La Nanotecnología: El Mundo De Las Máquinas A Escala Nanométrica — Antonio José Acosta / Nanotechnology: The World of Machines on a Nanometric Scale by Antonio José Acosta (spanish book edition)

Un libro interesante de divulgación que sirve para aprender sobre el futuro más cercano.
El nanomundo nos parece algo inaccesible y remoto, pues no podemos verlo a simple vista, pero es igualmente fascinante y de posibilidades insospechadas. Sorprendentemente, se parece muy poco al mundo macroscópico en el que vivimos. A pequeña escala, las propiedades de los materiales cambian de manera ostensible: sustancias inertes se convierten en agresivas, opacas en transparentes, sólidos en líquidos, aislantes en conductores y casi todo cambia de color. Teniendo en cuenta que son los mismos átomos los que forman las estructuras que sustentan la vida o las que forman una roca, está claro que tan fundamental como la composición, es la estructuración. Así pues, la manipulación de los componentes de la materia, átomos y moléculas, con el fin de modificar estructuras existentes y crear estructuras nuevas, puede traer enormes beneficios. Y ese es el fin último de la nanotecnología: ofrecer soluciones simples a grandes problemas de la humanidad mediante la manipulación controlada del nanomundo.
El desarrollo moderno de la nanotecnología es muy reciente, pues hasta el último cuarto del siglo XX no se han desarrollado técnicas de visión y manipulación de átomos. El término «nanotecnología» no se acuñó hasta 1974, y ha sido en las tres últimas décadas cuando la evolución vertiginosa de la nanotecnología está ofreciendo productos y resultados que, o están ya incorporados en productos industriales y de consumo diario, o bien se encuentran en fase de desarrollo en laboratorios de investigación diseminados por el mundo.
En paralelo al desarrollo científico-técnico, el concepto de nanotecnología se va extendiendo en nuestra sociedad, que le da el carácter de «última tecnología» o «tecnología avanzada» sin tener muy claro en qué términos se usa ni qué significa exactamente. Es más, en ocasiones tras este término se esconden efectos o fenómenos no bien comprendidos o explicados. En cualquier caso, basta añadir el prefijo «nano» a un proceso o producto convencional para proporcionarle un valor añadido o un halo de misterio y efectividad, al amparo de lo invisible. La terminología científica añade el prefijo «nano» a un producto si tiene dimensiones muy pequeñas.

Los avances en física y química en la segunda mitad del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX demostraron que existía un mundo nanoscópico, aunque este no se pudiera ver. Se estableció cierto conocimiento de las magnitudes moleculares y atómicas, y de los procesos que tienen lugar en esa escala, a través de la física atómica y la química de coloides y monocapas superficiales. Sin embargo, no se pueden encontrar en esa época actuaciones que pudiéramos calificar como puramente nanotecnológicas, sino que tienen como protagonista indirecto al nanomundo. Así, en 1857 Michael Faraday (1791-1867) descubrió que el oro podía dar lugar a soluciones de diferentes colores, según las condiciones de iluminación, a consecuencia de su nanoestructura.
No fue hasta 1974 cuando el científico japonés Norio Taniguchi (1912-1999) (Universidad de Ciencias de Tokio, Japón), que trabajaba en dispositivos semiconductores, acuñó el término nanotecnología como el procesamiento, separación y manipulación de materiales átomo por átomo. En ese mismo año, Tuomo Suntola (n. 1943) y sus colegas de la empresa Instrumentarium Oy (Finlandia) patentaron los primeros procesos para realizar depósitos de capa delgada superficiales a nivel atómico, que se siguen empleando hoy en día en la industria micro y nanotecnológica.

La nanotecnología tiene presencia en tres ámbitos:
— Nanoarquitectura: se trata de conseguir materiales cuyas estructuras puedan ser adaptadas de forma precisa y que combinan enorme fortaleza con flexibilidad y extrema ligereza. Además de versatilidad, permiten hacer una arquitectura más sostenible.
— Biopsia líquida: detección del cáncer en su fase más temprana empleando nanomáquinas de secuenciación rápida del ADN.
— Organoides cerebrales: nuevos métodos para hacer crecer grupos tridimensionales de neuronas vivas; podrían aclarar el misterio de enfermedades mentales, demencia y otros desórdenes neurológicos.

El comienzo del siglo XXI supuso un espaldarazo al desarrollo nanotecnológico. Ya ha habido en la última década del siglo XX suficientes demostradores que validan la nanotecnología en diversas aplicaciones, como para abordar con éxito el siguiente paso en el desarrollo tecnológico: la transferencia al mercado. Los productos de consumo basados en nanotecnología empezaron en el comienzo del milenio a invadir los mercados, gracias a su bajo coste y altas prestaciones: materiales ligeros para automóviles que resisten abolladuras y arañazos, pelotas de golf que no desvían su trayectoria, raquetas de tenis más rígidas (la pelota rebota más rápido), bates de béisbol con una mejor flexibilidad, calcetines y ropa antibacteriana, protectores solares transparentes, ropa antiarrugas y resistente a las manchas, cosméticos con actividad terapéutica, materiales autorreparantes, lentes resistentes a los arañazos, baterías de carga rápida para herramientas eléctricas inalámbricas, pantallas mejoradas para televisores, smartphones y cámaras digitales, nanopinturas, etc.
Para entender bien la explosión de la nanotecnología en el siglo XXI, es necesario contemplar el posicionamiento de los gobiernos mundiales para potenciarla y extraerle el mayor beneficio posible. Consciente del impacto de la revolución nanotecnológica, el presidente Bill Clinton lanzó en el año 2000 la Iniciativa Nanotecnológica Nacional (NNI, por sus siglas en inglés) para coordinar los esfuerzos de I+D y promocionar la competitividad de Estados Unidos en nanotecnología.
Desde sus orígenes, el mercado de la nanotecnología ha ido creciendo, ya sea por iniciativa pública o privada. Los datos son claros al respecto, como muestra la figura 6: en 2002, el mercado nanotecnológico movió en el mundo unos 110000 millones de dólares. El crecimiento ha sido constante hasta los 800000 millones de dólares de 2015.

La nanotecnología se construye a partir de estructuras con alguna dimensión inferior a los 100 nm. La composición, formas y dimensiones de estas nanoestructuras son las que otorgan las características precisas como elementos constitutivos del sistema a construir. Por otro lado, los nanomateriales muestran propiedades tan específicas que a su vez permiten desarrollar nuevos materiales en la macroescala, confiriéndoles propiedades mejoradas y específicas propias de la dimensión nanométrica. La lista de nanoestructuras y nanomateriales es amplísima y no seremos exhaustivos en su presentación, pues continuamente se va actualizando. Nos limitaremos a los más relevantes y de mayor interés, suficientes para tener una visión amplia.
Se define una nanoestructura como aquella estructura o bloque funcional que tiene algunas de sus dimensiones menores a 100 nm. Pueden ser elementos muy simples o máquinas funcionales completas (nanomáquinas), englobándose todos ellos dentro del término nanoestructura o nanodispositivo. Dado que la definición alude exclusivamente al tamaño, los posibles componentes de esta familia son prácticamente ilimitados, pues tanto la forma como la composición y disposición de sus bloques constitutivos pueden variar enormemente.

La humanidad ha trabajado en la nanotecnología desde antiguo, pero hasta muy recientemente no se han inventado y desarrollado herramientas y procedimientos de fabricación que permitan el control y manipulación precisos en tan reducidas dimensiones. No es lo mismo fabricar algo pequeño, sin importar forma o tamaño, que algo pequeño de unas dimensiones precisas.
Hacer una descripción de los mecanismos de fabricación nos lleva necesariamente a distinguir dos grandes estrategias o formas de aproximarse al diseño nanotecnológico: la metodología de arriba abajo (o top-down), en la que nos acercamos a la construcción de nanoestructuras miniaturizando procesos existentes con anterioridad en la microescala, o las que construyen las nanoestructuras mediante la agregación de elementos menores, como átomos y moléculas (metodología de abajo arriba o bottom-up).
A día de hoy, la mayoría de aplicaciones médicas de la nanotecnología implican la interacción entre nanopartículas o nanotubos de carbono y células. Las células son de tamaño del orden de la micra, típicamente miles de veces mayores que las nanopartículas o nanotubos. Ya se ha visto cómo, empleando los medios adecuados, se pueden adherir nanopartículas a células específicas (fundamentalmente tumorales) para mejorar el diagnóstico y localizar el tejido enfermo. El siguiente paso es atacar la célula maligna. En eso precisamente es en lo que se está basando la nanomedicina actual, en aniquilar esas células con los nanovectores, como si fueran «balas mágicas». Hay dos estrategias básicas en las que se ha avanzado ya mucho: la terapia por hipertermia y la liberación controlada de nanofármacos.
Hipertermia
La hipertermia o cura por calor (calentar un tejido hasta que mueran los agentes que causan la enfermedad) ha sido empleada por la humanidad desde el antiguo Egipto. De hecho, la fiebre es un proceso de hipertermia natural.
La nanoelectrónica juega un papel fundamental es en la combinación con nanomáquinas moleculares o celdas biológicas. La igualdad de tamaños permite la convivencia de circuitos electrónicos con materiales biológicos, lo que posibilita hacer circuitos de detección de moléculas (nanosensores) y procesado nanoelectrónico de señal biológica. En tal sentido se han dado los primeros pasos en la implementación de puertas lógicas basadas en moléculas, dando origen a la electrónica biológica y molecular.

El comienzo del siglo XXI está marcado por la búsqueda incesante de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles, no solo por la escasez de los mismos, sino por el efecto negativo que tienen sobre el cambio climático. El aprovechamiento de las energías renovables está alcanzando cotas muy elevadas, pero insuficientes. La nanotecnología está aportando a esta búsqueda soluciones en varios ámbitos, entre las que destacan las células solares de alta eficiencia y las pilas de combustible. Todo ello contribuye a lo que se conoce como «nanotecnología verde».
La nanotecnología, como otras tecnologías nuevas y emergentes (modificación genética, biología sintética, etc.), ofrece la posibilidad de un futuro más limpio, más sano y mejor. Sin embargo, los riesgos de estas tecnologías no se conocen suficientemente. En el caso de la nanotecnología, las nuevas propiedades que poseen los nanomateriales y nanoestructuras pueden dar lugar a nuevas formas de riesgo poco conocidas, por lo que hay que invertir más esfuerzos en el análisis de riesgos, donde hoy en día solo se emplea el 2 % del total invertido en nanotecnología.
Está completamente asumido que cualquier avance en tecnología puede tener un efecto negativo en el medio ambiente. En algunas ocasiones el impacto es inmediato, por ejemplo cuando la tecnología requiere industrias contaminantes o la extracción masiva de materias primas. En otras ocasiones, el efecto está oculto y solo aparece a medio o largo plazo, como lo muestran algunos ejemplos recientes.

La nanotecnología nos ofrece mucho: la posibilidad de manipular la materia a nanoescala. Ello nos permite alcanzar cotas de conocimiento y posibilidades de actuación para hacer cosas que hace décadas era imposible ni pensar que se podían hacer. Los efectos físicos (sobre todo los cuánticos) y químicos en la pequeña escala imponen sus curiosos poderes, haciendo las nanoestructuras tremendamente diferentes a lo que conocemos en nuestro mundo cotidiano. La disminución en el tamaño hace confluir todas las disciplinas (física, química, biología, medicina, ingeniería…) en una sola, donde se amalgama todo. De ahí surgen incontables aplicaciones que abarcan todos los órdenes de la vida (salud, materiales, energía, electrónica, etc.) y que, a buen seguro, cambiarán el mundo en el que vivimos. Como en todo cambio trascendental, es imprescindible alcanzar un equilibrio entre el máximo de los beneficios de la nanotecnología y el mínimo de sus riesgos potenciales. En esta balanza, será fundamental el modo en que nosotros, como sociedad, conozcamos y apoyemos la innovación científica, afrontemos las incertidumbres, y debatamos críticamente sobre el riesgo y los beneficios. Nos irá mucho mejor, sin duda.

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An interesting didactic book for learning about the near future.
The nanoworld seems to us something inaccessible and remote, since we cannot see it with the naked eye, but it is equally fascinating and of unexpected possibilities. Surprisingly, it looks very little like the macroscopic world we live in. On a small scale, the properties of materials change ostensibly: inert substances become aggressive, opaque in transparent, solids in liquids, insulators in conductors and almost everything changes color. Taking into account that it is the same atoms that form the structures that support life or those that form a rock, it is clear that as fundamental as the composition, is the structuring. Thus, the manipulation of the components of matter, atoms and molecules, in order to modify existing structures and create new structures, can bring enormous benefits. And that is the ultimate goal of nanotechnology: to offer simple solutions to great problems of humanity through the controlled manipulation of the nanoworld.
The modern development of nanotechnology is very recent, since it was not until the last quarter of the 20th century that techniques for the vision and manipulation of atoms were developed. The term “nanotechnology” was not coined until 1974, and it has been in the last three decades that the vertiginous evolution of nanotechnology is offering products and results that are either already incorporated in industrial and everyday consumer products, or are in development phase in research laboratories throughout the world.
In parallel to the scientific-technical development, the concept of nanotechnology is spreading in our society, which gives it the character of “latest technology” or “advanced technology” without being very clear in what terms it is used or what exactly it means. Moreover, sometimes behind this term there are hidden effects or phenomena that are not well understood or explained. In any case, it is enough to add the prefix «nano» to a conventional process or product to provide it with added value or a halo of mystery and effectiveness, under the protection of the invisible. Scientific terminology adds the prefix “nano” to a product if it has very small dimensions.

Advances in physics and chemistry in the second half of the 19th century and the first decades of the 20th century demonstrated that a nanoscopic world existed, although it could not be seen. Some knowledge of molecular and atomic magnitudes, and the processes that take place on that scale, was established through atomic physics and the chemistry of colloids and surface monolayers. However, actions that we could classify as purely nanotechnological cannot be found at that time, but instead have the nanoworld as an indirect protagonist. Thus, in 1857 Michael Faraday (1791-1867) discovered that gold could give rise to solutions of different colors, depending on the lighting conditions, as a result of its nanostructure.
It was not until 1974 that the Japanese scientist Norio Taniguchi (1912-1999) (Tokyo University of Sciences, Japan), who worked on semiconductor devices, coined the term nanotechnology as the processing, separation and manipulation of materials atom by atom. In the same year, Tuomo Suntola (b.1943) and his colleagues from Instrumentarium Oy (Finland) patented the first processes for making surface thin-film deposits at the atomic level, which are still used today in the micro and industrial industry. nanotechnology.

Nanotechnology is present in three areas:
– Nanoarchitecture: it is about obtaining materials whose structures can be adapted precisely and that combine enormous strength with flexibility and extreme lightness. In addition to versatility, they allow for a more sustainable architecture.
– Liquid biopsy: detection of cancer in its earliest stage using rapid DNA sequencing nanomachines.
– Brain organoids: new methods to grow three-dimensional groups of living neurons; they could unravel the mystery of mental illness, dementia, and other neurological disorders.

The beginning of the 21st century was a boost to nanotechnological development. In the last decade of the 20th century, there have already been enough demonstrators validating nanotechnology in various applications to successfully tackle the next step in technological development: transfer to market. Nanotechnology-based consumer products began to invade markets at the beginning of the millennium, thanks to their low cost and high performance: lightweight automotive materials that resist dents and scratches, golf balls that do not deviate their trajectory, tennis rackets more rigid (the ball bounces faster), baseball bats with better flexibility, antibacterial socks and clothing, transparent sunscreens, anti-wrinkle and stain resistant clothing, cosmetics with therapeutic activity, self-healing materials, scratch resistant lenses, batteries of fast charging for cordless power tools, enhanced displays for televisions, smartphones and digital cameras, nanopaints, etc.
To fully understand the explosion of nanotechnology in the 21st century, it is necessary to contemplate the position of world governments to enhance it and extract the greatest possible benefit from it. Aware of the impact of the nanotechnology revolution, President Bill Clinton launched the National Nanotechnology Initiative (NNI) in 2000 to coordinate R&D efforts and promote America’s competitiveness in nanotechnology.
Since its inception, the nanotechnology market has been growing, either by public or private initiative. The data are clear in this regard, as shown in figure 6: in 2002, the nanotechnology market moved around 110 billion dollars in the world. Growth has been steady up to $ 800 billion in 2015.

Nanotechnology is built from structures with some dimension less than 100 nm. The composition, shapes and dimensions of these nanostructures are what give the precise characteristics as constitutive elements of the system to be built. On the other hand, nanomaterials show such specific properties that in turn allow the development of new materials at the macroscale, giving them improved and specific properties of the nanometric dimension. The list of nanostructures and nanomaterials is vast and we will not be exhaustive in its presentation, as it is continually updated. We will limit ourselves to the most relevant and of greatest interest, enough to have a broad vision.
A nanostructure is defined as that structure or functional block that has some of its dimensions less than 100 nm. They can be very simple elements or complete functional machines (nanomachines), all of which are encompassed within the term nanostructure or nanodevice. Since the definition refers exclusively to size, the possible components of this family are practically unlimited, since both the shape and the composition and arrangement of its constituent blocks can vary enormously.

Humanity has worked on nanotechnology since ancient times, but it was not until very recently that tools and manufacturing procedures have been invented and developed that allow precise control and manipulation in such small dimensions. It is not the same to make something small, regardless of shape or size, than something small with precise dimensions.
Making a description of the manufacturing mechanisms necessarily leads us to distinguish two major strategies or ways of approaching nanotechnological design: the top-down (or top-down) methodology, in which we approach the construction of nanostructures by miniaturizing existing processes with microscale anteriority, or those that build nanostructures by aggregating minor elements, such as atoms and molecules (bottom-up or bottom-up methodology).
Today, most medical applications of nanotechnology involve the interaction between carbon nanoparticles or nanotubes and cells. Cells are micron-sized, typically thousands of times larger than nanoparticles or nanotubes. It has already been seen how, using the appropriate means, nanoparticles can be adhered to specific cells (mainly tumor cells) to improve diagnosis and locate diseased tissue. The next step is to attack the malignant cell. This is precisely what the current nanomedicine is based on, in annihilating those cells with nanovectors, as if they were “magic bullets.” There are two basic strategies in which much progress has already been made: hyperthermia therapy and controlled release of nanopharmaceuticals.
Hyperthermia
Hyperthermia or heat cure (heating tissue until the agents causing the disease die) has been used by mankind since ancient Egypt. In fact, fever is a natural hyperthermic process.
Nanoelectronics plays a fundamental role is in combination with molecular nanomachines or biological cells. The equality of sizes allows the coexistence of electronic circuits with biological materials, which makes it possible to make molecule detection circuits (nanosensors) and nanoelectronic biological signal processing. In this sense, the first steps have been taken in the implementation of logic gates based on molecules, giving rise to biological and molecular electronics.

The beginning of the 21st century is marked by the incessant search for alternative energy sources to fossil fuels, not only because of their scarcity, but also because of the negative effect they have on climate change. The use of renewable energies is reaching very high levels, but insufficient. Nanotechnology is providing solutions to this search in various fields, among which are high-efficiency solar cells and fuel cells. All this contributes to what is known as ‘green nanotechnology’.
Nanotechnology, like other new and emerging technologies (genetic modification, synthetic biology, etc.), offers the possibility of a cleaner, healthier and better future. However, the risks of these technologies are not sufficiently understood. In the case of nanotechnology, the new properties of nanomaterials and nanostructures can give rise to new forms of little-known risk, which is why more efforts must be invested in risk analysis, where nowadays only 2 is used % of total invested in nanotechnology.
It is fully assumed that any advance in technology can have a negative effect on the environment. Sometimes the impact is immediate, for example when technology requires polluting industries or the massive extraction of raw materials. At other times, the effect is hidden and only appears in the medium or long term, as some recent examples show.

Nanotechnology offers us a lot: the possibility of manipulating matter at the nanoscale. This allows us to reach levels of knowledge and possibilities of action to do things that decades ago were impossible or even think could be done. Small-scale physical (especially quantum) and chemical effects impose their curious powers, making nanostructures wildly different from what we know in our everyday world. The decrease in size brings together all disciplines (physics, chemistry, biology, medicine, engineering…) into one, where everything is amalgamated. From there countless applications arise that cover all orders of life (health, materials, energy, electronics, etc.) and that, surely, will change the world in which we live. As with any momentous change, it is essential to strike a balance between the maximum of the benefits of nanotechnology and the minimum of its potential risks. On this scale, how we, as a society, understand and support scientific innovation, face uncertainties, and critically discuss risk and rewards. We will do much better, without a doubt.

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