Al utilizar la manipulación precisa de átomos y moléculas, los científicos e ingenieros son capaces de desarrollar materiales ligeros, eficientes y resistentes. A medida que la investigación en estos campos siga avanzando, seguirán apareciendo descubrimientos y aplicaciones todavía más precisas.
En nuestro curso sobre nanociencia y nanotecnología podrás entender mejor cómo funcionan y cómo están revolucionando sectores de la ciencia y la tecnología. Aquí tienes la posibilidad de ver su primer capítulo:
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Significado de nanociencia y nanotecnología
La nanociencia se refiere al estudio de los fenómenos que ocurren en la materia a escala nanométrica. Esto abarca desde unos pocos átomos hasta estructuras algo más grandes, con unas dimensiones que pueden oscilar entre 1 y 100 nanómetros. En este nivel, las propiedades de los materiales pueden ser muy diferentes a las observadas a escala macroscópica.
La nanotecnología, en cambio, emplea la materia a escala nanométrica para crear nuevos materiales y sistemas con funcionalidades mejoradas. Aprovecha los avances en la nanociencia para diseñar y fabricar estructuras en un nivel atómico y molecular.
Ambas disciplinas están relacionadas con la física, la química, la ingeniería y otras disciplinas científicas. Gracias a ellas se han abierto nuevas fronteras de investigación y se han logrado avances significativos en diferentes áreas. Algunas son la medicina, la electrónica o la informática.
Asimismo, tienen potencial para abordar desafíos importantes relacionados con la salud, el medioambiente y la sostenibilidad.
Los orígenes de estas disciplinas
Como puedes ver en el vídeo de introducción de este curso, la nanociencia y la nanotecnología son conceptos recientes. En cambio, independientemente de si se han podido estudiar o no, los átomos siempre han existido.
Para referirnos al primer momento en el que el ser humano se dio cuenta de que la materia está compuesta por pequeñas unidades básicas, es necesario mencionar a Leucipo (Grecia, siglo V a. C.). Este filósofo sostenía que la materia estaba formada por partículas tan pequeñas que eran indivisibles (átomos).
Aunque el uso intencionado de estas disciplinas es más reciente, ha habido momentos a lo largo de la historia que por casualidad se han fabricado nanomateriales. El primer ejemplo aparece en el siglo IV a. C. en el Imperio romano: la copa de Licurgo. Fabricada con vidrio dicroico, muestra diferentes colores en función de si la luz pasa o no a través de él.
Uno de los nanomateriales más fascinantes de la antigüedad debe sus propiedades a los nanohilos y los nanotubos de carbono. Se trata del acero de Damasco, utilizado para fabricar la hoja de sables y espadas en el Oriente Próximo (siglos XIII-XVIII).
En 1856, Michael Faraday hizo un descubrimiento que lo cambió todo. Este científico, al hacer una suspensión de partículas de oro de tamaño macroscópico, comprobó que la solución coloidal se veía de un color dorado. En cambio, si el tamaño de estas era mucho menor, se veía de color rojo rubí. De esta manera, determinó que las dimensiones de las partículas de oro suspendidas en la solución cambian la forma en la que estas interaccionan con la luz.
En 1957, Richard Feynman, profesor de física, en la conferencia “There is Plenty of Room at the Bottom”, hizo hincapié en el mundo de lo pequeño. Este físico es conocido como el precursor de la nanociencia tal y como la conocemos hoy en día. Desde los años 80, la nanotecnología no ha dejado de crecer: el microscopio de efecto túnel, los puntos cuánticos, los nanotubos de carbono, etc.
La teoría atómica
Esta teoría es un modelo científico que describe la naturaleza de la materia en términos de partículas indivisibles llamadas átomos. Tiene sus raíces en la Antigua Grecia, donde filósofos como Demócrito y Leucipo ya hablaban de estas partículas.
Sin embargo, fue a finales del siglo XVIII y principios del XIX cuando los científicos recopilaron evidencias científicas para respaldarla.
El químico británico John Dalton se considera uno de sus principales impulsores. En el siglo XIX propuso que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles que se combinaban en proporciones fijas para formar compuestos químicos.
Con el paso del tiempo, científicos como Ernest Rutherford, J. J. Thomson o Niels Bohr la han desarrollado más. Los experimentos realizados revelaron que los átomos tenían una estructura interna formada por un núcleo y electrones.
La teoría atómica ha sido fundamental para el desarrollo de la química y otras ramas de la ciencia. Ha permitido comprender cómo interactúan entre sí los átomos para formar moléculas o cómo se producen las reacciones químicas.
Propiedades de la materia pequeña
Las propiedades de la materia a escala nanométrica difieren de forma significativa de las que se observan a nivel macroscópico. Te mostramos algunos ejemplos a continuación.
Propiedades eléctricas
Algunos nanomateriales muestran propiedades semiconductoras, lo que los hace muy útiles para la fabricación de dispositivos eléctricos en miniatura, como sensores o transistores. Algunos ejemplos son los nanotubos de carbono, los nanohilos de silicio o las nanopartículas de óxido de zinc.
Propiedades ópticas
La dispersión y absorción de luz son propiedades que pueden mostrar materiales a escala nanométrica. Esto es debido a los efectos de resonancia de plasmones de superficie, es decir, oscilaciones colectivas de electrones.
Estas propiedades se emplean en aplicaciones como la nanomedicina o la nanofotónica. Por ejemplo, las nanopartículas de oro son muy útiles en aplicaciones de diagnóstico y terapéuticas. Se usan en técnicas de imagen y en la liberación controlada de fármacos.
Propiedades químicas
Pueden diferir de las de los materiales a mayor escala debido a la alta relación superficie-volumen. Los nanomateriales suelen mostrar una mayor actividad química y más capacidad de interacción con otras sustancias. Por eso son adecuados para aplicaciones en catálisis, almacenamiento de energía o sensores químicos.
Las nanopartículas de platino se utilizan con mucha frecuencia como catalizadores en reacciones químicas. Por ejemplo, en la reducción de gases tóxicos o la oxidación de compuestos orgánicos.
Propiedades térmicas
Suelen mostrar mayor conductividad térmica por el mismo motivo que en el caso anterior, la mayor relación superficie-volumen. Esta característica hace que la transferencia de calor se produzca con más facilidad. Estas propiedades se utilizan en aplicaciones como la mejora de la eficiencia energética o para la disipación de calor en dispositivos electrónicos.
Propiedades mecánicas
Los nanomateriales pueden ser más fuertes y resistentes si los comparamos con los de mayor escala. Esta cualidad los hace ideales para su aplicación en materiales estructurales avanzados y dispositivos nanomecánicos.
Un buen ejemplo son los nanotubos de carbono, por su alta resistencia mecánica y su excelente conductividad eléctrica. El grafeno también es extremadamente fuerte, flexible y ligero, por eso se utiliza en sensores de presión y en la fabricación de materiales compuestos.
La nanociencia y la nanotecnología son dos disciplinas relativamente modernas. Sin embargo, el ser humano ha empleado nanomateriales desde hace muchos siglos. La razón es evidente, los átomos siempre han existido. En nuestro curso podrás descubrir mucha más información al respecto. Descubre los diferentes cursos que ofrecemos en Amautas.
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