Nociones sobre Nanociencia y Nanotecnología

1. Nociones sobre Nanociencia y Nanotecnología Semana Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Inga. Liuba María Cabrera Ovalle de Villagrán Programa Universitario de Investigación en Desarrollo Industrial –PUIDI- Dirección General de Investigación –DIGI- Universidad de San Carlos de Guatemala

2. Nanociencia • La palabra nanociencia está compuesta del latín “Nanus” que quiere decir enano y la palabra Ciencia • Se define NANOCIENCIA como área emergente de la ciencia que se ocupa del estudio de los materiales de muy pequeñas dimensiones

3. Nanotecnología • Se define NANOTECNOLOGÍA como la creación y fabricación de materiales, dispositivos y sistemas funcionalmente útiles a través del “control”de la materia a escala nanométrica (atómica o molecular) así como la explotación de los nuevos fenómenos y propiedades (físicas, químicas, biológicas, etc.) que se presentan en una dimensión menor a los 100nm. Engineering a small world

4. NANOTECNOLOGÍA Es una ciencia que se nutre de diversas áreas del conocimiento: Ciencia de materiales Química Física ……………. Nanotecnología Biología Electrónica Informática

6. Nanoshells Comportamiento NANOSHELL de oro Figura tubular de nanoshell de Paladio • Literalmente (nano-cáscaras) • Inventadas a finales de los 90´s. • Estas partículas son capaces de absorber o repartir rayos de luz a la longitud de onda deseada, alcanzando incluso donde los tejidos humanos son relativamente transparentes. • Aplicaciones: Láser infrarrojo contra el cáncer; iPOT. Nanoshell de Ag Nanoshell, terapia contra el cáncer

7. buckyballs • Nano estructura compuesta de 60 átomos de carbono (su nombre químico es C60) estructurados en un espacio cerrado y perfectamente simétrico, tienen propiedades extraordinarias, especialmente como superconductores. • Nueva estructura del carbono y tiene una geometría similar a un icosaedro, con la estructura en forma de balón de fútbol.

8. Motivación y Justificación La naturaleza nos demuestra que si se puede • Los Árboles • En el proceso de fotosíntesis: CO2; separa el C, libera el O2 sintetiza glucosa y la polimeriza en celulosa para producir madera. • Lo logran: Sin ruido, sin generación de calor, sin desechos o intervención humana. • Las Termitas • Invierten el proceso: de la celulosa sintetizan glucosa • Los Ribosomas (~200nm) • Sintetizan las proteínas en todo organismo viviente. • Traducen información codificada en el mRNA en polipéptido. • 1 célula pancreatica – 5 millones de moléculas/min.

9. NANOTECNOLOGÍA: Otro concepto Manipulación precisa e intencionada, de la materia al nivel atómico. Retos de la Nanotecnología Molecular: Diseño, modelado y fabricación de máquinas y dispositivos a nanoescala.

10. Tubo de rayos catódicos Origen: Precedentes Históricos Resultados Extraños • Un número de experimentos hacia final del siglo XIX no daban resultados consistentes con la teoría clásica de la materia y generaron la necesidad de reemplazarla con una nueva teoría denominada cuántica. • Nace de la imposibilidad de la mecánica clásica para explicar el comportamiento de las partículas subatómicas. • Su marco de trabajo matemático y sus ideas crecen de una larga historia de la mecánica clásica J.J. Thompson (1856 – 1940) Premio Nóbel (1906) Los electrones son partículas? Rayos=partículas=electrónes Dispersión Nuclear Ernest Rutherford (1871 -1937) Atomos=pequeño, pero denso núcleo cargado positivamente + electrones orbitándolo de alguna manera (neutralidad eléctrica)

11. Niels Bohr (1885 – 1962) Danés, estudiante posdoctoral trabajando con Rutherford en Inglaterra. Origen: Precedentes Históricos El modelo atómico de Bohr • Como podían los electrones orbitar el núcleo sin perder energía?. • Porqué era esta configuración estable? Bohr desarrolló estas ideas en una teoría. • Sabiendo que los niveles de energía estaban relacionados con enteros (Balmer). Estos enteros se convirtieron en los número cuánticos de Bohr. • Predijo el espectro del hidrógeno con precisión sin precedentes.

12. Resumen “Quantum” Plankmostró que la energía ocurre en cuantas Bohrdefinió un nuevo modelo para la estructura de un átomo Einsteinmostró que la energía y la masa pueden ser intercambiables De Brogliedemostró la dualidad onda-partícula Schrödingerformuló la ecuación que define el comportamiento dual de la materia Heisenbergincorporó el principio de incertidumbre a la mecánica cuántica Feynmanutilizó el experimento de doble ranura para describir la física cuántica.

13. Mecánica cuánticaFísica Cuántica • Es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas/ el comportamiento de la materia a escala muy pequeña.

14. Quantum • Es la menor cantidad de energía que puede transmitirse en cualquier longitud de onda.

15. Estudiantes Mecánica Cuántica UPR 2004

16. Nanotecnología Computacional: La importancia del Modelado y la Simulación • El modelado y la simulación pueden acceder • a detalles estructurales que son difíciles ó (aún) • imposibles de explorar utilizando el experimento. • Además: • Es relativamente barato • Facilita evaluación de alternativas de diseño • Permite explorar nuevas aplicaciones en nanoescala • Permite análisis intensivo de diseños promisorios (estabilidad química y mecánica) • Reduce tiempo de desarrollo (mecánica molecular, ab-initio, etc) “Nuestra habilidad para modelar máquinas (sistemas o dispositivos en general) moleculares de diferentes tipos ha sobrepasado nuestra habilidad para construirlas. Experimentos computacionales y cálculos de diseño permiten el estudio teórico de estos dispositivos independientes de las tecnologías requeridas para su implementación” Eric Drexler

17. Modelado y Simulación: Robótica de nanoescala PREMISA Las contrapartes macroscópicas no son un buen punto de partida Investigaciones recientes en posicionadores a través de robótica de nanoescala no han obtenido resultados deseados a nivel molecular

19. Eric Drexler: imaginó que la NTM podría imitar a la producción biológica.

20. Los males y enfermedades son primordialmente causados por daños a nivel molecular y celular Aplicaciones en salud • Drogas a partir de Nanopartículas (Nexstar – Doxorubicin para el cancer) • Herramientas quirúrgicas de precisión y tamaño molecular • Computadores de menor tamaño que una célula permitirán controlar estas herramientas (nanocomputación, actividad metabólica) • La habilidad para reparar función celular a partir de la preservación de estructura (Isquemia, falla mitocondria, ATP, falla celular) • Permitiría la construcción de órganos y elementos vitales a partir de material sintético o biológico (nanoglóbulos, cerebro) • Facilitaría avances en criónica, clonación (Inmortalidad) • Manipulación genética (enfermedades congénitas: cáncer, alopecia) • Biomimética • Se acabarían los experimentos con animales

21. La mayor parte de la polución actual es subproducto de la manufactura, el transporte, y la producción de energía. Aplicaciones: Industria y Medio Ambiente • Medio Ambiente: • Es atómicamente precisa / de emisión nula. • Permitiría limpiar desechos tóxicos mediante su desensamble en componentes seguros. • Permitiría un rediseño completo de nuestras ciudades, el transporte, los sistemas de energía y la relación con el medio ambiente. • Alimento ilimitado a partir de material orgánico (basura orgánica) • Industria: • La industria tendrá mayores efectos, a partir de la NTM, de los que produjo la revolución industrial. (Los centros de producción podrían ser fábricas selladas, control de superficies, metrología)

22. Otras aplicaciones de NANOTECNOLOGÍA • Producción de Hidrógeno, (producto final agua) • El gas hidrógeno será la energía transportable del futuro (cercano) • Por Biofotólisis ó Fotodisociación biológica del agua y energía solar (utilizada). • Hay avances en caracterización bioquímica de los Microorganismos que producen hidrógeno.

23. Inversiones para ImplementarNANOTECNOLOGIA • En el año 2003 – 52% de 5.5 billones de dólares Estadounidenses para investigación en Nanotecnología (incluyendo equipamiento) en base a prioridades del gobierno nacional de los Estados Unidos de Norteamérica.

24. Inversión en millones de dólares USA en otros países en el 2003

26. Poliuretanos segmentados y no segmentados

27. MODIFICACIÓN SUPERFICIAL DE MATERIALES NANOESTRUCTURADOS PARA SER UTILIZADOS EN POLIMEROS Aplicaciones de los Poliuretanos: Industria del calzado: ADHESIVO Ej.: Unión de cortes de piel a suelas de PVC. • Formulación: -Poliuretano hidroxilado (< 0.1% grupos hidroxilo). -Disolvente orgánico: Acetato de etilo, tolueno, etc. -Aditivos.

28. Aplicaciones: • MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN • Se podría utilizar la NTM para extraer carbono del CO2 y organizarlo en láminas de estructura de diamante. Esto, para materiales estructurales 50 veces más resistentes que las actuales aleaciones metálicas. • El costo podría ser tan bajo como U$$10-50 centavos/Kg. • APLICACIONES MILITARES • La NTM tendrá un efecto superior a la bomba atómica en las aplicaciones militares. • COSMETOLOGÍA Y MODA • Ropa reutilizable • Labiales

29. La elasticidad, conductividad, resistencia, color, dureza de una sustancia puede cambiar drásticamente en el nanomundo: El carbono en forma de grafito -la mina de un lápiz- es blando; en la nanoescala, el carbono es más fuerte que el acero y seis veces más ligero. El óxido de zinc es blanco y opaco, pero en el nanomundo se vuelve transparente. El aluminio, por su parte, se convierte en un material capaz de quemarse espontáneamente; la plata muestra propiedades antibacterianas. Lo que ocurre en el mundo nano influye en el macro.

30. Costos y Riesgos: Costos Muy bajos!!!! • La NTM amplificará nuestros poderes enormemente, esto es una buena noticia solo si estos poderes se usan de manera inteligente y con conciencia. • La NTM puede ser considerada como una tecnología o un arma para la destrucción en masa. • La NTM puede ser potencialmente peligrosa para el ambiente porque puede interpolarse en el ADN o ser introducida en ciclos biológicos indeseados (mutagenes, tóxicos, carcinógenos, teratógenos) • Se requiere regulación en la forma de guías para el desarrollo de la NTM (análogas a las impuestas para la recombinación de ADN). • Por ejemplo: Dependencia absoluta en combustibles artificiales, desarrollo de dispositivos que retornen a estados apagados y sean dependientes de comunicaciones controladas para replicarse o para operar.

31. REGULACIÓN • Pocos estudios toxicológicos sobre las nano partículas, nano toxicidad y nano contaminación. • Swiss Re: segunda compañía aseguradora a nivel mundial. --Riesgos Desconocidos— • Intereses financieros: La nano tecnología generará un billón de dólares para el 2,011.

32. Regulación • Los gobiernos enfocan un horizonte de entre tres y cinco años para regular la NANOTECNOLOGÍA. DESVENTAJA¡¡¡¡¡ • LOS ACONTECIMIENTOS CIENTÍFICOS SON MUY ACELERADOS.

33. Regulación • Se conoce muy poco sobre: • peligroso que podrían ser los nanomateriales. • Como debemos proteger a los trabajadores empleados en la industria relacionada con la nanotecnología.

34. CARACTERIZACIÓN DE NANO MATERIALES • Espectroscopía de Rayos Infrarrojo • Transmitancia y Reflectancia • Fotoluminiscencia • Microscopía Electrónica de barrido • Microscopía de Resonancia Magnética Nuclear • Microscopía de Fuerza Atómica • Nanoindentación • Estudios Termogravimétricos. • Modelación matemática.

35. Microscopio Electrónico de Barrido

41. Principales Universidades Trabajando en Nanotecnología • Harvard • MIT • Rice University • Columbia University • Cornell • Northwestern University • University of Tokyo • U.C. Berkeley

42. Mujeres en Nanotecnología • Angela Belcher, Profesora de ciencia de materiales e Investigadora del MIT. La mayoría de sus estudiantes son hombres. • Ganadora del premio “genius grant” en el 2004 por su trabajo profesional en MIT que concluye al ser co-fundadora de la compañía “called Cambrios Technology”. • Descubrió a mediados de los 90´s que un tipo de moluscos usaba proteínas para construir los cristales de carbonato cálcico para su concha. Copió la idea, pero con virus. Ahora construye con esos virus, entre otras cosas, nanocables y tejidos con diminutos sensores que detectan patógenos.

43. Que Hace la Dirección General de Investigación de la Universidad de San Carlos de Guatemalapara ingresar al mundo de la nanotecnología • El Programa Universitario de Investigación en Desarrollo Industrial –PUIDI- • Jornadas Iberoamericanas de tecnologías convergentes –NANO-INFO-BIO-COGNO- Septiembre de 2005. Cartagena, Colombia.

44. Interés por capacitar investigadores en el tema de la Nanotecnología. • 20 y 21 de Abril de 2006, Universidad de La Habana, Cuba. “Primera Reunión Temática de la Red de Macrouniversidades Latinoamericanas y del caribe: NANOTECNOLOGIA Y NUEVOS MATERIALES” • Gestión de FACYT 2006 “Talleres interactivos sobre NANOTECNOLOGÍA”

45. Web Sites recomendados www.nanotechnologyfordummies.com www.Nanobot.blogspot.com www.azonano.com www.nano.gov www.forbesnanotech.com www.fda.gov/nanotechnology www.nano.org.uk www.forsight.org www.nanotech-now.com www.howstuffworks.com

46. John HowardDirector del Instituto Nacional para la Seguridad y la Salud en el Empleo, (NIOSH) “Tal vez por primera vez en la historia necesitamos entender las propiedades cuánticas de los materiales a los cuales las personas están siendo expuestas.”

47. Agradecimiento Organizadores de la Semana Nacional de Ciencia, Tecnología e innovación 2007 Y a usted por su atención