Etiqueta: Nanotecnología

Ética de la nanotecnología (segunda parte)

Ética de la nanotecnología (segunda parte)

En palabras de Nordmann, en el artículo publicado el año 2007 titulado “Si y entonces: Una crítica de la nanoética especulativa”, de manera similar, la especulación sobre posibles futuros nanotecnológicos, utópicos o distópicos, está siendo desplazada y el debate gira cada vez más sobre preocupaciones que pueden surgir en un futuro cercano, similares a las suscitadas por otras tecnologías ya presentes en el mundo, aunque sean relativamente nuevas o “emergentes”. Ahora bien, la nanoética no es una rama de la ética plenamente aceptada, ni mucho menos. Las dudas sobre su especificidad y sobre su pertinencia pueden proyectarse sobre su “hermana menor”, si es que lo es en absoluto, y en todo caso, mucho menos conocida, a saber, la nanobioética. Según Baumgartner, en el artículo publicado el año 2008 titulado “Bionanotecnologia: Un nuevo cambio para la reflexión ética?”, la mayor parte de la controversia sobre la existencia y naturaleza de una ética de la nanotecnología o “nanoética”, no como mera etiqueta de conveniencia sino como área reconocida y distinta de las otras éticas aplicadas, se ha generado en torno a la pregunta sobre lo específico de las cuestiones y dilemas éticos suscitados a partir del desarrollo de la nanotecnología. Así, varios autores han negado que haya nada nuevo o específico, desde el punto de vista ético, que la nanotecnología por sí sola plantee.

El investigador De Cózar, en el libro escrito el año 2010 titulado “Nanotecnología, salud y bioética: Entre la esperanza y el riesgo”, menciona que los problemas, relativos al desarrollo de diversas aplicaciones nanotecnológicas, son idénticos o al menos muy similares a otros problemas que ya han sido detectados y evaluados por diferentes éticas aplicadas. Es una tarea bastante ardua proporcionar una lista exhaustiva de tales problemas, sin embargo es posible mencionar algunos ejemplos bastante discutidos: (a) En el campo de la biotecnología, las tecnologías biomédicas, las tecnologías de la energía y las de la información, los éticos y otros expertos se muestran preocupados por la posibilidad de que se viertan o fuguen sustancias que puedan contaminar el entorno y poner en riesgo la salud humana, cuestiones de toxicidad y eco toxicidad, básicamente. (b) Las nuevas tecnologías pueden ser usadas de manera abusiva por los ejércitos o con fines terroristas. (c) Las limitaciones generadas por la regulación de los derechos de propiedad y de las patentes pueden dificultar el disfrute de algunos productos de interés general, por ejemplo los medicamentos. (d) Más en general, pueden surgir o incrementarse las desigualdades socio-económicas, entre las que resaltan la equidad y la justicia distributiva, debido al acceso asimétrico a los bienes tecnológicos. (e) Los abusos de las grandes empresas y de los gobiernos en el ejercicio de su poder mediante el control de la tecnología repercuten en la libertad de elección, el bienestar y la seguridad de los ciudadanos. (f) Las amenazas a la privacidad de las personas mediante el uso de dispositivos electrónicos minúsculos y otras tecnologías de acceso y control de la información aumentan en proporción inversa al tamaño de tales artefactos.

Uno de los temas candentes respecto al avance de la nanotecnología es la posibilidad de control sobre su desarrollo. En un informe elaborado el año 2010 por el “Grupo de investigación en erosión, tecnología y concentración”, se ha renovado el pedido de moratoria y se ha expuesto nuevamente sobre la mesa el tema central sobre las cuestiones éticas, y en particular sobre la preponderancia de las investigaciones en nanotecnología con fines militares lideradas por los Estados Unidos de América. Según Johnston y sus colegas, en el artículo escrito el año 2007 titulado “Nanotecnología: Política y posición”, otra Organización No Gubernamental muy activa en proponer el control sobre los productos e investigaciones con base en nanotecnología es Greenpeace, que si bien reconoce las aplicaciones positivas que se podrían realizar en pos de cuidar y remediar el ambiente, también pide una moratoria para la introducción de productos y materiales en nanoescala hasta que se sepa con seguridad que no dañan el ambiente ni la salud humana.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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04 de Agosto de 2014

Ética de la nanotecnología (primera parte)

Ética de la nanotecnología (primera parte)

Según el Diccionario de la Real Academia Española, ciencia se define como el conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales. La investigación es un tipo de actividad para mejorar y ampliar el conocimiento humano, generando inventos e innovaciones que necesitan precaución. El aumento del conjunto de conocimientos se ha interpretado como positivo para el hombre. Una corriente filosófica denominada positivismo ha especialmente confiado en la ciencia como una posibilidad de solución para muchos de los importantes problemas que aquejan a los seres humanos.

En palabras de Mitcham, en la obra “Enciclopedia de la Ciencia” escrita el año 2005, la ética es la parte de la filosofía que trata de la moral y de las obligaciones del hombre, y en el caso particular de la ciencia y tecnología, se encarga de realizar una reflexión crítica sobre el accionar humano en estos campos. Sgreccia, en el “Manual de Bioética” publicado el año 2002, complementa mencionando que existe una distinción entre los términos vida ética, ética descriptiva y ética normativa. Ética es la ciencia que estudia el comportamiento humano en relación a los valores, principios y normas morales. Ética descriptiva o ethos es el examen de las costumbres y de los comportamientos relativos a valores, principios y normas de una población o determinado hecho. Ética normativa estudia valores, principios y normas de comportamiento y busca sus fundamentos y justificaciones. Esta ética puede ser general, cuando se dedica a los fundamentos, valores, principios o normas, o especial donde se incluyen la ética económica y profesional.

Se habla a menudo de la nanotecnología, en sentido general, como una “plataforma tecnológica” o “tecno científica”; esto es, según Foladori, en el artículo publicado el año 2010 titulado “Las nanotecnologías en contexto”, no tanto de una tecnología distintiva y separada como de un variado conjunto de técnicas o procedimientos para “descomponer” las partes constituyentes de la naturaleza, como son esencialmente átomos y moléculas, y recomponerlas o reconstruirlas de acuerdo con las propiedades que se persiguen por ser de interés para las personas por los motivos que sea. Se piensa por tanto que con la nanotecnología se pueden hacer más eficientes los productos y procesos productivos, ya que tiene una gran capacidad para crear productos multifuncionales que pueden reducir la cantidad de materia prima utilizada en su fabricación, así como sustituir parte de las materias empleadas hasta ahora por otras que se supone ofrecen más ventajas.

La reflexión que plantean los investigadores Ott y Papilloud, en el artículo escrito el año 2007 titulado “Instituciones convergentes: Estableciendo relaciones entre las nanotecnologías, economía y sociedad”, acerca de que es una opinión bastante extendida entre los expertos el que la nanotecnología será la tecnología dominante de “propósito general” durante las próximas décadas. Una tecnología así se caracteriza por su: (a) universalidad u omnipresencia, lo que significa que puede ser dirigida a una multitud de usos; (b) complementariedad innovadora, es decir, que afecta a los procesos de innovación industrial en varias escalas y es afectada por ellos; y (c) una reorganización de los procesos de trabajo en la sociedad, es decir, un impacto en la transformación y desarrollo de las estructuras e instituciones sociales relacionados con las actividades productivas y económicas en general.

Pasado el primer lustro del siglo veintiuno, se debate con cierta vivacidad acerca de la existencia y oportunidad de una “nanoética”, es decir, de una reflexión y discurso específicos de carácter ético para los problemas que trae consigo, y acarreará en el futuro, el desarrollo de la nanotecnología. Se han publicado docenas de artículos y varios libros colectivos sobre la definición y alcance de una nanoética. Según Allhoff y sus colegas, en el libro escrito el año 2007 titulado “Nanoética: Implicaciones éticas y sociales de la nanotecnología”, se ha realizado un gran esfuerzo para aplicar la ética a las nanotecnologías con la misma meticulosidad y precisión demostrada en otras ramas de la ética aplicada, tales como la ética ambiental, la bioética, la ética médica, la ética de la ingeniería, etc. La efectividad del esfuerzo ha resultado mayor gracias a un creciente consenso sobre lo aconsejable de evitar discusiones abstractas sobre la nanotecnología, favoreciendo en su lugar el estudio de los programas nanotecnológicos, frecuentemente heterogéneos, que están en marcha.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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28 de Julio de 2014

Nanotecnología y big data (segunda parte)

Nanotecnología y big data (segunda parte)

En el informe de Stokes, publicado el año 2014 con el título “Nanotecnología y Big data: ¿La siguiente revolución industrial?”, se menciona que un grupo de expertos dirigido por el profesor Sir Mark Welland, Director del Centro de Nanociencia de la Universidad de Cambridge, fue organizado y financiado por la Fundación Lloyd en el mes de octubre del año 2013. Se consideraron las implicaciones potenciales de la nanotecnología en la seguridad y el rendimiento de los activos de ingeniería y la infraestructura en la que se basa la sociedad moderna. El panel incluyó a académicos de alto nivel de las instituciones líderes en el mundo: Universidad de Cambridge, Universidad Heriot-Watt y Southampton y el Laboratorio de Seguridad y Salud en el Reino Unido; Universidad Yale en los Estados Unidos; Universidad Nacional de Singapur y Universidad Münster de Alemania.

Entre otras cosas, los expertos analizaron las posibles implicaciones de la nanotecnología en la seguridad y el rendimiento de los activos de ingeniería, así como en la infraestructura en la que se basa la sociedad moderna. El informe, presentado el año 2014 indica que la nanotecnología tendrá un gran impacto en casi todos los sectores, incluyendo la energía, el transporte, la fabricación, la medicina, la informática y las telecomunicaciones. En este sentido, el mencionado informe identifica cinco áreas fundamentales de impacto: (1) Nanopartículas. El informe pone de relieve la necesidad de investigar el desarrollo de nuevos métodos que permitan evaluar la seguridad y garantizar la calidad y la trazabilidad de las nanopartículas en la cadena de suministro. (2) Materiales artificiales inteligentes. El informe prevé el desarrollo de nuevos materiales artificiales y novedosas técnicas de fabricación. El uso de materiales más ligeros y resistentes con propiedades diseñadas específicamente podría dar lugar, por ejemplo, a embarcaciones pegadas entre sí con compuestos ligeros. Paralelamente, los avances en el campo de la impresión en tres dimensiones permitirán la impresión de metales. (3) Almacenamiento de energía. El desarrollo de pequeñas baterías compactas con capacidad de almacenamiento masivo junto con la capacidad de captar energía del entorno podría dar lugar a nuevos sistemas de transporte o electrodomésticos que dispongan de energía para toda su vida útil en el momento de la compra. (4) Miniaturización de sensores. La incorporación de nanosensores en materiales estructurales como el hormigón proporcionará información continua en tiempo real sobre factores de desempeño estructural, como la corrosión o las tensiones. Esta tecnología mejorará también la robótica y los vehículos no tripulados en el sector del transporte. (5) Grandes repositorios de datos o Big data. Se producirá un aumento masivo de los datos recopilados como consecuencia de la colocación de sensores en todas partes. Esto tendrá importantes implicaciones a la hora de garantizar la calidad, seguridad y trazabilidad.

En la tesis de maestría de Manso, publicada el año 2015 con el título “Análisis de Modelos de Negocios Basados en Big Data para Operadores Móviles”, se menciona que el término general que se utiliza para describir la tendencia creciente de datos donde el volumen, variedad, velocidad y veracidad excede a la capacidad de los métodos tradicionales es conocido como Big data. Este fenómeno se caracteriza por cuatro uves: (1) Volumen. Más información de lo que es económicamente factible almacenar, terabytes a petabytes de datos. (2) Variedad. Datos en múltiples formatos tales cómo estructurado, semi-estructurado, no estructurado y de tipo texto, imágenes, videos, audio, interactividad, etc. (3) Velocidad. Análisis en tiempo casi real de flujo de datos para permitir la toma de decisiones en fracciones de segundos. (4) Veracidad. Gestión de la fiabilidad y la previsibilidad de la incertidumbre intrínseca de los datos. Big data es uno de los temas más candentes en la actualidad y su crecimiento se prevé que sea exponencial. ¿Cómo afectará esto a la sociedad? Y, lo más importante ¿puede ayudar los datos a mejorar la vida de las personas? Este boom puede traducirse en mejoras en la gestión de diferentes aspectos de la sociedad, desde las catástrofes del planeta, la salud, la agricultura, la productividad, el medio ambiente, la educación o el gobierno abierto, entre otros. La clave está en encontrar la vía, mediante un uso responsable, para hacer uso de estas grandes cantidades de datos para el beneficio de la sociedad.

Según el informe de Stokes, en los últimos años se le ha dado mucha importancia a la nanotecnología en los medios de comunicación y, más recientemente, han salido a la palestra conceptos como el Internet de las cosas o el ya mencionado Big data. Sin embargo, hace más de treinta años que se investiga en nanotecnología, se han invertido, y se siguen invirtiendo todavía, miles de millones de dólares en investigación en este campo y la gran revolución prometida sigue sin llegar a hacerse realidad. No hay duda de que la nanotecnología seguirá avanzando y conducirá al desarrollo de nuevos productos sorprendentes; y probablemente dará lugar a la tan anunciada revolución en un futuro próximo. Por el momento, hay dos factores fundamentales que lo impiden: (1) Las dificultades para llevar los avances del laboratorio al mercado: Este es uno de los grandes problemas de la nanotecnología actualmente, la dificultad a la hora de escalar la producción lograda en el laboratorio para lograr una producción a escala comercial. Un buen ejemplo es el del grafeno, el nanomaterial del que tanto se ha hablado y que se dice que podría revolucionar la electrónica reemplazando al silicio. Sin embargo, por el momento, la producción de grafeno de alta calidad no es posible, incluso en pequeñas cantidades, por lo que todavía no es viable comercialmente. (2) Las preocupaciones relacionadas con la salud y la seguridad: Es necesario abordar estos temas desde el punto de vista ambiental, médico y legislativo y encontrar una solución que garantice realmente que la nanotecnología no entraña ningún perjuicio para los seres vivos y el medioambiente antes de permitir la salida masiva de nanomateriales al mundo. La nanotecnología está todavía en una etapa conceptual. No obstante, hay que tener en cuenta también que la industria todavía no ha invertido de forma masiva en este campo.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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31 de Octubre de 2016

Nanotecnología y big data (primera parte)

Nanotecnología y big data (primera parte)

En la monografía de Briones y sus colegas, publicada el año 2009 con el título “Nanociencia y nanotecnología: Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro”, se menciona que muchas definiciones circulan por la Web para nanociencia y nanotecnología y, como todo lo que aparece en Internet, deben de ser interpretadas con cautela. Hay quien dice que nanociencia es la ciencia de lo infinitamente pequeño. Esto no es estrictamente cierto, ya que esta definición responde mejor, por ejemplo, al tipo de estudios de los que se ocupa la física de altas energías, que trabaja con protones, neutrones o incluso los constituyentes de éstos: Los quarks. Otras personas piensan que la nanotecnología trata de reducir el tamaño de los objetos hasta límites insospechados. Esto tampoco es completamente acertado, ya que la nanotecnología necesita técnicas de fabricación diferentes, basadas en otros conceptos. Por otra parte, a veces se asocia la palabra nanotecnología con la construcción de dispositivos y robots como los que se tiene en el mundo pero de dimensiones bastante pequeñas. Esto, también es un error. Los problemas que presenta la definición de estos términos están relacionados con el hecho de que ni la nanociencia ni la nanotecnología nacieron como disciplinas cerradas, sino que ambas son campos del conocimiento que se han ido construyendo paralelamente a la aparición de nuevos descubrimientos y que, de hecho, no se sabe aun hacia donde evolucionarán.

De manera general, se podría definir nanotecnología como la fabricación de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales a través del control y ensamblado de la materia a la escala del nanómetro, de cero coma uno a cien nanómetros, del átomo hasta por debajo de la célula, así como la aplicación de nuevos conceptos y propiedades, de diferentes ramas de la ciencia, que surgen como consecuencia de esa escala tan reducida. La nanotecnología, de manera obvia, se encarga de manejar grandes volúmenes de datos en equipos computacionales en escala manométrica. Pero como se podrían encarar tareas tan importantes, al interior de la nanotecnología, como son el manejo de las nanopartículas, los nanomateriales artificiales inteligentes, el almacenamiento de energía o la miniaturización de sensores para tareas tan importantes como son las asociadas al manejo del control difuso o el control domótico de la infraestructura de inteligencia ambiental, que permita a las personas “vivir bien”, mas allá de la simple retorica.

En el artículo de Puyol, publicado el año 2014 con el título “Una aproximación a Big data”, cada día en el mundo se generan más de dos punto cinco exabytes de datos, esto equivale a un millón de de terabytes. La generación de datos no solo crece, explota. El crecimiento exponencial es tan grande, que el noventa por ciento de los datos guardados en la actualidad, han sido creados en los dos últimos años. Cada segundo sensores, tabletas, teléfonos y sistemas inteligentes generan cantidades de datos que crecen exponencialmente. Actualmente, la mayoría de los datos almacenados por las nuevas tecnologías no tienen más de dos años. Muchos de estos datos no se procesan porque los sistemas tradicionales de computación no son capaces de procesarlos y muchas empresas no tienen una solución unificada para recogerlos y analizarlos.

Según datos hechos públicos por el Instituto Global McKinsey, en el documento publicado el año 2011 con el título “El despertar de la India urbana: La construcción de ciudades inclusivas”, el noventa por ciento de los datos que existen en el planeta se ha generado en los últimos dos años y durante el año 2011 se rozaron los dos zetabytes, equivalente a más de dos mil millones de terabytes de información en todo el mundo. Este ritmo de generación de datos ha desbordado a los programas informáticos utilizados habitualmente para capturar, gestionar y procesar información. Se requiere de nuevos programas de software y herramientas de hardware para su procesamiento.

En el artículo de Barranco, publicado el año 2012 con el título “¿Qué es Big data?”, se indica que en términos generales el Big data puede ser considerado como a la tendencia en el avance de la tecnología que ha abierto las puertas hacia un nuevo enfoque de entendimiento y toma de decisiones, la cual es utilizada para describir enormes cantidades de datos: Estructurados, no estructurados y semi estructurados, que tomaría demasiado tiempo y sería muy costoso cargarlos a un base de datos relacional para su análisis. De tal manera que, el concepto de Big data aplica para toda aquella información que no puede ser procesada o analizada utilizando procesos o herramientas tradicionales. Sin embargo, Big data no se refiere a alguna cantidad en específico, ya que es usualmente utilizado cuando se habla en términos de petabytes y exabytes de datos. Entonces cabe preguntarse ¿Cuánto es demasiada información de manera que sea elegible para ser procesada y analizada utilizando Big Data?, esto debe ser analizado en términos de bytes: Un gigabyte es equivalente a mil millones de bytes; un terabyte equivale a un millón de bytes; un petabyte equivale a un millón de gigabytes; un exabyte es equivalente a mil millones de gigabytes. Además del gran volumen de información, existe en una gran variedad de datos que pueden ser representados de diversas maneras en todo el mundo, por ejemplo de dispositivos móviles, audio, video, sistemas de posicionamiento global, incontables sensores digitales en equipos industriales, automóviles, medidores eléctricos, veletas, anemómetros, etc., los cuales pueden medir y comunicar el posicionamiento, movimiento, vibración, temperatura, humedad y hasta los cambios químicos que sufre el aire, de tal forma que las aplicaciones que analizan estos datos requieren que la velocidad de respuesta sea lo demasiado rápida para lograr obtener la información correcta en el momento preciso. Estas son las características principales de una oportunidad para Big data.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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24 de Octubre de 2016

Nanopartículas terapéuticas

Nanopartículas terapéuticas

El premio Nobel de física de 1963, Richard Feynman, dio una conferencia, en 1959, en la que mencionó la posibilidad de almacenar los veinticuatro tomos de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler, de crear micromáquinas capaces de viajar a través del cuerpo humano, de manipular, átomo por átomo, la síntesis de materiales de nueva creación, y algunas otras ideas que en aquel tiempo eran difíciles de concebir. En los primeros años del siglo veintiuno, el desarrollo tecnológico de nuevos materiales ha hecho tangibles algunas de las premisas de Feynman. Ejemplos de esto son los discos duros de la reciente generación de computadoras, capaces de almacenar una gran cantidad de información en películas magnéticas delgadas; los instrumentos médicos de diagnóstico que, en la actualidad, son más compactos y rápidos; las técnicas de enfriamiento, así como las de manipulación por láser que hacen más preciso el confinamiento de átomos y moléculas. Todo esto forma parte de lo que se conoce como nanotecnología, universo en el que se utilizan las propiedades físicas de los materiales en escala de nanómetros.

Una nanopartícula, conocida también como nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal, es una partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que cien nanometros. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos de biomédicos, ópticos, y electrónicos. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología del gobierno de los Estados Unidos ha conducido cantidades enormes de financiamiento exclusivamente para la investigación de las nanopartículas.

Una nanopartícula tiene el tamaño de algunos nanómetros, y sus propiedades tanto físicas como químicas son diferentes a las que presenta el material en la escala de los centímetros. Según el investigador Guozhong, en el artículo publicado el año 2004 sobre “nanoestructuras y nanomateriales”, existen diferentes tipos de nanopartículas, en las cuales es posible distinguir el carácter organizacional de la materia: (1) Semiconductoras. Las partículas semiconductoras se fabrican a partir de la combinación de un precursor metálico con elementos pertenecientes a la familia del oxígeno. En general, como en el caso de los semiconductores comunes, las nanopartículas se forman de la mezcla de los elementos de la tabla periódica del grupo tres con el grupo cinco, por ejemplo: fosfuro y arsenuro de indio; o de la composición de los grupos cuatro y seis, como son el selenuro, teluro y sulfuro de plomo. (2) Metálicas. En el caso de las nanopartículas metálicas su principal característica es que contienen un número determinado de electrones libres confinados en un espacio muy pequeño. Esto les da propiedades como la resonancia plasmónica, que es la propiedad de interactuar específicamente con la luz, la cual se puede ver claramente en el caso del oro, donde soluciones de distintos tamaños de nanopartículas presentan colores que van desde el púrpura hasta el marrón. Este cambio de color es resultado de la oscilación colectiva de los electrones al interactuar con la luz. (3) Otras. Existen otros tipos de nanopartículas con diversos usos como las magnéticas, que son empleadas en el mejoramiento de imágenes en el diagnóstico médico, y las dieléctricas, las cuales han sido propuestas como modelos para su uso en la computación cuántica, porque pueden ser selectivamente excitadas por medio de pulsos ópticos.

Las investigaciones dirigidas a la búsqueda de alternativas para el tratamiento de las infecciones causadas por bacterias y virus resistentes se incrementan cada día. Según Yoon y sus colegas investigadores, en el artículo publicado el año 2008 acerca de “características antimicobianas del aerosol de plata”, dentro de la gama de compuestos cuya actividad bactericida se está investigando, las nanopartículas de plata surgen como un prometedor agente antibacteriano que podría ser utilizado para enfrentar a bacterias resistentes a los antibióticos. En diversos estudios se han observado las propiedades antimicrobianas de las nanopartículas de plata tanto en virus como en bacterias. Se ha determinado que las nanopartículas de plata tienen efecto en bacterias Gram negativas como Escherichia coli, Vibrio cholera y Pseudomonas aeruginosa, además de Gram positivas como Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus y Enterococcus faecalis. Aunado a ello, el grupo de investigación de Elechiguerra, en el artículo escrito el año 2005 acerca de la “interacción de nanopartículas de plata con el VIH-1” determinó la capacidad antiviral de las nanopartículas de plata en el virus de inmunodeficiencia humana tipo 1. A pesar de todos los hallazgos no se ha podido establecer hasta el momento el mecanismo de acción por el cual estos nanomateriales llevan a cabo su efecto antibacteriano. Sin embargo los resultados obtenidos gracias al empleo de la proteómica, en el articulo escrito el año 2006 por Lok y sus colegas acerca del “análisis proteómico del modo de acción antibacteriano de las nanopartículas de plata”, los cuales mostraron un claro efecto de las nanopartículas de plata sobre la expresión proteínas de la membrana interna de E. coli sugiriendo que un posible sitio de acción de estos compuestos es la membrana celular.

Los productos médicos que incorporan plata nanoescalar están entre los primeros éxitos comerciales de la nanotecnología. Aunque las propiedades antimicrobianas de la plata son conocidas hace miles de años, el incremento en el área superficial de las nano-partículas de plata diseñadas con ingeniería nanológica, de uno a cien nanómetros, las torna más reactivas químicamente y resalta sus propiedades terapéuticas. Nucryst Pharmaceuticals, una subsidiaria de Westaim Corporation, fabrica recubrimientos de heridas y quemaduras impregnados con plata nanoscópica con el fin de combatir la infección y la inflamación. Según Bethany Halford, en el artículo escrito el año 2006 titulado “¿una bala de plata para las infecciones?”, la plata mata las bacterias y los virus al impedir el transporte de electrones en los microbios y desfasar la replicación celular cuando entra en contacto con el ácido desoxirribonucleico. Los iones de plata, átomos que tienen una carga eléctrica debido al cambio en el número de electrones, pueden perturbar las estructuras microbianas y sus funciones. El lado problemático es que los altos niveles de iones de plata, liberados por periodos prolongados de tiempo, pueden matar también las células, por lo que debe controlarse la exposición a ellos.

Smith & Nephew, una de las firmas de equipo médico más grandes del mundo, vende los recubrimientos de heridas con capa de plata de Nucryst en treinta países, con el nombre de Acticoat. La demanda de recubrimientos antimicrobianos crece debido a que, con mucha rapidez, diversas bacterias se están volviendo resistentes a los antibióticos. Smith & Nephew afirma que el Acticoat es efectivo contra ciento cincuenta patógenos, incluidos algunos microorganismos resistentes.

Johnson & Johnson, Bristol-Myers Squibb y Medline Industries, entre otras compañías, comercializan ya productos médicos basados en plata nanoscópica. Pero los recubrimientos de heridas son sólo el principio. Según los investigadores Tobler y Warner, en el artículo escrito el año 2005 titulado “La nanotecnología de plata combate microbios en los dispositivos médicos”, dado que se calcula que las infecciones bacterianas relacionadas con la hospitalización son la quinta causa de muerte en Estados Unidos, las compañías intentan que se recubra con plata nanoscópica el instrumental quirúrgico, las sábanas de las camas y las cortinas de los hospitales. En diciembre de 2005 la Administradora de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos, concedió la aprobación de un catéter, un tubo para transportar líquidos, recubierto con plata antimicrobiana para su implantación en el cuerpo humano.

Según Sampson, en el artículo escrito el año 2004 sobre “trajes con auto-limpieza, en su futuro”, los recubrimientos de plata nanoscópica se usan también como dispositivos antimicrobianos en los productos de consumo, como el acabado de refrigeradores, las escobas, los recipientes para almacenar alimentos y la ropa. SmartSilver son unos calcetines antimicrobianos que se venden a los soldados en las tiendas del ejército estadunidense, y los investigadores desarrollan telas con recubrimientos de plata nanoescalar que son descritas como “auto-limpiadoras”. Una nueva lavadora de ropa lanzada al mercado por Samsung, llamada SilverCare, inyecta iones de plata al agua de lavado y enjuague. Samsung afirma que los iones de plata penetran la tela y matan las bacterias sin necesidad de agua caliente o blanqueador. En palabras de Rhonda Rundle, “la guerra contra los gérmenes tiene una línea de plata”, los especialistas en tratamiento de aguas a nivel municipal se preguntan si la plata nanoscópica en las lavadoras de ropa podría ocasionar serios problemas si las partículas de plata se descargan a los drenajes y matan plancton, lo que perturbaría la cadena alimenticia. A petición hecha a principios de 2006 por la Asociación de Dependencias en pro de Agua Limpia de los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental del gobierno estadunidense consideró en junio de 2006 la revisión y clasificación de los productos que contuvieran nano-partículas de plata como plaguicidas, es decir, con la capacidad de matar vida vegetal.

Referencias Bibliográficas

  • Elechiguerra, J. L.; Burt, J. L.; Morones, J. R.; Camacho-Bragado, A.; Gao, X.; Lara, H. H. and Yacaman, M. J. (2005) Interaction of silver nanoparticles with HIV-1. J. Nanobiotechnology.
  • Guozhong, Cao (2004) Nanoestructuras y nanomateriales: síntesis, propiedades y aplicaciones, Imperial College Press.
  • Halford, Bethany (2006) A Silver Bullet for Infections?. Chemical and Engineering News, 17 de abril de 2006, p. 35-36. En la red electrónica: http://pubs.acs.org/cen/science/84/8416sci1c.html.
  • Lok, C. N.; Ho, C. M.; Chen, R.; He, Q. Y.; Yu, W. Y.; Sun, H.; Tam, P. K.; Chiu, J. F. and Che, C. M. 2006. Proteomic analysis of the mode of antibacterial action of silver nanoparticles. J. Proteome. Res. 5:916-924.
  • Rundle, Rhonda L. (2006) This War Against Germs Has a Silver Lining, Wall Street Journal, 6 de junio de 2006.
  • Sampson, Mark T. (2004) ‘Self-cleaning’ Suits May Be in Your Future, EurekAlert, 22 de noviembre de 2004. En la red electrónica: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2004-11/acssm111904.php
  • Tobler, David y Warner, Lenna (2005) Nanotech Silver Fights Microbes in Medical Devices, Medical Device & Diagnostic Industry, mayo de 2005. En la red electrónica: http://www.devicelink.com/mddi/archive/05/05/029.html
  • Yoon, K. Y.; Byeon, J. H.; Park, J. H.; Hi, J. H.; Bae, G. N. and Hwang, J. (2008) Antimicrobial Characteristics of Silver Aerosol Nanoparticles against Bacillus subtilis Bioaerosols. Environmental Engineering Science 25:289-294.
Guillermo Choque Aspiazu
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Marzo 12 de 2012
Nanotecnología seca y húmeda

Nanotecnología seca y húmeda

La nanotecnología 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. La nanotecnología también es el desarrollo y la aplicación práctica de estructuras y sistemas en una escala nanométrica, esta hace referencia a un rango entre uno y cien nanómetros. Se reitera que “nano” es un prefijo griego que significa “mil millones”, por tanto, la Nanotecnología permite fabricar cosas a una mil millonésima parte de un metro. En la nanotecnología, la materia se manipula hasta llegar hasta su elemento más básico, el átomo. Esto es un avance lógico, inevitable en el transcurso del progreso humano.

Entrando en tema, una definición de diccionario menciona que la nanotecnología seca se deriva de la ciencia de superficies y química física, la nanotecnología seca se centra en la fabricación de estructuras de carbón, por ejemplo fullerenos y nanotubos, silicio y otros materiales inorgánicos. A diferencia de la “nanotecnología húmeda”, las técnicas “secas” permiten el uso de metales y semiconductores. Debido a sus electrones de conducción activa, estos materiales son excesivamente reactivos como para funcionar en un entorno “húmedo”. Pero esos mismos electrones proporcionan las propiedades físicas que resultan interesantes para aparatos electrónicos, magnéticos y ópticos. Un objetivo de estudios actuales es el desarrollo de estructuras secas que posean algunos de los mismos atributos de auto ensamblaje que las estructuras húmedas. En el lenguaje de difusión, la nanotecnología seca se emplea frecuentemente para referirse al diseño de dispositivos mecánicos diminutos pero tradicionales con pequeñas cantidades de átomos; en cambio la nanotecnología húmeda se emplea en ámbito de la división celular biológica y del ácido desoxirribonucleico.

Según el campo en el que se trabaje, la nanotecnología inicialmente se divide en cuatro áreas: (1) La nanotecnología húmeda, que se encuentra fundamentada en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético, membranas, encimas y otros componentes celulares. También se basa en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evolución, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas. (2) La denominada nanotecnología seca, que es la tecnología que se dedica a la fabricación de estructuras en carbón, silicio, materiales inorgánicos, metales y semiconductores. También está presente en la electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos. (3) La fusión de la nanotecnología seca y húmeda constituye una de las últimas propuestas que tienden a usar una combinación de la nanotecnología húmeda y la nanotecnología seca. Una cadena de ácido desoxirribonucleico se programa para forzar moléculas en áreas muy específicas dejando que uniones covalentes se formen sólo en áreas muy específicas. Las formas resultantes se pueden manipular para permitir el control posicional y la fabricación de nanoestructuras. (4) En la nanotecnología computacional, se puede trabajar en el modelado y simulación de estructuras complejas de escala nanométrica. También se puede manipular átomos utilizando los nanomanipuladores controlados por computadoras.

La nanotecnología o tecnología de lo pequeño, conocida también como tecnología atómica o tecnología gris. Esta disciplina trabaja a escalas del orden de una milésima de millonésima de metro, y está enfocada a diseñar, controlar y modificar materiales orgánicos e inorgánicos, a través de la miniaturización de componentes a rangos del nivel de un submicrón hasta niveles de átomos individuales o moléculas. Con la nanotecnología se plantea en un futuro no muy lejano crear sistemas nanoscópicos que permitan ensamblar o autoensamblar estructuras moleculares usando como materia prima elementos del entorno, lo que ocasionará que a medida que se vaya reduciendo la escala de trabajo de los dispositivos, los efectos cuánticos serán cada vez más importantes. Por lo mencionado la nanotecnología se ha desplegado en tres grandes campos de investigación y desarrollo: La nanotecnología seca, la nanotecnología húmeda y la nanotecnología computacional.

La nanotecnología seca se deriva del estudio de la física de superficies y la fisicoquímica de materiales. Se emplea en la construcción de estructuras utilizando como materia prima átomos de carbono, silicio, óxidos metálicos y materiales inorgánicos, en el que se aprovecha la propiedad de los electrones de ser altamente reactivos en estos compuestos, sobre todo en ambientes húmedos, lo que los hace prometedores para la fabricación de dispositivos con capacidad de ensamble y autoensamble. Con base en las propiedades antes citadas existen las tecnologías de los nanotubos, que se aplican a la nanoelectrónica y nanomedicina, los cuales funcionan según el dopaje como aislantes, semiconductores o conductores eléctricos. También se aplica la nanotecnología seca en materiales criogénicos, en dispositivos opto-electrónicos, en construcción de dispositivos de estado sólido y en la construcción de ensambladores y auto-ensambladores moleculares para múltiples aplicaciones industriales. Un resumen apretado es que la “nanotecnología seca” tiene que ver con los usos químicos para modificar estructuras en carbón y en otros materiales inorgánicos.

Por su parte la nanotecnología húmeda cuenta con un desarrollo que está dirigido básicamente a la investigación de sistemas biológicos o vivientes que son gobernados a escala nanométrica, tales como el material genético, enzimas, hormonas, proteínas y componentes celulares en general. Se ha comenzado a producir nanomáquinas basadas en proteínas, al igual que el uso de material genético para formar enzimas, las cuales son de por sí máquinas capaces de construir o deshacer moléculas. Estas investigaciones se promueven en la dirección de crear circuitos y computadoras moleculares, al igual que promover nuevas disciplinas científicas de alto rango, tales como la nanobiotecnología y la nanobiología entre otras. Un resumen de la nanotecnología húmeda menciona que la misma es muy similar a la biotecnología, involucra la manipulación de enzimas y proteínas, de uso generalmente medicinal.

Para completar la clasificación se encuentra la nanotecnología computacional, en la misma se encuentran la computación cuántica y la computación orgánica o molecular, conocida también como computación del ácido desoxirribonucleico. Este tipo de nanotecnología abarca los campos de simulación y modelado de nanoestructuras complejas, como son nanocircuitos y nanotransistores, electrónica flexible y espintrónica. En síntesis la nanotecnología computacional involucra la creación de nanoestructuras para dispositivos de computadoras, estos podrían ser nanotransistores y otras variedades de dispositivos de tipo binario.

Combinando la nanotecnología seca y húmeda, por medio de técnicas nanométricas, se plantea la construcción de los ensambladores moleculares, que son máquinas moleculares que construyen o ensamblan de abajo arriba bloques de moléculas para formar productos. Por ejemplo, máquinas moleculares para tareas específicas o para repetir la misma función que su progenitor, que a su vez crearán otras mayores. Este proceso sigue hasta que las máquinas de ensamblaje configuren el producto final, utilizando como única materia prima cantidades amorfas de los átomos necesarios. Se plantea que estructuras como edificios sean construidos por nanorobots capaces de autorreplicarse, de tal manera que creen y ensamblen estructuras usando elementos del entorno. Lo que garantiza el uso racional de materia prima. Dicho principio sería aplicado a los alimentos, naves espaciales, vehículos, electrodomésticos, eliminación de residuos, drogas, órganos y tejidos artificiales, reparación del cuerpo humano desde adentro, reparación de la capa de ozono, entre otras.

Estos tipos de nanotecnología convergen en dos objetivos principales, el primero el control en la dinámica de los átomos y lo más espectacular, la auto duplicación. El primero aparenta ser obvio, si se está construyendo cosas a una escala atómica, se necesita tener precisión y control sobre cada átomo para lograr un producto exitoso. Esto significa que es posible colocar un átomo específico en el lugar que se quiera y en la posición que se requiera. La precisión con que se realiza esto se mide en angstroms, que equivale a diez elevado a la menos diez metros. Los métodos y herramientas para realizar esto se encuentran aún en discusión. La parte que se refiere a la duplicación es un poquito más compleja. La meta de la duplicación es ahorrar tiempo y dinero para que se tenga un dispositivo que clone tanto cosas como a sí mismo. Los ejemplos más cercanos se los tiene en el transportador y el duplicador de alimentos de la serie de ciencia ficción “viaje a las estrellas”. El procedimiento de este duplicador sería similar a la forma en la que lo hace la naturaleza, clonando diversos tipos de célula hasta formar algo. En el caso de la nanotecnología seca, podrían ser cosas que se autoformen de manera que conformen materiales nuevos o repliquen los ya conocidos. La nanotecnología computacional podría aplicarse en programas para crear tanto hardware como software, la forma de hacer esto todavía está en discusión. De todos modos la cuestión central es la manipulación de la biología y la química de tal manera que se pueda crear “en forma natural” la naturaleza que rodea al ser humano de acuerdo a las crecientes necesidades con las que cuenta a momento.

Guillermo Choque Aspiazu
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Enero 10 de 2011
Nanotecnología avanzada

Nanotecnología avanzada

La nanotecnología o tecnología de lo pequeño se conoce también como tecnología atómica o tecnología gris. Esta disciplina trabaja a escalas del orden de una milésima de millonésima de metro, y está enfocada a diseñar, controlar y modificar materiales orgánicos e inorgánicos, a través de la miniaturización de componentes a rangos del nivel de un submicrón hasta niveles de átomos individuales o moléculas. Con la nanotecnología se plantea en un futuro no muy lejano crear sistemas nanoscópicos que permitan ensamblar o autoensamblar estructuras moleculares usando como materia prima elementos del entorno, lo que ocasionará que a medida que se vaya reduciendo la escala de trabajo de los dispositivos, los efectos cuánticos serán cada vez más importantes. Esta tecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicados al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Se tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un nanobot de unos cincuenta nanómetros tiene el tamaño de cinco capas de moléculas o átomos, dependiendo de qué esté hecho el nanobot.

Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. La nanotecnología 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 también a nano escala. Cuando se maneja la materia a escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

La nanotecnología avanzada, en ocasiones también llamada fabricación molecular, es un término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas, que constituyen máquinas a escala nanométrica, las cuales operan a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependiendo de cómo estén esos átomos dispuestos. Así por ejemplo, si se reubica los átomos del grafito, compuesto principalmente por carbono, de la mina del lápiz se podrían hacer diamantes, cuya composición básica es carbono puro cristalizado. Si se reubica los átomos de la arena, compuesta básicamente por sílice y se agrega algunos elementos extras se consiguen los chips de una computadora.

A partir de los incontables ejemplos encontrados en la biología se sabe que miles de millones de años de retroalimentación evolucionada pueden producir máquinas biológicas sofisticadas y estocásticamente optimizadas. Se tiene la esperanza que los desarrollos en nanotecnología harán posible su construcción a través de algunos significados más cortos, quizás usando principios biomiméticos. Sin embargo, el investigador K. Eric Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizá inicialmente implementada a través de principios miméticos, finalmente podría estar basada en los principios de la ingeniería mecánica.

Determinar un conjunto de caminos a seguir para el desarrollo de la nanotecnología molecular es un objetivo para el proyecto sobre el mapa de la tecnología liderado por Instituto Memorial Battelle, el principal de varios laboratorios nacionales de Estados Unidos, y del Instituto Foresigth. La fabricación molecular ofrece esperanza para una capacidad de respuesta mucho mayor por parte de los servicios humanitarios y para aliviar de forma más rápida el sufrimiento de las poblaciones afectadas por desastres naturales. El proyecto ofrece el siguiente escenario hipotético: “Dentro de unos años un pueblo en una región agraria aislado en un país pobre queda destrozado completamente por inundaciones, dejando a cinco mil familias sin casa, sin su medio de vida y sin agua potable. Hoy en día un acontecimiento de este tipo ofrecería todos los ingredientes de un desastre humanitario de gran escala. Pero dentro de unos años, y gracias a la fabricación molecular, una de las especialidades más controvertidas dentro de la investigación y avances del campo de la nanotecnología, solo con unos cuantos vuelos de un helicóptero se podría resolver la situación. Miles de avances tecnológicos ya han desarrollado materiales de ayuda más compactos y eficaces. Pero al avance tecnológico más importante hasta ahora es la nano-fábrica portátil que, con la utilización de materiales locales puede construir una amplia variedad de suministros humanitarios. El entorno es cómodo aunque extraño. Cuando las tierras se secan, se reconstruye poco a poco el pueblo. Casas vacías se desinflan y se queman. Los restos son utilizados por las plantas químicas. Se quema la mayoría de las nano-fábricas, aunque no todas. Algunos de los habitantes siguen cultivando en los invernaderos, y se guardan algunas nano-fábricas por si algún día vuelva a ocurrir un desastre. Este escenario describe el enorme y atractivo potencial humanitario de la nanotecnología. Para ello es necesario, y deseable, una gestión responsable de la nanotecnología y la fabricación molecular.

La fabricación molecular es el uso futuro hipotético de “ensambladores” reprogramables a nanoescala para construir productos átomo por átomo. Un ensamblador molecular es un manipulador robótico a nanoescala capaz de poner los átomos individuales, por ejemplo de carbono, en una superficie con precisión atómica. Un ensamblador molecular, para ser útil a los seres humanos, tendría que ser capaz de hacer copias de sí mismo. De lo contrario, sería demasiado largo para un ensamblador para crear algo de considerable tamaño o valor. Si una gran variedad de ensambladores podrían generarse en un ambiente de cooperación, se podría construir productos macroescala con precisión atómica, utilizando un proceso completamente automatizado con un alto rendimiento. Esto es bastante significativo que, si se superan los obstáculos técnicos, la tecnología podría lanzar otra Revolución Industrial, probablemente más transformadora que las dos primeras juntas.

Por otra parte los ensambladores moleculares y la fabricación molecular no son nada nuevo. Se tiene miles de millones de ellos al interior del organismo humano: orgánulos llamados ribosomas. Trabajando en gran número, los ribosomas sintetizan todas las proteínas en cada organismo en la naturaleza, desde los microbios extremófilos a la ballena azul. Su diseño básico es el mismo, porque todos los seres vivos evolucionaron de un ancestro común que ya tenía la maquinaria de síntesis de proteínas básicas en el lugar. Por supuesto, los ribosomas son también auto-replicantes.

Si un ensamblador molecular inorgánico fue creado con la capacidad de hacer copias de sí mismo, podría crear una nueva forma de “vida”, aunque sea un tipo controlado directamente a través de una aplicación de software. Esta idea ha sido llamada fabricación molecular, y algunos de los detalles técnicos para su funcionamiento ya fueron elaborados. Los teóricos diseñaron objetos a nanoescala físicamente viables, tales como: engranajes, motores, baterías, cables, barras, clasificadores, ejes, y muchos más. Algunos de estos dispositivos a nanoescala ya han sido fabricados, otros están activamente en diseño y desarrollo.

Los productos manufacturados están hechos de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén organizados estos átomos. Como se comentaba al inicio, si se reorganiza los átomos del carbón, se obtienen diamantes. Si se reorganiza los átomos de la arena, y se agrega una pizca de impurezas, se obtiene chips de computadora. Si se reorganiza los átomos de la tierra, el agua y el aire, se obtiene pasto. Desde que se empezaron a hacer herramientas de piedra y cuchillos de pedernal, se han organizando los átomos en enormes “manadas estadísticas” por medio de procesos tales como la fundición, el molido, el triturado, el astillado, y otros. Alrededor de primera década del siglo veintiuno es posible hacer más cosas, a costos más bajos, y con mayor precisión que nunca. Pero a escala molecular se continúa produciendo grandes pilas desordenadas de átomos.

Esto está cambiando. En casos especiales es posible arreglar los átomos y las moléculas exactamente como desea el diseñador. Los análisis teóricos muestran claramente que se puede hacer mucho más. Algún día el ser humano debería ser capaz de arreglar y re-arreglar los átomos y las moléculas tal como se arreglarían bloques de Lego. Dentro de no muchas décadas debería contarse con una tecnología de manufactura capaz de: (1) Fabricar productos con casi todos los átomos en el lugar correcto. (2) Hacerlo en forma barata. (3) Hacer la mayoría de los arreglos de los átomos consistentes con las leyes de la física. La llamada nanotecnología, nanotecnología molecular o fabricación molecular, permitirá fabricar la mayoría de los productos de tal manera que sean más livianos, más fuertes, más inteligentes, más baratos, más limpios y más precisos.

Guillermo Choque Aspiazu
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Octubre 4 de 2010
Nanocomputadoras

Nanocomputadoras

La capacidad de asombro siempre se ve rebasada por el incontenible avance tecnológico, que día con día se está experimentando en todos los campos del conocimiento, en una auténtica implosión de comienzos de milenio, como ocurrió hace más de cien años en las postrimerías del siglo diecinueve, cuando invenciones transformadoras como el teléfono, el automóvil, la electricidad y la aviación cambiaron las vidas de las personas y las formas de relaciones y de producción de conocimiento. En los primeros años de este milenio, un conjunto de nuevas tecnologías concebidas a escalas nanométricas parece anunciar lo que será la próxima revolución industrial, la de la manufactura molecular y la de la manipulación de átomo por átomo para crear nuevas estructuras, materiales y componentes que conducirán hacia los ensambladores universales, las nanocomputadoras, los nanorrobots, las máquinas autorreplicantes y toda una nueva generación de productos. Para comprender el impacto futuro de las nanotecnologías es necesario ubicar la escala del nanómetro, que es igual a un billonésimo de metro mucho, mucho más pequeño que un milímetro o una micra, comprensible en los ámbitos de los átomos y las moléculas.

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicados al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. La nanotecnología promete soluciones vanguardistas y más eficientes para los problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados por la humanidad. Las nanotecnologías prometen beneficios de todo tipo, desde nuevas aplicaciones médicas o más eficientes a soluciones de problemas ambientales y muchos otros; sin embargo, el concepto de nanotecnología aún no está socialmente muy difundido.

Una nanocomputadora es una computadora con una circuitería tan pequeña que sólo puede verse a través de un microscopio. Las nanocomputadoras pueden ser electrónicas, donde la nanolitografía se usa para crear los circuitos microscópicos, bioquímica u orgánica. Las nanocomputadoras se componen de materiales a nivel molecular y son la promesa de crear computadoras cada vez más pequeñas y rápidas, un concepto que es bastante importante en el mundo de la computación. Comparado con las micro computadoras actuales, la principal ventaja de los nanocomputadoras es la alta densidad de integración de circuitos, bajo consumo de energía, mayor velocidad de cómputo y grandes capacidades de cálculo paralelas y distribuidas

Los catenanos son estructuras formadas por la interconexión de dos o más macrociclos para formar una especie de cadena, con cada macrociclo tomando el papel de un eslabón. Los rotaxanos son estructuras con una molécula en forma de mancuerna rodeada en el centro por un macrociclo. Los primeros catenanos y rotaxanos fueron sintetizados en la década de 1960, pero no fue sino hasta hace unos años que se empezaron a considerar estas estructuras como posibles fuentes de una aplicación importante. Al principio, la síntesis de este tipo de estructuras era muy difícil ya que se utilizaban únicamente fuerzas intermoleculares e interacciones ácido-base para dirigir la reacción. Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de impedimentos ya que se han diseñado métodos de síntesis que incorporan metales de transición para dirigir la reacción.

La idea de producir motores moleculares con este tipo de estructuras proviene del estudio del mecanismo de la contracción muscular. En las células musculares existen arreglos en forma de fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de actina. El movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos impulsado por la hidrólisis del ATP. Haciendo una analogía con esta función biológica, se han preparado estructuras moleculares que presenten este tipo de movimiento. Uno de los sistemas más prometedores son los polipirroles que permiten doblar un polímero sólido en una dirección u otra dependiendo de la corriente eléctrica aplicada.

Los rotoxanos se basan en el mecanismo de los sarcómeros del músculo, y el ciclo central no permite que la cadena en forma de mancuerna se deslice completamente fuera del sistema. Sin embargo un método químico interesante consiste en el intercambio de centros metálicos en un catenano. Para esto es importante que los ciclos tengan varios átomos donadores. Es posible intercambiar un ion metálico con un número de coordinación por otro con mayor número de coordinación. Esto produce un movimiento de estiramiento y contracción.

La promesa de esta tecnología se ha manifestado en la industria de la computación. La naturaleza móvil tanto de los rotaxanos como de los catenanos hace que se comporten como interruptores moleculares, lo cual implica una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Se ha pensado en ocupar estas moléculas para producir chips muy pequeños, donde los rotaxanos actúen como transistores. También se están desarrollando aplicaciones en las que funcionen como sistemas de almacenamiento de información para producir computadoras moleculares. De igual forma pueden ocuparse como sensores moleculares. Este tipo de aplicaciones se han trabajado ampliamente en los últimos años y se ha hecho un gran avance, pero aún es muy temprano para asegurar su efectividad y si serán capaces de cumplir las expectativas que han generado.

Científicos de los laboratorios Hewlett-Packard en Palo Alto, California y en la Universidad de California en Los Ángeles se encuentran desarrollando computadoras muy, muy pequeñas. Tanto como que una de ellas cabria en un grano de arena. Estas nuevas computadoras son, en realidad, moléculas. En el mundo de la computación es conocido que todas las computadoras están basadas en un interruptor de encendido-apagado. Los científicos, para las nanocomputadoras, han desarrollado un rotaxano que actúa como tal interruptor: El rotaxano es “insertado” entre dos cables cruzados. Cuando la molécula está en la posición de “apagado”, un electrón puede brincar desde un cable hasta la molécula y luego desde esta hasta el otro cable. Como el viajero que se vale de un puente para cruzar un rio. Imagine que el puente fuese móvil: para crear la posición de “encendido” los científicos aplican un campo eléctrico entre los cables. Entonces, el electrón ya no puede brincar tan fácilmente. El puente ya no está allí.

Los científicos también están tratando de crear cables más pequeños para ser usados con estas nuevas moléculas. Han estirado tubos de carbono hasta formar hilos delgados de un nanómetro de ancho. Diez mil veces más finos que un cabello, son el resultado del arrollamiento de capas de átomos de carbono distribuidos en el espacio según la estructura hexagonal típica de su sistema cristalino. Estos científicos planean introducir capas de moléculas de rotaxano en el interior de computadoras ultra potentes. Las nuevas computadoras serán mucho más pequeñas y varios miles de veces más rápidas que las que se usan en la actualidad. También serán más económicas. Se llaman “nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas”. Se cree que los científicos necesitarán algunos años más para fabricar la primera nanocomputadora electrónica químicamente ensamblada. Y pocos años después podrán venir ya las primeras nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas a la venta para todo el público.

Uno de los grandes retos a los que se enfrentan los científicos en la actualidad es que cada molécula de rotaxano sólo puede ser usada una vez. Por ello, sirve únicamente para almacenar información en la “memoria de sólo lectura”. Un ejemplo de memoria memoria de sólo lectura es la utilizada para guardar en soporte de disco compacto una enciclopedia. Puede ser leída pero no modificada. La molécula de rotaxano no puede ser usada para almacenar datos en la memoria de la computadora que se cambia una y otra vez: la “memoria de acceso aleatorio” usada en procesadores de texto. Los científicos están tratando de desarrollar una molécula que pueda utilizarse cuantas veces sea necesario.

Estas computadoras microscópicas, incorporadas por ejemplo al torrente sanguíneo de una persona, podrían identificar bacterias que no son mayores que ellas. Así se conocerían los fármacos específicos para combatir infecciones. Una entre miles de posibilidades. Phil Kuekes es un arquitecto de computadoras Hewlett-Packard y un investigador de nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas. Eventualmente, dice, “las computadoras serán tan pequeñas que ni siquiera las notaremos. La computadora no estará solamente en un reloj de pulsera; estará también en las fibras de la ropa que visten las personas”.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Abril 5 de 2010

Nanotecnología para dispositivos moviles

Nanotecnología para dispositivos moviles

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas, dedicada al control y manejo de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. Lo más habitual es que tal manejo se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Para hacerse una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot, más o menos uno de cincuenta nano metros tiene el tamaño de cinco capas de moléculas o átomos. Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinario, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.

Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro. Para comprender el potencial de esta tecnología resulta factor clave saber que las propiedades físicas y químicas de la materia cambian a escala nanométrica, lo cual se debe a efectos cuánticos. La conductividad eléctrica, el calor, la resistencia, la elasticidad, la reactividad, entre otras propiedades, se comporta de manera diferente que en los mismos elementos a mayor escala. Las nanotecnologías prometen beneficios de todo tipo, desde aplicaciones médicas nuevas o más eficientes a soluciones de problemas ambientales y muchos otros; aunque en las investigaciones actuales con frecuencia se hace referencia a la nanotecnología, en forma de motores moleculares, computación cuántica, etcétera, siendo discutible que la nanotecnología sea una realidad hoy en día. Los progresos actuales pueden calificarse más bien de nanociencia, cuerpo de conocimiento que sienta las bases para el futuro desarrollo de una tecnología basada en la manipulación detallada de las estructuras moleculares

Uno de los aspectos más interesantes del teléfono celular es que es solamente un radio, extremadamente sofisticado, pero un radio a fin de cuentas. El teléfono fue inventado por Alexander Graham Bell en el año 1876, y la comunicación inalámbrica tiene sus raíces en la invención del radio por Nikolai Tesla en la década de 1880. El radio fue formalmente presentado en 1894 por un joven italiano llamado Guillermo Marconi. Era de esperarse que un día ambas tecnologías fueran combinadas en un mismo aparato. En la época predecesora a los teléfonos celulares, la gente que realmente necesitaba comunicación móvil tenía que confiar en el uso de radio-teléfonos en sus autos. En el sistema radio-telefónico, existía sólo una antena central por cada ciudad, y probablemente veinticinco canales disponibles en la torre. Esta antena central significaba que el teléfono en el vehículo requeriría una antena poderosa, lo suficientemente poderosa para transmitir a cincuenta o sesenta kilómetros de distancia. Esto también significaba que pocas personas podrían usar estos radio-teléfonos, debido a que no existían suficientes canales para conectar los mismos.

Los primeros sistemas de telefonía móvil civil empiezan a desarrollarse a partir de finales de los años 1940 en los Estados Unidos. Estos sistemas de radio analógicos utilizaron en el primer momento amplitud modulada y posteriormente frecuencia modulada. Se popularizó el uso de sistemas de frecuencia modulada gracias a su superior calidad de audio y resistencia a las interferencias. Los primeros equipos eran bastante grandes y pesados, por lo que estaban destinados casi exclusivamente a su uso a bordo de vehículos. Generalmente se instalaba el equipo de radio en el maletero y se pasaba un cable con el teléfono hasta el salpicadero del coche. Una de las compañías pioneras que se dedicaron a la explotación de este servicio fue la americana Bell, con su servicio móvil denominado “Servicio de los Sistemas Bell”. No era un servicio popular porque era extremadamente caro, pero estuvo operando desde el año 1946 hasta el año 1985.

La primera generación de celulares tuvo su origen en el año 1981, cuando el fabricante Ericsson lanza el sistema de “Telefonía Móvil Nórdico” con 450 mega hertz. Este sistema seguía utilizando canales de radio analógicos con frecuencia modulada. Era el primer sistema del mundo de telefonía móvil tal como se la entiende hoy en día. Los equipos de esta primera generación pueden parecer algo aparatosos para los estándares actuales pero fueron un gran avance para su época, ya que podían ser trasladados y utilizados por una única persona. En el año 1986, Ericsson modernizó el sistema, llevándolo hasta el nivel de 900 mega hertz. Esta nueva versión funcionaba prácticamente igual que la anterior pero a frecuencias superiores, esto posibilitó proporcionar servicio a un mayor número de usuarios y avanzar en la portabilidad de los terminales. Además del sistema de telefonía móvil nórdico, en los años 1980 se desarrollaron otros sistemas de telefonía móvil tales como: El “Sistema de Telefonía Móvil Avanzada” y los “Sistemas de Comunicación de Acceso Total” en los Estados Unidos.

La segunda generación data tiene su inicio, a mediados de los años 1990. Esta generación utiliza sistemas tales como los “Sistemas Globales para Móviles”. Las frecuencias utilizadas en Europa fueron de 900 y 1800 mega hertz. El desarrollo de esta generación tiene como piedra angular la digitalización de las comunicaciones. Las comunicaciones digitales ofrecen una mejor calidad de voz que las analógicas, además se aumenta el nivel de seguridad y se simplifica la fabricación del terminal (con la reducción de costos que ello conlleva. El estándar que ha universalizado la telefonía móvil ha sido el archiconocido “Sistema Global para Comunicaciones Móviles”. Este sistema se trata de un estándar europeo nacido bajo el paraguas de los siguientes principios: (1) Buena calidad de voz, gracias al procesado digital. (2) Itinerancia. (3) Deseo de implantación internacional. (4) Terminales realmente portátiles a un precio asequible. (5) Compatibilidad con la Red Digital de Servicios Integrados. (6) Instauración de un mercado competitivo con multitud de operadores y fabricantes. Realmente, el sistema global para comunicaciones móviles, ha cumplido con todos sus objetivos pero al cabo de un tiempo empezó a acercarse a la obsolescencia porque sólo ofrecía un servicio de voz o datos a baja velocidad y el mercado empezaba a requerir servicios multimedia que hacían necesario un aumento de la capacidad de transferencia de datos del sistema.

La tercera generación nace de la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión de datos para ofrecer servicios como la conexión a Internet desde el móvil, la videoconferencia, la televisión y la descarga de archivos. En ese momento el desarrollo tecnológico ya posibilita un sistema totalmente nuevo: el Sistema de Telecomunicaciones Móviles Universal. Este sistema utiliza la tecnología de “Acceso Múltiple a la División de Código”, lo cual le hace alcanzar velocidades realmente elevadas, de ciento cuarenta kilo bytes por segundo hasta siete punto dos mega bytes por segundo, según las condiciones del terreno.

Entrando en tema, según la revista “Sci-Tech”, investigadores de los Laboratorios Bell de Lucent están desarrollando teléfonos a nano-escala para la “Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada” del Ministerio de Defensa de los Estados Unidos. Estos nano-teléfonos consisten en transmisores de radio cuyo tamaño es igual al diámetro de un pelo humano. Se podría utilizar los transmisores para estudiar procesos dentro de células vivas y medir potenciales químicos, campos eléctricos y presiones. Las declaraciones de David Bishop, vice presidente de Laboratorios Bell, suponen una nueva posibilidad para reducir el tamaño de la tecnología existente a su límite práctico. Las partes de los teléfonos celulares que ayudan a enviar y recibir datos representan los componentes más costosos y los que más energía consumen. Según Bishop, con la nanotecnología se pueden reducir costos, aumentar la funcionalidad y disminuir el consumo de energía de manera drástica. Los amplificadores de frecuencia de radio utilizados en los teléfonos celulares son filamentos de tungsteno calientes cuya eficiencia de potencia llega al diez por ciento. El objetivo de las investigaciones actuales es sustituir estos filamentos, que consumen mucha potencia de la batería, con conjuntos de nanotubos de carbón cultivados en platos de silicio que actúen como tubos al vacío altamente eficientes que emiten electrones.

Algunas investigaciones que se están desarrollando, en el campo de la nanotecnología para dispositivos moviles, incluyen: (1) Micro-micrófonos para mejorar la filtración de interferencias y la recepción de sonidos deseados. Los micro-micrófonos desarrollados por Bell Labs incorporan membranas de silicio y otros materiales compuestos. (2) Lentes líquidas que son apretadas entre platos transparentes pintados con nano-capas que permite el movimiento del líquido sin viscosidad permitiendo que la lente pueda transformar para que mantenga su objetivo enfocado. (3) Baterías inteligentes fabricadas con nanotubos de silicio. (4) Nano-brújulas que, una vez conectadas con sistemas de posicionamiento global, permitirán utilizar el teléfono para detectar la localización exacta y utilizar servicios que indican las direcciones para llegar de un sitio a otro. (5) Nanosensores para que el teléfono móvil detecte la presencia de productos químicos en el ambiente.

 

Guillermo Choque Aspiazu
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Octubre 26 de 2009
Nanoscopios

Nanoscopios

La nanotecnología tiene la habilidad de trabajar con nanómetros, una escala bastante minúscula considerando que un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro; esta tecnología tiene numerosas posibilidades, además en el campo de alimentación, en el de la medicina o de la electrónica. La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería capaz de crear máquinas extremadamente pequeñas, de medida nanométrica, a partir del manejo individual de átomos y moléculas. Un nanómetro es mil millones de veces inferior a un metro, es decir, como una pulga en un espacio diez mil veces más. La escala de trabajo de la nanotecnología es tan pequeña que permitiría coger una pulga y tatuarle en el lomo el escudo del equipo de futbol “Bolívar” por ejemplo. Esto es el que se conoce como nanolitografía, una técnica que permite “pintar” objetos empleando el microscopio como si fuera un pincel y los átomos o moléculas como si fueran tinta.

Una posibilidad para fabricar elementos en nanotecnología es utilizar herramientas destinadas inicialmente a la observación microscópica avanzada, como lo son: el “microscopio de barrido por efecto túnel” y “microscopio de fuerza atómico. Se ha demostrado en la práctica cómo estos instrumentos, o variantes de ellos, adicionalmente a su función como microscopios, pueden utilizarse para mover átomos a voluntad y construir así algunas estructuras diseñadas. Otra manera de construir nanosistemas es en aprovechar la tendencia natural al autoensamblaje que tienen ciertas moléculas. Un ejemplo de esto es la formación de pequeños esferoides, denominados “Liposomas”, que se pueden formar gracias a que ciertas moléculas de lipofosfatos poseen una forma cilíndrica con un extremo hidrófilo y el otro hidrófobo, lo cual hace que al estar en un medio acuoso los extremos repelidos por el medio tienden a enfrentarse, de manera que un grupo de tales moléculas puede terminar por organizarse en esferas con los extremos hidrófilos hacia el exterior, en contacto con el medio acuoso. Autoensamblajes como el descrito se basan en fuerzas de origen eléctrico, en tensión superficial y fenómenos termodinámicos y afines. Sin embargo, la biología, en el desarrollo de los organismos utiliza un autoensamblaje diferente basado en la codificación genética presente en el ácido desoxirribonucleico. Existe la esperanza de que los avances en la comprensión y manipulación de procesos genéticos algún día permitirán copiarle a la biología sus métodos de autoensamblaje codificado para el desarrollo de nanosistemas complejos.

Un microscopio es cualquiera de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para obtener una imagen aumentada de objetos minúsculos o detalles muy pequeños de los mismos. El interés por el estudio de la materia a escalas pequeñas, más allá de lo que permite la visión humana, es muy antiguo. Diversos descubrimientos arqueológicos revelan el uso de lentes planos, convexos y biconvexos tres mil años antes de Cristo en la Antigua Mesopotamia. En sus manuscritos, Séneca, el filósofo romano, habla de “cristales aumentadores” y unos siglos más tarde, en el año 1590, los ópticos holandeses Hans y Zacharias Janssen se encargaron de fabricar el primer microscopio compuesto que aumentaba la imagen un máximo de diez veces. A partir de esa fecha, la lista de inventores de microscopios se fue ampliando. A mediados del siglo diecisiete el holandés Anton van Leeuwenhoek visualizó glóbulos rojos, bacterias y espermatozoides con microscopios que lograban doscientos setenta y cinco aumentos.

El denominado ‘”microscopio de barrido efecto túnel”, forma parte de los instrumentos llamados “nanoscopios” ya que posibilitan la visualización de objetos del tamaño de nanómetros y aún menores. Los físicos G. Binning y H. Rorher, del laboratorio de IBM en Zürich, desarrollaron en el año 1981 el microscopio de efecto túnel, que permitió observar por primera vez los átomos de forma individual. Pocos años después, estos investigadores presentaron a la comunidad científica el microscopio de fuerzas atómicas, con el que fue posible observar muestras de tipo biológico con una resolución que hasta entonces no había sido posible. El año 1986 Binning y Rorher fueron galardonados con el premio Nobel de Física. Como su nombre indica, el microscopio de efecto túnel basa su funcionamiento en un efecto bien conocido en mecánica cuántica denominado “efecto túnel”, quizá uno de los más encantadores y sorprendentes resultados de esta teoría que tantos éxitos está cosechando. Se debe recordar que la idea básica de la mecánica cuántica es que las partículas en sí, como un electrón por ejemplo, no están ubicadas exactamente en un lugar, sino que pueden interpretarse como una onda más o menos extendida, no pudiéndoseles atribuir una posición puntual, sino un conjunto de posiciones en las cuales la partícula podría encontrarse, algunas más probables que otras. Semejante ubicuidad permite cosas que hubieran horrorizado a cualquier físico pre-cuántico, como por ejemplo, que un electrón pueda, siempre con cierta probabilidad, escapar de un átomo, remontando las poderosas cadenas electromagnéticas que lo amarran a él, como si hubiera practicado un “túnel” a través de la barrera de potencial que lo mantiene confinado; y de ahí el nombre de “efecto túnel”.

Así, el microscopio de efecto túnel saca partido de este juego de magia de la Naturaleza. Pero, ¿cómo lo hace?, el principio es bastante sencillo: Una punta conductora extremamente afilada, denominada “sonda”, se acerca a una distancia muy corta, algo así como unas diez millonésimas de milímetro, de la superficie de una muestra conductora o semiconductora a observar; es decir se sitúa muy cerca pero sin tocarla. Para lograr esto la punta se monta en piezoeléctricos, que son materiales que, con una pequeña variación de tensión, se expanden o se contraen en décimas de Amstrong, siendo el Amstrong diez elevado a menos diez metros. Entre la punta y la superficie a observar reina el más estricto vacío y una pequeña diferencia de potencial eléctrico. Los electrones de la superficie del metal, debido a su ubicuidad cuántica, pueden, con cierta probabilidad, abandonar los átomos de origen y ser atraídos hacia la sonda, donde son detectados. Se habla de “corriente de efecto túnel” para designar a estos electrones que escapan de la muestra hacia la sonda. Resulta además que la intensidad de esta “corriente túnel” depende de la distancia entre la sonda y la superficie a analizar, de modo que las variaciones de intensidad denotan variaciones de distancia superficie-sonda, y así, se puede ir estableciendo los valles y montañas de la superficie que se está analizando, esto es, su relieve.

Todo el proceso está controlado en todo momento por una computadora donde se almacenan finalmente los datos y la imagen de la muestra. Cabe destacar que, debido precisamente a esa “deslocalización” que caracteriza a las partículas en mecánica cuántica, en cada punto de la imagen obtenida, no se observa un “estado electrónico” sino una mezcla de estados electrónicos, con energías diferentes, de todos los estados de esa banda. Con todo ello, la resolución del microscopio de efecto túnel es espectacular: menos de un décimo del radio promedio de un átomo. Así, esta nueva microscopía ha permitido obtener mapas bastante precisos de superficies de metales o de semiconductores, en los que cada átomo puede distinguirse de su vecino; ha proporcionado también imágenes atómicas de moléculas de ácido desoxirribonucleico, de extrema importancia en genética; e incluso ahora se está en la capacidad de mover átomos individuales colocándolos a gusto del usuario, donde él quiera. Ello posibilita, por ejemplo, la grabación de datos a una densidad, de bits por centímetro cuadrado, sin precedentes. Los microscopios de fuerza atómica también son capaces de reconstruir tal relieve pero no hacen acopio del efecto túnel sino de la fuerza electromagnética entre la sonda y los electrones de la muestra a analizar: la sonda entra en contacto con la muestra y detecta los efectos atractivos o repulsivos de las fuerzas atómicas. La resolución es similar al del efecto túnel pero se utiliza para materiales no conductores, como la mayoría de las muestras biológicas.

Hasta hace unos años la nanotecnología estaba restringida al campo exclusivamente científico, pero poco a poco se está convirtiendo en una promesa económica que atrae a gobiernos, inversores de capital de riesgo y grandes multinacionales. La nanotecnología, aún cuando la mayoría de las personas no son conscientes de sus posibilidades, está ya presente en muchos de los objetos cotidianos que rodean a los seres humano: en los discos duros de las computadoras, en algunas partes de los automóviles, en las gafas de sol, en los pintalabios, en algunas herramientas para cortar metales, en vendas antibacterianas, en ventanas autolimpiables, etc. Poco a poco se abre paso hacia los hogares y su impacto social puede llegar a ser tan revolucionario como la aparición de la máquina de vapor o el nacimiento de Internet.

 

Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Julio 20 de 2009

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