Prospectiva en nanomaterialesProspectiva en Prospectiva en nanomaterialesnanomaterialesVigenciaVigencia

Algunos hitosAlgunos hitosDesarrollo recienteDesarrollo reciente

(1980 (1980 –– 2005)2005)

ProspectivaProspectiva-- 20152015

NanomaterialesNanomateriales

Publicaciones ycitaciones

La Nt como sistema productivo

Cadena de valorLíneas de investigación

Problemas socialesSectores

Aplicaciones

DOFA FortalezasOportunidades

Mercado US$, productos. Áreas, empleoInversión pública y privada, impactoPatentes

MotoresFrenos

Factores de cambio

Relación de productosy tecnol. con empresas

Instituciones, Univ.y empresas

Inversión públicaCapital de riesgoFinanciación Síntesis

Contaminación, toxicidad, autoreplicación, Problemas éticos, control corporativo, uso militarImpactos

Estado actual Clasificaciones, métodos de fabricación,áreas de investigación, reflexiones

Prospectiva en nanomaterialesProspectiva en Prospectiva en nanomaterialesnanomaterialesVigenciaVigencia

Algunos hitosAlgunos hitosDesarrollo recienteDesarrollo reciente

(1980 (1980 –– 2005)2005)

ProspectivaProspectiva-- 20152015

NanomaterialesNanomateriales

Prospectiva Aproximación clásica (ejemplos)Aproximación por diseño (ejemplo)

TallerProspectiva CENM

Principales avances en

nanotecnología

1,0

1,2

0,30

Fuente: La nanotecnología: la revolución industrial del siglo XXI”, Fundación de la innovación Bankinter, 2006, España.

Microscopio cuántico (STM)

Fuente: www.etcgroup.org

Nanotubos de carbón

Fuente: Nanotubos web site.

• Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad.

• Tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción).

• Los CNTs están ahora disponibles comercialmente en cantidades limitadas parecen destinados a ser los sustitutos del silicio en la electrónica del siglo XXI.

En EEUU existen 20 productores entre medio y mayores, estimándose una producción superior a 2.5 toneladas métricas por día.

Los Fullerenes (carbono 60).

• Son moléculas esféricas aproximadamente 1nm en el diámetro, que contiene 60 átomos del carbono colocados como 20 hexágonos y 12 pentágonos.

• En 1990, fue desarrolla una técnica para producir cantidades más grandes de C60 por resistividad, las varas de grafito en atmósfera de helio ( Krätschmer en 1990).

• Varias aplicaciones se analizan para el fullereno, como • La pelota de ‘miniatura' para lubrificar las

superficies,• Vehículos de entrega de medicamentos • En los circuitos electrónicos.

Diamante

Grafito

El Buckminsterfullerene o C60.

Líneas de investigación en Nanotecnología (primera clasificación: según su uso posible)

Líneas de investigación en Nanotecnología (primera clasificación : según su uso posible)

Nuevas empresas (1980 – 2005)

El punto de inflexión fue en 1996

Nanomateriales y nanobiotecnología son las áreas de mayor desarrollo empresarial

Nuevas empresas (2003)

La mayoría de compañías están en USA y Alemania seguidos por UK, Japón, Israel, Suiza, Canadá y Suecia.

Empresas y Universidades (2003)

Mientras que “start ups” y “Small and Medium Enterprises” son mayoría en USA, Universidades y centros de investigación son mayoría en Europa y Asia

• Se estudiaron 43 firmas comerciales importante en esta industria.

• Existe una mayor comercialización de tecnologías y productos que sirven de base a otros procesos más complejos.

• 5 firmas se dedican a la construcción de microscopios, “software” y otros materiales imprescindibles en el desarrollo de esta temática.

RelaciRelacióón de productos n de productos y tecnology tecnologíías con as con empresas actuales empresas actuales

(2004)(2004)

RelaciRelacióón de productos n de productos y tecnology tecnologíías con as con empresas actuales empresas actuales

(2004)(2004)

Instituciones activas en nanotecnología en Europa (2005)

Inversión privada en USA en Nanotecnología

Capital de riesgo en Nanotecnología

Punto de inflexiPunto de inflexióón en el 2002, n en el 2002, probablemente como resultado de probablemente como resultado de

estudios sobre posibles efectos nocivos estudios sobre posibles efectos nocivos de de nanopartnanopartíículasculas..

Capital de riesgo en nanotecnología(acumulado en 2005)

Los inversionistas son todavía reacios a entrar masivamente en la nanotecnología por la incertidumbre que rodea a esta fase de inicio en que se encuentra. Solo el 9% de los proyectos iniciales respaldados por capital de riesgo han tenido éxito hasta la fecha; el 83% continua operando y el 8% ha fracasado. Los inversionistas de USA inviertes seis veces más que sus colegas europeos.

Fuente: Científica, “¿Where has my money gone?”

Distribución del capital de riesgo por área en el 2005

La mayor cantidad de inversiones de capital de riesgo se estádirigiendo hacia el sector médico y el farmacéutico, así como hacia los de electrónica, química y materiales.

Fuente: Científica, “¿Where has my money gone?”

Control

Reporte de la Royal Society y la Royal Academy of Engineering

Concluye que hay muy poca información sobre el efecto de las nanopartículas en los seres vivos y el medio ambiente

No hay suficiente información sobre cómo se transmite a lo largo de las cadenas alimenticias

Recomienda que las fábricas y los laboratorios de investigación consideren la manufactura de nanopartículas y nanotubos como un proceso de alto riesgo.

Recomienda prohibir el uso de nanopartículaslibres en aplicaciones medio-ambientales

Sobre patentes

Existen diferencias entre los sistemas de patentes norteamericanos y europeos.

Existen diferencias culturales entre unos y otros con respecto al uso de patentes.

La UE está promoviendo la idea de incorporar estudios sobre el impacto de las nanopartículas, nanofibras y nanotubos como parte de estudio de las patentes.

NormalizaciónPresupuesto del Instituto Nacional de Normas y Tecnologia (NIST) del Departamento de comercio de USA • US$ 8 millones en el 2000 • US$ 33,4 millones en 2001• US$ 37,6 millones en 2002• US$ 43,8 millones en 2003

ÁÁreas de trabajo:reas de trabajo:

Creación de normas para aplicaciones en semiconductores, comunicaciones y salud.

Normas y herramientas para la visualización y caracterización a escala nanométrica

A manera de síntesis• Durante la década de los noventa, las publicaciones sobre

Nanomateriales crecieron a un impresionante 27 % anual. • Las patentes crecieron al 7 %, y la cuarta parte de ellas

corresponde a nuevos instrumentos de fabricación y medición. • Más de 30 países poseen programas nacionales en este campo. • El gasto de los gobiernos sobrepaso los 2 billones de USD en el

2002 y el sector privado invierte cifras similares.• La inversión total en el sector de Nanotecnología en todo el mundo

superó los $8.6 billones de dólares en 2004.[http://www.luxresearchinc.com/]

• Se estima que el mercado global de nanotecnología podría llegar a valer $1trillones de dólares durante la próxima década.

• Durante el año 2004, a pesar de haber habido una reducción en inversiones de capital riesgo en el sector de la nanotecnología, un total de 1500 empresas han anunciado su intención de implementar estrategias vinculadas a la nanotecnología. [http://www.luxresearchinc.com/]

• Tres alianzas comerciales han surgido para llevar al mercado losnanoproductos: US Nanobusiness Alliance, Europe NanobusinessAssociation y Asia Pacific Nanotech Forum.

DOFA en nanotecnología (EU)

DOFA en nanotecnología (EU)

Principales fortalezas de USA, Europa y el Sudeste asiático

Fuente: La nanotecnología: la revolución industrial del siglo XXI”, Fundación de la innovación Bankinter, 2006, España.

Oportunidades para los países en vías de desarrollo (panel de expertos)

Los prioritarios para los paLos prioritarios para los paííses en desarrollo son: ses en desarrollo son: agricultura, tratamiento de agua, vector de agricultura, tratamiento de agua, vector de enfermedad y control de deteccienfermedad y control de deteccióón de plagas, n de plagas, almacenamiento y proceso de alimentos.

Fuente: La nanotecnología: la revolución industrial del siglo XXI”, Fundación de la innovación Bankinter, 2006, España. almacenamiento y proceso de alimentos.

Problemas sociales a los que puede aportar la Nanotecnología

•• La escasez de aguaLa escasez de agua es un problema serio y se pronostica que se incrementará. La mayor parte del consumo del agua se utiliza en los sistemas de producción y agricultura, algo que la fabricación de productos mediante la fabricación molecular podría transformar.

•• Las enfermedades infecciosasLas enfermedades infecciosas causan problemas en muchas partes del mundo. Productos sencillos como tubos, filtros y redes de mosquitos podrían reducir este problema.

•• La informaciLa informacióón y la comunicacin y la comunicacióónn son herramientas útiles, pero en muchos casos ni siquiera existen. Con la nanotecnología, los ordenadores reducirían considerablemente su costo.

•• Muchas regiones todavMuchas regiones todavíía carecen de energa carecen de energíía ela elééctricactrica. Pero la construcción eficiente y barata de estructuras ligeras y fuertes, equipos eléctricos y aparatos para almacenar la energía permitirían el uso de energía termal solar como fuente primaria y abundante de energía.

•• El desgaste medioambientalEl desgaste medioambiental es un serio problema en todo el mundo. Nuevos productos tecnológicos permitirían que las personas viviesen con un impacto medioambiental mucho menor.

• La nanotecnología molecular podría fabricar equipos baratos y equipos baratos y avanzados para la investigaciavanzados para la investigacióón mn méédica y la sanidaddica y la sanidad, haciendo mucho mayor la disponibilidad de medicinas más avanzadas.

• Agricultura y alimentación (abonos, plagas, pesticidas)

Sectores de aplicación1,0 1. Energía;

2. Agua;3. Medio ambiente;4. Basuras;5. Salud y medicina;6. Alimentación;7. Protección de animales;8. Agricultura;9. Estilo de vida;10. Electrónica y

telecomunicaciones;11. En procesos industriales;12. Militar.

3,2

0,3

1,3

Materiales que afectarán los estilos de vida

Sectores de aplicación• Electrónica – computación – comunicaciones:

–– Computadoras mComputadoras máás rs ráápidas y eficientespidas y eficientes con nanoprocesadores que consumen menos energía y disminuyen los costos por compuerta.

–– TecnologTecnologííasas inalinaláámbricasmbricas. –– PantallasPantallas planasplanas.–– Dispositivos de almacenamiento de informaciDispositivos de almacenamiento de informacióón mn máás s

ligeros y pequeligeros y pequeññosos con capacidades en el orden de los Tb, mil veces más que hoy. Frecuencias de trasmisión más altas y anchos de banda 10 veces mayores.

–– Sensores Sensores nanomnanoméétricostricos integradosintegrados, más sensibles y confiables, capaces de monitorear simultáneamente varias condiciones con consumo energético mínimo.

Sectores de aplicación

• Aplicaciones en procesos industriales

• Los LUBRICANTES producidos a partir de Nanopartículas esféricas inorgánicas, proporcionan lubricantes más durables que los lubricantes sólidos convencionales con aditivos. Las Nanopartículasreducen la fricción entre metal que aparece a las cargas normales altas, por lo que en vehículos y dispositivos de alto rendimiento implicarían una significativa reducción del costo.

Sectores de aplicación• Militar• En la esfera militar de los países más desarrollados la I+D de los

NANOMATERIALES se encaminan hacia tres campos de actuación bien determinados:

– Mejorar radicalmente en el futuro la supervivencia de los soldados con una alta tecnología de peso ligero. denominada Tecnología CBRE (contra ataque Químico, Biológico, Radiológico, Explosivo)

– Obtener equipamiento mas rápido, mas ligero, mas compacto, de mayor durabilidad de menor consumo, de mayor autonomía

– Obtener armas nucleares de destrucción masiva de 4ta generación, de poco peso, alto poder de penetración bajo tierra, de poca radiactividad remanente y gran efecto destructivo.

• En estas investigaciones se vinculan tres tipos de NANOMATERIALES: – Nanotubos (CTN)– Nanocristales ( QDs)– Nanoparticulas

Uso militar (uso de nanotubos)– Un tejido que contiene un 50% de Nanotubos de carbono en su urdimbre,

permite la confección de un chaleco antibalas, con una resistencia al impacto y la perforación varias veces suprior al acero, que se pega al cuerpo como una camiseta, pero que tiene el peso, y la textura de una tela de araña, lo cual le confiere una gran comodidad con prestaciones de alta efectividad.

– Se desarrollan plataformas militares de bajo peso sin sacrificar la funcionalidad y la seguridad del soldado que requerirán menos combustible y menos requisitos logísticos

– Se trabaja en el diseño de componentes automotores y aeroespaciales que no requieran lubricación,

– La miniaturización de los sistemas electrónicos permite la creación de naves mas autónomas, configuradas como naves “pensantes”

– Se fabrican sondas ultra pequeñas que permiten crear redes en las superficies planetarias y desarrollar nuevas capacidades en misiones de exploración.

– A partir de Nanotubos de carbono y polímeros conjugados se desarrollan biosensores capaces de detectar cambios químicos o biológicos en el entorno.

Uso militar (Nanocristales)• Otra área de empleo de los Nanocristales es el de los sensores remotos, al

momento se identifican una gran gama de los mismos ( de audio, de posición, de rastreo químico, de rastreo biológico, temperatura, presión, etc. ) se trabaja en la incorporación de estos sensores al traje del soldado de forma tal que a distancia se puedan prevenir los ataques químicos, biológicos, radiológicos , controlar los parámetros vitales del mismo, conocer su posición en el terreno, etc. En estos momentos están disponibles 76 tecnologías aplicables a sensores mas pequeños que pueden ser utilizados en tareas de inteligencia y contra inteligencia.

• Otro empleo de los Nanocristales da nacimiento a las baterías ligeras, esto ha permitido disponer de equipos y dispositivos móviles de menor peso, con iguales prestaciones, vehículos mas rápidos y compactos y mejorar la tecnología aeroespacial con impulsores mas eficientes y compactos.

• En el universo de los documentos de seguridad, una aplicación de los Nanocristales esta en la producción de “ info – tintas” ya se dispone del producto conocido como Labeling /Barcotes para estos propósitos.

Uso militar (nanopartículas)• En los TEXTILES ya se avizoran tejidos capaces de absorber la energía provocada

por una onda expansiva, protegiendo de esta forma al soldado, también se prevétejidos convencionales capaces de reaccionar a nivel molecular y cambiar de color según las necesidades del terreno, o cerrar sus poros y volverse impermeable, o brindar resistencia térmica, esto aligeraría de forma impresionante la impedimenta del soldado permitiéndole con un mismo traje obtener protección funcional ante distintos fenómenos del combate incluso los primeros auxilios médicos al lograr a voluntad endurecer segmentos del uniforme, que servirían de tablilla inmovilizadota en caso de fractura ósea, o que dejaría pasar ciertos tipos de medicamentos por osmosis a través de la piel.

• En el caso de las PINTURAS la primera y mas directa ventaja se obtiene en el aligeramiento de las naves aéreas y aeroespaciales, por disponerse de capas muy delgada con iguales prestaciones que las actuales, dada su densidad de empaquetamiento y la relación superficie/volumen que las mismas presentan. La capacidad de Interactuar en forma predecible con la luz y otras radiaciones y de poseer reactividad uniforme en caso de catalizadores proporciona pinturas capaces de cambiar de color ante cambios de humedad y temperatura, lo que le brinda desconocidas facilidades a las técnicas de enmascaramiento en el teatro de operaciones. En la actualidad el uso de pigmentos al nivel de nanopartículas permite obtener recubrimientos transparentes que logran filtrar las radiaciones UV e IR, lo cual dificultan la detección por los radares; Nanopartículas de sílices, que se distribuye en la capa de pintura seca, producen una capa de interferencia, que la protege del desgaste, proveyendo mayor resistencia y mayor durabilidad a las superficies pintadas.

Uso militar (armas de destrucción masiva)

• A este fin se trabaja en tres aspectos: La ojiva, el explosivo y el disparador,

• El DISPARADOR Por razones de seguridad extrema, fiabilidad, y resistencia a los factores externos, el disparador se requiere que sea lo mas pequeño posible, por lo que se trabaja en un dispositivo de nanoelectrónica en el que se emplean las cualidades de los NANOMATERIALES de forma muy sofisticada

• El EXPLOSIVO Cambiando EL concepto actual de micro escisión, por el de micro fusión que tiene la ventaja inmensa de reducir la precipitación radioactiva se están ensayando Las pelotillas diminutas que contienen el combustible termonuclear a ser explotado, lográndose con solo unos Kg. los efectos que antes requerían toneladas de este material. Ciertamente esta tecnología esta entre los “nanoingenios” más delicado y sofisticado en l existencia.

• Las pelotillas de combustible no deben variar el radio a la superficie exterior por más de 1 micrómetro, las paredes de estas pelotillas consisten en capas cuyos espesores son fracciones de micrómetros, y su rugosidad superficial esta en la escala del manómetro. Con estas característica técnicas pueden darse en las unidades de 1,000 o 100 átomos, porque los defectos diminutos tienen que estar ausentes para que las pelotillas puedan condensar simétricamente cuando son iluminadas por los láseres

• La OJIVA de acuerdo a lo anterior, deberá ser diseñada con las especificaciones bien caracterizadas. Éstas pueden ser a partir de los nuevos nanomateriales o pueden ser los materiales convencionales de extrema pureza y de precisión extrema. Por consiguiente, una alternativa radical es diseñar una ojiva qué detonaría después de penetrar la tierra por más de 100 a 200 metros y ser un dispositivo cuyo peso y el tamaño no es mucho más grande que unos kilogramos y litros.

• Se prevé tener disponible esta tecnología en los próximos 10 a 15 años.

Mercado esperado en nanotecnología

Mercado mundial por área

El mercado de los El mercado de los nanomaterialesnanomateriales y el de los productos en y el de los productos en electrelectróónica parece ser el de mayor importancianica parece ser el de mayor importancia

Nuevos puestos de trabajo

¿Qué puede acelerar el desarrollo de la nanotecnología?

Se trata de un mercado “push”, en el que tanto las universidades, en su papel investigador en busca de herramientas de manipulación a nanoescalao de aplicaciones prácticas, como el gobierno, mediante financiación conjunta con empresas o con políticas que favorezcan la innovación, van a ser los que aceleren la evolución de la nanotecnología.

Fuente: Taller con expertos en el FTF.

¿Qué puede frenar el desarrollo de la nanotecnología?

Fuente: Taller con expertos en el FTF.

Conclusiones del FTF (2006)

Fuente: La nanotecnología: la revolución industrial del siglo XXI”, Fundación de la innovación Bankinter, 2006, España.

Métodos de fabricación

Los dos mLos dos méétodos todos estestáán convergiendon convergiendo

Fuente: “Nanoscience and nanotechnologies: opportunitiesand uncertainties”; The Royal Society and the Royal Academy of Engineering; July 2004

Áreas de investigación en nanomateriales (una clasificación)

NanocapsulesDefinitionDefinition

MostMost remarkableremarkable claimedclaimed propertiesproperties

CurrentCurrent and and futurefuture marketmarket applicationsapplications

Leading countries and highlighted R/D activities in the field

Algunos temas de reflexión

Algunos temas de reflexión

Non-technological relatedconclusions

“Chemical Industry R&D Roadmap forNanomaterial by design”, Chemical IndustryVision 2020 Technology Partnership EnergeticsInc.,US Department of Energy, 2003.

NanomaterialesObjetivo:Objetivo:

Identificar los nanomateriales con alto potencial de aplicaciones industriales

CategorCategoríías (3as (3ªª))

1. Carbon basednanomaterials

2. Nanocomposites3. Metals & alloys4. Biological

nanomaterials5. Nano-polymers6. Nano-glasses7. Nano-ceramics

AspectosAspectos

1. Tendecias2. Propiedades de

los materiales3. Posibles

aplicaciones

Fuente: “Nanomaterial roadmap 2015”, European commission; sixth framework programme,

Carbon based nanomaterials

DefinitionDefinition::

CarbonCarbon basedbased nanomaterialsnanomaterialsApplicationsApplications

Material AplicacionesElectrical energy storageLarge-area display applications (flat panel displays)Use as source in electron microscopyUse as tools or tips in sacnning probe microscopyAs molecular pincers in actuatorsAs filters

As needles to bring active agents into living cellsLeds and Fed displaysUltra-resistant materials for use as reinforcement fibresLightweight foamsCar tyresAntistatic textilesFor colour effectsAs drug deliverers either by the attachment of funtional ligands to the carbon cage or by trapping molecules insideAs traces moleculesAs catalysts support materialsAn alternative to carbon nanofibres fron carbon nanotubesAs storage media for electrical energyAs an anode in Lithium ion batteriesFor wear protectionTo reduce frictionTo build up Carbid Nanofilms and Nanocristalline Carbonfilms like "diamond like carbon"As replacement joints

Other applications in the medical & health area

Flashbone carbon nanofibres

Nanoporous carbon

Carbon based nanofilms

Nanocrystalline diamond in an amorphous carbon

Carbon nanotubes

Carbon nanotubes / polymer composites

Carbon black

Fullerenes

“Chemical Industry R&D Roadmap forNanomaterial by design”, Chemical IndustryVision 2020 Technology Partnership EnergeticsInc.,US Department of Energy, 2003.

Tecnology Roadmaps (energy)FuentesFuentesPropPropóósitosito

Dominios:Dominios:

MMéétodo (para cada dominio)todo (para cada dominio)

Tecnology Roadmaps (energy)

1.1. BarrerasBarreras2.2. Soluciones a travSoluciones a travéés de s de nanomaterialesnanomateriales3.3. RoadmapRoadmap

•• Nivel de desarrolloNivel de desarrollo•• CostosCostos•• TamaTamañño del mercadoo del mercado•• Escala de tiempo de aplicacionesEscala de tiempo de aplicaciones

Construir un detector de gases (bencina)Construir un detector de gases (bencina)

Comercialización del detector en Barcelona

Diseño y modelaje del detector (Univ. Lovaina en Bélgica)

Construcción de los nanotubos (Univ. De Notre Dame, Namur, Bélgica)

Construcción de los detectores en Tarragona