde el concepto y propiedades características, hasta sus aplicaciones e implicaciones. Un texto, en ese sentido, bastante completo aunque, evidentemente, no puede ser muy profundo.

El contenido se estructura en siete capítulos, como sigue:

• 'Introducción:' Una breve apertura dando alguna pincelada inicial sobre nanotecnología y cerrando con el planteamiento del libro.


• 'Evolución de la nanotecnología y relevancia en la actualidad:' Hace una revisión histórica de los principales hitos en nanotecnología, remontándose incluso a la antigüedad, enfatizando los avances en la década que va de 2005 a 2015 y finalizando con una revisión del impacto socioeconómico de estas tecnologías.


• 'Efectos y comportamientos propios de la nanoescala:' Explica las importantísimas diferencias de propiedades que encontramos en el mundo de la nanoescala, mencionando aspectos tanto físicos, como químicos y mecánicos y que explican a un tiempo la dificultad de la nanotecnología como también sus especiales posibilidades. Finaliza hablando de biomímesis y mostrando algunos ejemplos de cómo en la naturaleza se aprovechan esas propiedades de la nanoescala en plantas y animales.


• 'Nanoestructuras y nanomateriales:' Explica con cierto detalle la naturaleza y propiedades de estructuras como las nanopartículas, los nanohilos y tubos de carbono o las nanoláminas y cómo se agregan. Y cierra el capítulo hablando de nanomateriales.


• 'Herramientas y métodos de fabricación:' Aborda ahora un aspecto, si se quiere más práctico, como son los métodos para fabricar soluciones nanotecnológicas. Nos habla de los llamados métodos de arriba a abajo ('top-down') de fabricación de microestructuras, como son los métodos de transferencia de patrones, los métodos sustractivos o de grabación, los métodos aditivos o de película fina ('thin-film') y también las metodologías abajo-arriba ('bottom-up') abordando de forma breve técnicas como la manipulación mediante microscopios STM y AFM, la síntesis química de nanopartículas, la síntesis mediante vapor saturado, la síntesis de aerosoles o la síntesis de fullerenos y tubos de carbono.


• 'Aplicaciones de la nanotecnología:' un relativamente detallado repaso de aplicaciones de la nanotecnología centrado en cuatro grandes campos: salud, dispositivos y tecnologías de la información, materiales y fuentes de energía.


• 'El futuro y los límites de la nanotecnología:' Un breve capítulo de cierre con una visión de futuro y que no elude algunos riesgos y problemáticas éticas de la nanotecnología e incluso toca algún aspecto regulatorio.

Se trata de un libro pensado, entiendo, para ser leído por cualquier tipo de público y bastante comprensible pero diría que no es completamente sencillo y que aunque, efectivamente, cualquier persona con suficiente curiosidad se puede beneficiar de su lectura, conviene tener un cierto 'background' científico, especialmente en física, para una mejor comprensión de los contenidos

Un libro interesante, que no sirve para dominar este campo pero sí como una buena introducción o como una forma de satisfacer una curiosidad científico-técnica, como ha sido mi caso.

 

Antonio José Acosta

(Fuente: Ficha de autor en RBA)

Antonio José Acosta Jiménez

Antonio José Acosta Jiménez es doctor en Física por la Universidad de Sevilla, de la que también es catedrático.

Ha desarrollado su actividad docente en la Facultad de Física de esta universidad y su actividad investigadora en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla. Asimismo, ha participado en más de veinte proyectos de investigación y en varios contratos con empresas. Es autor de más de un centenar de publicaciones e inventor de una patente.

Puedes saber más del autor siguiéndole en Twitter donde se identifica como @acojimUS.

Ficha técnica:

TITULO: La nanotecnología: El mundo de las máquinas a escala nanométrica

AUTOR: Antonio José Acosta Jiménez

EDITORIAL: RBA

AÑO: 2019 

ISBN: 978-8491875086

PAGINAS: 176

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Nanomáquinas y el concepto de robot

Quizá algunas de las expectativas más esperanzadoras de desarrollo tecnológico, de espectaculares mejoras en cuanto a materiales, tratamiento médico, energía y mucho más venga de la mano de la llamada nanotecnología. 

Nanotecnología

La nanotecnología es una actividad científico-tecnológica que se mueve en el ámbito de lo muy pequeño, de aquello que se sitúa en dimensiones de nanómetros (1nm = 10^-9 m), es decir, en tamaños similares a moléculas, y donde se trabaja, precisamente, con átomos, con moléculas, con partículas.

El hecho de trabajar en esos tamaños hace que las propiedades de la materia cambien mucho, por motivos como que, en esas dimensiones, las superficies cobren mucha importancia frente a los volúmenes (a medida que disminuimos el tamaño, tenemos superficies mucho mayores por unidad de volumen) o por que empiezan a ser notables fuerzas como las de Van der Waals que, en tamaño macroscópico tienen un peso no muy alto, pero sí en el nivel microscópico o, mejor, nanoscópico.

La nanotecnología es, en realidad, no una tecnología específica sino un campo amplísimo tanto de investigación como de aplicación y muy cercano a la física y la química.

Nanomáquinas

Entre las múltiples formas de usar este tipo de tecnologías se encuentran las así llamadas nanomáquinas.

Siguiendo a Antonio José Acosta Jiménez, en su libro 'La nanotecnología. El mundo de las máquinas a escala nanométrica', se nos dice que las nanomáquina son:

máquinas que conjugan efectos mecánicos, químicos y eléctricos en la nanoescala. El objetivo de las nanomáquinas es transformar una fuente de energía (lumínica, eléctrica, mecánica, química, etc) en otra, tal y como lo hacen las máquinas en la macroescala.

En el fondo, y aunque parezca una perogrullada, se trata. simplemente, de máquinas que operan en el nivel nanométrico y por ello, y aunque en esencia sean lo mismo que cualquier otra máquina, sus principios físicos, técnicos y operativos, y sus ámbitos de aplicación son bastante diferenciados.

Así, por ejemplo, se pueden usar para diagnosticar y tratar ciertas enfermedades y dolencias, trabajando desde el interior del propio cuerpo humano mediante detección de moléculas (ej. marcadores tumorales) o liberación de fármacos. Pero también se usan, por ejemplo, en comunicaciones, en elaboración de sensores, etc

Apunta el autor mencionado, Antonio Acosta, que algunas de las nanomáquinas más interesantes son las que combinan un mecanismo de detección de alguna circunstancia (ej, detección de una célula cancerosa) con una actuación consecuente (ej. liberación localizada de fármaco) usando el patrón sensor-actuador.

¿Nanorrobots?

En ocasiones se utiliza el término nanorrobot o, simplemente, robot, para referirse a este tipo de ingenios nanométricos. 

¿Son realmente robots?

Como explico en mi libro 'Robots en la sombra', no percibo que exista un concepto universal y ampliamente reconocido del término robot. Existen definiciones, sí, pero no me parece que la literatura técnica, y ya no digamos la de divulgación y medios generalistas, utilice el término de una manera consistente y, por tanto, tampoco tenemos una vara de medir clara para decidir si el término 'robot' es correcto para estas nanomáquinas, o al menos, para algunas de ellas.

En mi libro proponía, más que una definición, una serie de características que están presentes en los robots, a saber:

• Artificiales
• Adaptables
• Actuación sobre el entorno
• Autonomía
• Sustitutos de personas
• Similares a personas

Si pensamos en las nanomáquinas, especialmente en las que adoptan el patrón sensor-actuador, vemos que cumplen claramente algunas de estas características: se trata por supuesto, de entes artificiales (creados por el hombre), actúan sobre el entorno (por ejemplo, las células cancerosas de un humano) y autonomía (al menos en muchos casos, no precisan su manipulación por parte de humanos sino que actúan por sí mismas).

Cumplen, pero de una forma relajada, quizá discutible, otra de las características, la adaptabilidad. Es cierto, en ese sentido, que su comportamiento no es totalmente rígido sino que se adaptan hasta cierto punto, al entorno en el que se mueven. Pero, hasta donde conozco, las nanomáquinas actuales no parecen tener las capacidades de aprendizaje ni programación que propongo en mi libro, aunque en este punto me puede faltar información y también es algo que puede cambiar en el futuro. 

En cierto modo podemos decir que actúan como sustitutos de personas. Por ejemplo, en el caso de la nanomáquina terapéutica, sustituye una tarea médica (el diagnóstico) o de enfermería (administración de fármacos). 

Lo que sí parece bastante discutible es que lo hagan de una forma similar a como lo haría un ser humano, una característica que en mi propuesta introduje, pensando en caracterizar a los robots software pero que parece casi imposible que se cumpla nunca por una nanomáquina ya que una nanomáquina, por definición, actúa en una escala, la nanoscópica, en la que no se mueven nunca los seres humanos. 

Es decir, ciertas nanomáquinas se acercan bastante a mi propuesta de caracterización de los robots pero no la cumplen completamente, especialmente en lo relativo a la similitud con la actuación humana.

Apuntado esto, también diría que, de nuevo, nos enfrentamos a un concepto, el de robot, bastante difuso y que, en el caso de las nanomáquinas más avanzadas (aquellas que usan el mecanismo sensor-actuador y quizá, quizá, con las más avanzadas posibilidades de algo parecido a una cierta programación o aprendizaje) no me repugna 'concederles el título de robot', nanorrobot para ser más exactos, aunque eso pudiera implicar una nueva revisión de lo que este término 'robot' significa en realidad y de mi propia propuesta.  

Consideración final

En cualquier caso, y consideraciones conceptuales y teóricas al margen, lo cierto es que este campo de la nanotecnología en general y de las nanomáquinas en particular, resulta por un lado apasionante y por otro un gran generador de expectativas de futuro para un mundo mucho más avanzado, eficiente e incluso ecológico.

Así que, les llamemos robots o les llamemos como queramos, vale la pena investigar y desarrollar estas nanomáquinas. 

Conocer la Nanotecnología con Ben Rogers, Jesse Adams y Sumita Pennathur

'Nanotechnology: The whole story' es una delicia científica, un libro a medio camino entre el libro de texto y la divulgación científica sobre el mundo de la nanotecnología. Un libro que explica e ilustra muy bien los fundamentos de esta disciplina, a pesar de lo cual es de un nivel es medio/alto y considero necesario por un lado una base física que no está al alcance de todos, y por otra parte un estudio detenido si se quiere aprovechar completamente todo el contenido de la obra.

A pesar del 'sufijo' tecnología con que finaliza el nombre de nanotecnología, lo cierto es que es mucho más un libro de física, y por tanto de fundamentos científicos, que un libro de ingeniería y de aplicaciones o soluciones específicas, aunque algunas sí que se mencionan. Probablemente ello sea debido, no sólo al origen de los autores (ligados a la Universidad de Nevada) sino también proque ese es realmente el punto en que se encuentra hoy en día esta disciplina tan interesante como prometedora.

El libro se estructura en once capítulos:

• 'Big Picture of a Small World' Sirve a modo de introducción y nos habla del átomo y de alguna de las mayores aportaciones a su comprensión como las de Demócrito, Richard Smalley, Rutherford, Bohr, Einstein o Richard Feynmann


• 'Introduction to Miniaturization' explica algunas de las ventajas de trabajar a muy pequeña escala pero también nos avanza algunas de las muy notables diferencias que nos encontramos frente a una física tradicional al trabajar en escalas nanométricas.


• 'Introduction to Nanoscale Physics' profundiza más en esa física de la nanoescala, repasa los fundamentos de la mecánica cuántica, de las ondas electromagnéticas o del efecto fotoeléctrico.


• 'Nanomaterials' donde empieza a acercarse las áreas de aplicación. Primero dedica un amplio espacio a repasar los conceptos del enlace químico y de las fuerzas de Van Der Waals para a continuación estudiar algunos materiales y estructuras destacando los nanotubos de carbono.


• 'Nanomechanics' Empieza repasando algunos conceptos físicos como velocidad, aceleración y fuerza o frecuencia de resonancia para a continuación estudiar fenómenos a nivel nano como osciladores, rayos, fonones, sensores de masa nanométricos, memorias nanometricas, microscopios, etc


• 'Nanoelectronics' De nuevo, comienza repasando fundamentos físicos como las bandas de energía electrónicas, el comportamiento en conductores, aislantes y semiconductores o la energía de Fermi para luego ver cómo se puede aplicar a escala nanométrica para conseguir, por ejemplo, transistores de un solo electrón (SET), interruptores moleculares o memorias de almacenamiento.


• 'Nanoscale Heat Transfer' Salta ahora al campo del calor y, tras repasar conceptos como la constante de Boltzmann o la conductividad de calor, pasa a estudiar los fenómenos de conductividad de calor en escala nano y nos habla de una mejor conversión de la energía en el caso de la termoelectricidad, o de aspectos relevantes en convección y radiación.


• 'Nanophotonics' que estudia la interacción a escala nanométrica de fotones y materiales. Nos habla de la absorción de fotones, de su emisión, de la dispersión, de la permitividad y luego habla de aplicaciones como el uso de partículas de oro o plata para cambiar colores, el ajuste de la banda de gap en semiconductores, láseres, luz,microscopios, etc


• 'Nanoscale Fluid Mechanics' Pasamos ahora a una mecánica de fluidos a escala nano. Primero nos habla del concepto de 'Continuo' y nos recuerda las ecuaciones de 'Navier-Stokes' o el número de Reynolds para ver cómo eso se traduce en escala nano en fenómenos como la electroósmosis o la electroforesis. Finaliza con un rapidísimo repaso a las aplicaciones de estas ideas.


• 'Nanobiotechnology' Comienza hablando de las células vivas, de su funcionamiento y cómo eso ocurre a escala nanométrica y las implicaciones que ello supone, como el hecho de que la gravedad y la inercia sean muy poco representativas a esa escala. Nos habla de azúcares, ácidos grasos, nucleótidos y aminoácidos para luego recorrer la estructura del ADN, el ATP, y la codificación de la información genética. Finaliza explorando algunas aplicaciones como nanoestructuras biomiméticas o motores moleculares


• 'Nanomedicine' Primero explica lo que es la nanomedicina. Luego nos habla de las nanopartículas, el uso de la nanomedicina en la lucha contra el cáncer o de la biomimesis, pero también nos alerta de la potencial toxicidad de estas soluciones, del posible impacto medioambiental y de sus implicaciones éticas

'Nanotechnology: The whole story', es una obra quizá no tan sencilla como sus autores seguramente pretendieron pero, aún así, didáctica y absolutamente apasionante. Probablemente se merezca una segunda lectura...

Ben Rogers

(Fuente: Traducción y ligera elaboración propia de la biografía en su Página personal)

Ben Rogers

Nació en 1977 y vive en Reno, Nevada, con su mujer y dos hijas. Su primera novela 'The flamer' se publicó en 2012. Sus obras han aparecido en una multiplicidad de publicaciones literarias y ganó una beca Nevada Arts Council Fellowship y una subvención Sierra Arts Foundation.

Es el autor líder de 'Nanotechnology: Understanding Small Systems' el primer libro de texto sobre nanotecnología, actualmente en su tercera edición, y también 'Nanotechnology: The Whole Story' un libro para amplia audiencia.

Estudió ingeniería y periodismo y tiene un master en ingeniería mecánica. Ha trabajado como analista de negocio, reportero, profesor y científico en varios laboratorios, incluyendo el Oak Ridge National Laboratory y el Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

Desde 2004 ha sido el Ingeniero Jefe en Nevada Nanotech Systems.

Jesse Adams

(Fuente: Traducción y ligera elaboración propia de su ficha de autor en CRC Press)

Jesse Adams

Cofundador de 3 startups y coautor de dos libros, actualmente sirve como miembro del consejo, Vicepresidente y CTO de Nevadano, así como miembro gestor de Nanolabz and Nanojems.

Jesse tiene un grado de ingeniería mecánica con optativa en negocio, por la Universidad de Nevada en Reno. Se graduó Summa Cum Laude y recibió también el premio outstanding mechanical engineering senior. Tras obtener una beca para graduados, Jesse se fue a la Universidad de Stanford, donde recibió un Máster de Ciencia en Mecatrónica. Sus intereses investigadores le condujeron a perseguir un doctorado en nanotecnología trabajando con el coinventor del microscopio de fuerza atómica, Calvin Quate. Desarrollo un AFM muti-sonda de alta velocidad, para lo que fue preciso un intenso trabajo en las cámara limpias de Stanford para fabricar las sondas activas. Durante su estancia en Stanford, Jesse participó en un comité para el rector, por aquel entonces Condolezza Rice, para explorar y hacer recomendaciones sobre soluciones de alojamiento de emergencia para graduados. También sirvió durante dos trimestres como director asociado del muy respetado colegio de estudiantes de segundo año de Stanford.

Siendo profesor ayudante en la universidad de Nevada en Reno, Jesse desarrolló una microplataforma en voladizo autosensible en investigación para la detección de explosivos, detección de vapores químicos, y detección de agua de calidad. Además, Jesse hizo investigación sobre objetivos de láseres físicos y desarrolló un nuevo curso sobre nanotecnología que formaba a los estudiantes en un entendimiento amplio de la materia.

Jesse es co-autor del primer libro de texto en su clase clase 'Nanotechnology: Understanding Small Systems' así como más de 20 artículos técnicos. Tiene múltiples patentes y patentes pendientes, ha dictado numerosas charlas invitadas sobre microscopía con sondas de escaneo y detección química con microvoladizos y ganó un premio regional y nacional de speaking, así como un premio nacional de diseño, un premio de innovación universitaria y elScientific American 50 award de 2004 en la categoría de defensa.

Sumita Pennathur

(Fuente: Traducción y ligera elaboración propia de su ficha de autor en CRC Press)

Sumita Pennathur

Actualmente, profesora asociada de ingeniería mecánica en la Universidad de California en Santa Bárbara, habiendo obtenido un grado en el MIT y un doctorado en la Universidad de Stanford. Ha sido una contribuyente activa en los campos de la nanofluídica y sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), y fue premiada tanto con Presidential Early Career Award for Science and Engineering (PECASE) en 2011, como un DARPA Young Faculty Award en 2008.

Ficha técnica:

TITULO: NANOTECHNOLOGY: THE WHOLE STORY

AUTOR: Ben Rogers, Jesse Adams y Sumita Pennathur

EDITORIAL: CRC Press

AÑO: 2013

ISBN:  978-1439897805
PAGINAS: 395