La Nanotecnologia

Carlota Bailo

1 BATX B

Treball CMC

Índex

1. Què és la nanotecnologia?

2. Història de la nanotecnologia

3. Aplicacions de la nanotecnologia

- La medicina

- El medi ambient

- L’energia

- Informació i comunicació

- La indústria pesant

- Els béns de consum

4. Conclusió

1. Què és la nanotecnologia?

La nanotecnologia és qualsevol procediment, indistintament de la branca de la ciència que la treballi, la manipulació de matèria a una escala menor que un micròmetre és a dir, al nivell d'àtoms i molècules, coneguts com a nanomaterials. El més habitual és que aquesta manipulació es produeixi en un rang d'entre un i cent nanòmetres, el nanòmetre és la unitat de longitud que equival a una mil milionèsima part d'un metre. A aquesta escala tan diminuta varien les propietats físiques normals i la matèria es torna més “manejable”, per dir-ho d’alguna manera. Per exemple, els nanotubs de carboni són 100 vegades més forts que l'acer i sis vegades més lleugers. 

Hem de tenir en compte que ens equivoquem si pensem que la nanotecnologia és una ciència en si, ja que abasta diferents camps de la ciència com ara la medicina, la enginyeria, la bioquímica o la informàtica. Donat que es troba en diferents camps de la ciència té moltes aplicacions possibles però totes van encaminades cap a la solució pràctica de problemes de la vida quotidiana del homes d’avui en dia.

2. Història de la nanotecnologia

La nanociència està unida en gran mesura des de la dècada dels 80 amb Drexler i les seves aportacions a la"nanotecnologia molecular", és a dir, la construcció de nanomáquines fetes d'àtoms i que són capaces de construir elles mateixes altres components moleculars. Des de llavors Eric Drexler se’l considera un dels majors visionaris sobre aquest tema. En 1986, en el seu llibre "Engines of creation" va introduir les promeses i perills de la manipulació molecular. Però Richard Feynman és el considerat el pare de la "nanociència” ja que va ser el primer en fer referència a les possibilitats de la nanociència i la nanotecnologia en el cèlebre discurs que va donar a Caltech (Institut Tecnològic de Califòrnia) el 29 de desembre de 1959, titulat “En el fons hi ha espai de sobres” i va proposar fabricar productes sobre la base d'un re ordenament d'àtoms i molècules. En 1959, el gran físic va escriure un article que analitzava com els ordinadors treballant amb àtoms individuals podrien consumir poquíssima energia i aconseguir velocitats sorprenents.

Eric Drexler en 1991 va rebre l'únic doctorat del MIT en el camp de la nanotecnologia.

Richard Feynman a Caltech donant el seu discurs.

3. Aplicacions de la nanotecnologia

La nanotecnologia com ja hem comentat abans, comprèn molts àmbits i per tant té moltes aplicacions diferents, una possible classificació dels camps on es treballa seria aquesta:

1. La medicina

El grups d’investigació biològica han aprofitat les propietats úniques dels nanomaterials per diverses aplicacions, la seva grandària és similar a la de majoria de les molècules biològiques o estructures. Les aplicacions més representatives dins de la medicina són les següents:

1.1 Fer diagnòstics : les nanopartícules magnètiques, unides a un anticòs adequat, s'utilitzen per etiquetar molècules específiques, estructures o microorganismes.

1.2 Subministració de fàrmacs : la nanotecnologia ha aportat grans avantatges al camp de la medicina gràcies al lliurament de fàrmacs a les cèl·lules específiques que utilitzen nanopartícules. El consum general de drogues i els efectes secundaris pot disminuir significativament mitjançant el dipòsit de l'agent actiu a la regió mòrbida i de cap dosi major que la necessària. Aquest enfocament tan selectiu redueix els costos i el sofriment humà.Algunes aplicacions potencialment importants inclouen el tractament del càncer amb nanopartícules de ferro o petxines d'or. Un medicament específic o personalitzat redueix el consum de drogues i les despeses de tractament que redueixen els costos tant al pacient com al sistema de salut públic.

1.3 Enginyeria de teixits : la nanotecnologia ajuda a reproduir o reparar el teixit danyat. "L'enginyeria de teixits" fa ús de la proliferació cel·lular estimulada artificialment mitjançant l'ús adequat de nanomaterials basats en andamis i factors de creixement. L'enginyeria de teixits podria reemplaçar als tractaments convencionals d'avui dia com els trasplantaments d'òrgans o implants artificials i podria conduir també a l'extensió de la vida.

Les nanopartícules fluorescents serveixen per marcar tumors i tractar-los, són partícules microscòpiques, de menys d'1 mil·límetre, que arriben de forma directa al tumor, alliberen el fàrmac que porten o el marcador per localitzar al tumor i a més són biodegradables, és a dir es degraden i no deixen productes tòxics per a l'organisme. 

2. El medi ambient

L’ utilització de la fotoquímica en el tractament d'aigües residuals, la purificació d'aire i dispositius d'emmagatzematge d'energia són algunes de les aplicacions que estan en procés de desenvolupament. Els mètodes mecànics o químics es poden utilitzar per a tècniques de filtració efectius. Una classe de tècniques de filtració es basen en l'ús de membranes amb grandàries dels orificis adequats, mitjançant el qual es pressiona el líquid a través de la membrana. La “nanofiltració” s'utilitza principalment per a l'eliminació de ions o la separació de líquids diferents. Les nanopartícules magnètiques ofereixen un mètode eficaç i fiable per eliminar els contaminants de metalls pesats de les aigües residuals mitjançant la utilització de tècniques de separació magnètica. Utilitzant nanopartícules augmenta l'eficàcia per absorbir els contaminants i és relativament barat en comparació dels mètodes tradicionals de precipitació i filtració. Alguns equips de tractament d'aigua que incorporen nanotecnologia ja estan al mercat.

3. L’energia

Durant les últimes dècades, els camps de la ciència i l'enginyeria han estat intentant desenvolupar nous tipus i millorar les tecnologies d'energia per poder millorar la vida de tot el món. Un subcamp important de la nanotecnologia en matèria d'energia és la nanofabricació

L'enginyeria de teixits té com a objectiu desenvolupar substituts per als òrgans i els teixits danyats per la malaltia o pels accidents, evitant els trasplantaments que requereixen un donant humà. Vol aconseguir desenvolupar els teixits a partir de les pròpies cèl·lules del pacient, minimitzant d'aquesta forma el risc de rebuig, de moment tots aquests treballs estan en fase experimental.

S'està portant a terme un projecte per millorar el rendiment de les cèl·lules solars fotovoltaiques utilitzant nanotecnologia, aquesta investigació es realitza en conjunt entre la Fundació per a la Investigació i Desenvolupament en Nanotecnologia i el Centre d'Energies Renovables. Es busca reduir la reflexió en la superfície de les cèl·lules, perquè no hi hagi llum reflectida per mitjà d'estructures de grandària nanomètric i millorar l'absorció de silici perquè la cèl·lula produeixi una major quantitat d'energia.

que és el procés de disseny i creació de dispositius a escala nanomètrica. La creació de dispositius més petits que 100 nanòmetres obre moltes portes per al desenvolupament de noves formes de capturar, emmagatzemar i transferir energia.

Els científics i enginyers ja han començat a desenvolupar formes d'utilitzar la nanotecnologia per al desenvolupament de productes de consum. Avui en dia ja podem observar avantatges com el disseny de productes amb una major eficiència en la il·luminació i la calefacció, una major capacitat d'emmagatzematge elèctric i una disminució en la quantitat de contaminació. Tots aquests beneficis fan que la inversió de capital en la investigació i desenvolupament de la nanotecnologia, sigui essencial.

Les aplicacions més rellevants dins d’aquest camp són:

3.1. Reducció del consum d’energia: una reducció del consum d'energia s’aconsegueix mitjançant una millora dels sistemes d'aïllament, per l'ús d'il·luminació més eficients o sistemes de combustió, i per l'ús de materials més lleugers i més fort en el sector de transport. Actualment les bombetes que s’utilitzen només converteixen un 5% de l’energia elèctrica en llum.

3.2. L'augment de l'eficiència de la producció d'energia: les millors cèl·lules solars tenen diverses capes de semiconductors apilats junts per absorbir la llum a diferents energies, però només aconsegueixen utilitzar el 40 per cent de l'energia del sol. La nanotecnologia podria ajudar a incrementar l'eficiència de conversió de la llum mitjançant l'ús de nanoestructures. En l’actualitat el grau d'eficiència del motor de combustió és d’ aproximadament d’un 30-40%. La nanotecnologia pot millorar la combustió mitjançant el disseny de catalitzadors específics amb una superfície màxima.

3.3. Neteja d'accidents nuclears i l'emmagatzematge de residus: els nanomaterials poden ser útils per a la descontaminació d'un lloc d'un accident nuclear que pot suposar un risc per als humans degut als alts nivells de radiació i partícules radioactives. Els compostos nuclears calents poden contenir bombolles fetes pels nanomaterials que estan dissenyats per aïllar els efectes nocius de l’activitat nuclear que tingui lloc al ambient on viuen els organismes.

4. Informació i comunicació

En aquest camp també hi trobem diferents aplicacions.

4.1. Memòria d'emmagatzematge

4.2. Nous dispositius semiconductors: la resistència d'un material en un camp extern es denomina magnetorresistència (efecte GMR). Aquest efecte pot ser significativament amplificat gràcies als objectes de grandària nanomètrics, per exemple, quan dues capes ferromagnètiques estan separades per una capa no magnètica, que és diversos nanòmetres d'espessor. L'efecte de magnetorresistència ha conduït a un fort increment en la densitat d'emmagatzematge de dades de discos.

4.3. Display: la producció de pantalles de baix consum energètic podria portar-se a terme utilitzant els nanotubs de carboni, aquests són elèctricament conductors i a causa del seu petit diàmetre de diversos nanòmetres, poden ser utilitzats com a emissors de camp amb una eficiència extremadament alta per a pantalles d'emissió de camp (FED).

5. La indústria pesant

Un ús inevitable de la nanotecnologia es dóna en la indústria pesada de les següents maneres:

5.1. Aeroespacial: materials més lleugers i més forts són de gran utilitat per als fabricants d'aeronaus, la qual cosa porta un major rendiment. La nanotecnologia ajudara a reduir la grandària de l'equip i per tant a disminuir el consum de combustible requerit. Les ales delta poden ser reduïdes a la meitat del seu pes, augmentant la seva resistència gràcies a l’ús de materials nanotecnológics.

En els productes de consum es requereixen cada vegada millors prestacions sense que això suposi un augment del preu. Per tant, el repte per als dissenyadors de dispositius és aconseguir millorar les prestacions, en dispositius cada vegada més petits, sense que això augmenti el cost de producció. La nanotecnologia ajuda a la indústria augmentant la miniaturització i superant per exemple els problemes d'escalfament que això comporta.

Els FED Displays estan elaborats amb nanotubs de carboni. Samsung ha estat un dels primers en elaborar pantalles de nanotubs.

L’Airbus A380 és l’avió de passatgers més gran. Una part important de l’èxit tecnològic d’aquest avió és gràcies a l’ús de materials compostos de fibra de carboni, que són força més lleugers que l’alumini i alhora més resistents que el titani, per la qual cosa resulten més adequats per alse normes esforços que han de suportar les ales d’aquests avions gegantins.

5.2. Catàlisi: la catàlisis és la transformació química activada per cossos que en finalitzar la reacció romanen inalterats. La catàlisi és important per a la producció de productes químics. La síntesi proporciona nous materials amb característiques adaptades i propietats químiques. En aquest sentit, la química és una nanociència bàsica. La química forma una base per proporcionar la nanotecnologia a mesurada molècules, polímers, etcètera, així com cúmuls i nanopartícules. Les nanopartícules de platí podrien ser considerades la propera generació de convertidors catalítics d'automòbils degut a que l'àrea superficial molt alta de les nanopartícules podria reduir la quantitat de platí requerida tot i que encara queda bastant per investigar.

5.3. La construcció: la nanotecnologia té la capacitat de que la construcció sigui més ràpida, més barata, més segura i més variada. A més la nanotecnologia en la construcció permet crear estructures avançades per gratacels am un cost molts més menor. En el futur, la nanotecnologia ens permetrà detectar esquerdes en els fonaments de l’arquitectura i enviar nanobots per reparar-los.

5.4. Nanopartícules:

- les nanopartícules d’acer: l’acer és un material àmpliament disponible i té un paper important en la indústria de la construcció. L'ús de la nanotecnologia en acer ajuda a millorar les seves propietats. L'acer de nano-grandària produeix forts cables d'acer que poden estar en la construcció de ponts, aquest cable de material més fort reduiria els costos i el període de construcció, especialment en els ponts. Això requeriria juntes d'alta resistència que condueixen a la necessitat de cargols d'alta resistència

- les nanopartícules de cristall: el vidre és també un material important en la construcció i s’està duent a terme una investigació sobre les possibilitats d’aplicació de la nanotecnologia al vidre.

- Les nanopartícules en els recobriments: els recobriments són un àrea important en els revestiments de la construcció ja que s’utilitzen per pintar parets, portes i finestres. Els recobriments proporcionen una capa protectora unida al material base. La nanotecnologia s'està aplicant a les pintures per obtenir recobriments amb una capacitat de curació i protecció contra la corrosió sota l'aïllament.

Ciment reforçat amb nanotubs de carboni que impedeixen la propagació d'una esquerda (micrografia adquirida amb un microscopi electrònic d'escombratge).

- Les nanopartícules en la protecció i detecció d'incendis: els recobriments també ofereixen sovint una resistència al foc. El nano-cement pot crear un nou model d’aplicació en aquest camp ja que el material resultant pot ser utilitzat com a recobriment dur, durador i resistent a l’alta temperatura i aquesta és una opció més barata que l'aïllament convencional.

5.5. Fabricants de vehicles: igual que la indústria aeroespacial, els materials més lleugers i més forts també són útils per a la creació de vehicles més ràpids i segurs.

6. Béns de consum

La nanotecnologia ja està afectant el camp de béns de consum, el subministrament de productes amb noves funcions que van per exemple des d'augmentar la facilitat de neteja fins a la capacitat de ser resistents a les esgarrapades. Els tèxtils moderns són resistent a les arrugues i a les taques, i la roba s'acabarà convertint en "intel·ligent". Actualment ja s'usa les nanopartícules en diferents productes per millorar-los, especialment en el camp de la cosmètica, on tenen un futur prometedor.

Tot i que les nanopartícules ofereixen moltes avantatges no hem d’oblidar que quan es troben en suspensió a l'aire són tan petites que no poden ser detectades a simple vista i són capaces d'afectar molt visiblement als patrons meteorològics i a la salut humana a tot el món de forma negativa.

BMW està treballant actualment en la fabricació de cotxes que es netegin sols i que recarreguin la bateria quan estan aparcats gràcies a una pintura construïda amb nanopartícules. Gràcies a l'aplicació de la nanotecnologia a la indústria de l'automòbil, els nous prototips estaran dotats de parabrises que regulen la llum i amb retrovisors que redueixen fins a un 80% la llum d'altres vehicles. La nanotecnologia permetrà també dotar als vehicles de nanosensors capaços de detectar molècules de gel en la carretera, i de filtres amb nanoporus que redueixen la contaminació i el consum de combustible.

6.1. Els aliments: la identificació de bacteris i la vigilància d'aliments de qualitat utilitzant biosensors, sistemes d'alimentació intel·ligent i d'embalatge són exemples de noves aplicacions de la nanotecnologia per a la indústria alimentària. La nanotecnologia pot ser aplicada en la producció, processament, la seguretat i l'envasament d'aliments.

6.2. La casa: l'aplicació més important de la nanotecnologia en la llar és l’auto-neteja o "fàcil de netejar" de les superfícies de les ceràmiques o vidres. Les nano partícules de ceràmica han millorat la suavitat i la resistència a la calor dels aparells domèstics comuns, com la planxa.

6.3. L’òptica: les primeres ulleres de sol que usen protecció i recobriments antirreflexius ja estan al mercat. Per a l'òptica, la nanotecnologia també ofereix revestiments de superfícies resistents als rajos de sol sobre la base de nanocompostos.

6.4. Tèxtils: els teixits amb un acabat nanotecnològic es poden rentar amb menys freqüència i a temperatures més baixes.

6.5. Productes cosmètics : un camp d'aplicació és en els protectors solars. Els protectors amb nanopartícules ofereixen diversos avantatges.

La nanotecnologia en l'alimentació permet que gaudim d'aliments més saludables, més resistents i de major durabilitat. No obstant això, tot el que és nou és observat amb cert escepticisme ja que és difícil identificar els nanoaliments existents. Aquests últims mesos la Comissió Europea ha estat estudiant juntament amb científics la possibilitat de regular totes aquelles aplicacions nanotecnològiques relacionades amb l'alimentació.

Investigadors de l'Institut de Bioenginyeria i Nanotecnologia de Singapur han desenvolupat unes lents que s'enfosqueixen en ser exposades a la llum ultraviolada, protegint als ulls contra els nocius rajos, i que tornen al seu estat normal en absència d'aquesta llum gràcies a un nou tipus de polímer enllaçat amb una xarxa de túnels a nanoescala.

6.6. L’agricultura : els principals problemes relacionats amb l'agricultura, com la baixa productivitat de les àrees cultivables, grans àrees no cultivables, el desaprofitament de l’aigua i de productes... poden ser resolts a través de diverses aplicacions de la nanotecnologia.

6.7. Els esports: la nanotecnologia també pot jugar un paper important en els esports com al futbol el beisbol. La nanotecnologia permet crear materials més lleugers per fabricar sabates, també podem trobar al mercat bats de beisbol fets amb nanotubs de carboni. Hi ha diversos articles al mercat que utilitzen nanotecnologia com ara tovalloles o matalassos de ioga.

4. Conclusió

La nanotecnologia com ja hem vist, ens pot aportar milers d’avantatges i millores a la nostra vida quotidiana, però a més a més, ens demostra tant la capacitat dels humans d’anar sempre més enllà, com la importància que té l’estudi de les ciències i matemàtiques. Aquest estudi és el que ens permetrà evolucionar cap al futur que nosaltres decidim. Ara bé, cal tenir en compte cap a on dirigim aquesta tecnologia, si cap a un futur millor o pitjor, i que qualsevol avenç sempre genera discussions i debats sobre quin és el millor ús que li podem donar. Tothom té opinions diferents, especialment els científics que sempre volen anar més enllà però no hem d’oblidar l’opinió de la societat i fer-nos càrrec de que tots tinguem i sapiguem la mateixa informació sobre allò que està succeint i posar sobre la taula tant els pros com els contres per poder decidir bé, ja que en aquesta vida tot té la seva part positiva i negativa.

La nanotecnologia permet que les partícules es redueixin fins a una grandària de 100 nanòmetres. D'aquesta forma són travessats per la llum visibles i no resulten perceptibles per a l'ull humà. A més a més, gràcies a la seva petita grandària totes la partícules s'encaixen i ajusten perfectament unes a les altres i la pell resulta millor protegida.

Els últims avanços en la investigació sobre nanotecnologia afecten de forma important el món de l'esport. L'empresa NanoDynamics té previst vendre una pilota de golf que promet reduir de forma dramàtica els girs i moviments als quals puguin estar subjectes les pilotes durant un partit de golf. L'empresa diu que ha descobert com alterar els materials en una pilota de golf a nivell molecular perquè el pes de dins es mogui menys mentre gira la pilota. Quant menys es mogui, més recte va la pilota.