Nanociencia y nanotecnología
Reseña histórica y conocimientos básicos
Autor: Felipe Peralta (lfeperalta@hotmail.com)
Editores: Sergio Senin, Paola Guadalupe y David Cuaspud.
“Nano” viene del prefijo griego que significa enano o algo muy pequeño y que en unidades representa la mil millonésima parte de un metro ( ). La nanociencia por un lado es una convergencia de la física, ciencia de materiales y biología que se enfoca al estudio de estructuras y moléculas en escalas de 1 a 100 nanómetros (nm); por otro lado, la nanotecnología utiliza a la nanociencia en aplicaciones prácticas como dispositivos, etc. Por lo que la nanotecnología es la capacidad de convertir la teoría obtenida de la nanociencia en aplicaciones útiles, esto mediante observación, medición, manipulación, ensamblaje, control y manufactura de la materia en escala de nanómetros (Mansoori & Soelaiman, 2005).
Para tener una idea, el cabello humano tiene un grosor de 60.000 nm y la doble hélice del ADN tiene un radio de 1 nm, tal y como se muestra en la figura 1.
La nanociencia se puede rastrear desde el siglo quinto antes de cristo (A.C), en Grecia, en el tiempo de Demócrito de Abdera el cual fue un filósofo, polímata y matemático que consideraba dos planteamientos importantes, uno de ellos consideraba que la materia es continua y que podía dividirse de manera infinita en piezas aún más pequeñas mientras que el segundo indicaba que la materia está compuesta de pequeñas partículas indivisibles e indestructibles algo que en la actualidad es cierto refiriéndonos a las mismas como átomos.
Las nanopartículas y estructuras han sido usadas por los humanos desde el siglo cuarto después de cristo (D.C) por los romanos, uno de los ejemplos más interesantes ejemplos es La copa de Licurgo ya que es el más famoso ejemplo de vidrio dicroico. El vidrio dicroico consiste en dos tipos diferentes de vidrio que permiten que la copa cambie de color en ciertas condiciones de luz (Museo británico, 2020). Esta copa se analizó en 1990 con el fin de explicar este fenómeno de dicroísmo; este estudio llegó a la conclusión de que este fenómeno era debido a la presencia de nanopartículas de entre 50–100 nm tales como plata, oro y cobre, por lo que las nanopartículas de oro estarían produciendo el color rojo, y la plata el color verde, todo esto debido a que estas nanopartículas reaccionan con la luz, tal y como se muestra en la figura 2. Además, este mismo efecto se puede observar en ventanas de iglesias de la era medieval (New York Times, 2005)
Durante los siglos noveno al diecisieteavo se utilizaron brillantes, esmaltes cerámicos, entre otros materiales que contenían nanopartículas como plata y cobre (Pradell, et al. 2007).
En 1857, Michael Faraday estudió la preparación y las propiedades del oro coloidal. El oro coloidal es una suspensión de nanopartículas de oro en un fluido generalmente agua, llamando la atención de este científico ya que a distintos tamaños de nanopartículas este oro coloidal tiende a presentar diferentes colores. Faraday demostró como las nanopartículas de oro producen soluciones de diferentes colores ya sea por el tamaño de las partículas de oro como también debido a ciertas condiciones de luz a las que sometía a las soluciones de oro coloidal (Faraday, 1857)
Posterior a esto, el físico americano y laureado del premio nobel Richard Feynman introduce el concepto de nanotecnología en 1959 durante la reunión anual de la sociedad física americana en el instituto de tecnología de California (Caltech), es aquí donde Feynman postula la pregunta “¿Porque no podemos escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler?”, además describió la visión de usar máquinas para construir máquinas aún más pequeñas y así sucesivamente hasta llegar a un nivel molecular. Todo lo mencionado por Feynman hizo que ahora sea conocido como el padre de la nanotecnología moderna. (Feynman, 1960)
Feynman atrajo la atención de varios científicos los mismos que desarrollaron dos acercamientos o posibilidades para la obtención de nanoestructuras, las cuales se resumen en dos categorías: top-down y bottom-up que en español significa de “arriba hacia abajo” y de “abajo hacia arriba”, respectivamente.
El enfoque top-down se basa en descomponer un material con el fin de obtener nano partículas de este. Este enfoque necesita de técnicas avanzadas como ingeniería de precisión y litografía, técnicas que han sido desarrolladas y optimizadas por la industria durante las recientes décadas. Por otro lado, el enfoque bottom-up se refiere a crear nanoestructuras átomo a átomo o molécula a molécula mediante métodos físicos y químicos que permitan una manipulación controlada y un auto ensamble de los átomos y moléculas (Iqbal, et al. 2012). Ambos enfoques se resumen en la figura 3
Posterior a las ideas de Feynman, es que empezaría la era moderna de la nanotecnología con grandes avances como la invención del Microscopio de efecto de túnel por parte de los físicos Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, invento que permitiría tomar imágenes de superficies a nivel atómico y que les daría el premio nobel en física en 1986. Seguido, en el año 1990, Don Eigler de IBM usó este microscopio para manipular átomos de xenón en una superficie de níquel y de esta manera formar el logo de IBM en la misma, tal y como se muestra en la figura 4.
El microscopio de efecto de túnel sería el punto de partida para nuevos descubrimientos y estudios en cuanto a instrumentos que son utilizados en la actualidad por los investigadores en nanotecnología, como el microscopio de fuerza atómica y el microscopio de sonda de barrido. Mediante estos instrumentos se lograron grandes avances como fue la identificación de bolas de carbono formadas de grafito evaporado dentro de una atmósfera inerte, en años seguidos se identificarían también nanotubos y los más conocidos C-dots o puntos de carbono, los cuales se convertirían en un material estrella debido a su baja toxicidad y buena biocompatibilidad, entre otras características, los C-dots han sido utilizados en la visualización de eventos biológicos en tiempo real conocido como bioimagen, también se han usado como biosensores y en la entrega de fármacos o drug delivery, haciendo más eficiente los tratamientos terapéuticos (Li, et al 2010).
Para concluir, tanto la nanociencia como la nanotecnología han progresado en diferentes campos de la ciencia, observando objetos de micro a nano e incluso a menores escalas en la física, de trabajar con materiales grandes y pesados a los C-dots en la química, de computadoras del tamaño de una habitación a las actuales laptops en la ciencia computacional, y de estudiar el comportamiento de la célula y su núcleo a estudiar a una simple biomolécula en la biología, en este último campo existe un tema muy interesante conocido como Origami de ADN, que son exactamente lo que menciona su nombre formas y figuras ensambladas mediante nanotecnología usando ADN como materia prima (Figura 6). Todo esto se resume en la figura 5.
Estos y muchos más campos que han emergido con el tiempo y conforme esta ciencia es más estudiada más aplicaciones tiene y a su vez genera términos y ciencias nuevas como nanomedicina, nanofármacos, nanobiochips, nanobiosensores, nano-oncología, nanoinformática y como estos muchos ejemplos más de los cuales se pretenderá abordar en su mayoría los principales y de mayor relevancia en futuras revisiones en nuestro blog.
Referencias
Bayda, S., Adeel, M., Tuccinardi, T., Cordani, M., & Rizzolio, F. (2019). The History of Nanoscience and Nanotechnology: From Chemical-Physical Applications to Nanomedicine. Molecules (Basel, Switzerland), 25(1), 112. https://doi.org/10.3390/molecules25010112
Castro, C. Kilchherr, F. Kim, D. Shiao, E. L. Wauer, T. Wortmann, P. Dietz, H. (2011). A primer to scaffolded DNA origami. Nature Methods, 8(3), 221–229.
Faraday, M. (1857). The Bakerian Lecture: Experimental Relations of Gold (and Other Metals) to Light. Philos. Trans. R. Soc. Lond. 147, 145–181.
Feynman, R. (1960). There’s plenty of room at the bottom. Eng. Sci. 23, 22–36.
Mansoori, G. Fauzi Soelaiman. (2005). T. Nanotechnology — An Introduction for the Standards Community. J. ASTM Int., 2, 1–22.
The British Museum. Disponible en línea: www.britishmuseum.org/research/collection_online/collection_object_details.aspx?objobjec=61219&partId=1 (Recuperado el 13 de agosto de 2020).
The New York Times. Disponible en línea: www.nytimes.com/imagepages/2005/02/21/science/20050222_NANO1_GRAPHIC.html (Recuperado el 13 de agosto de 2020).
Pradell, T. Climent-Font, A. Molera, J. Zucchiatti, A. Ynsa, M.D. Roura, P. Crespo, D. (2007). Metallic and nonmetallic shine in luster: An elastic ion backscattering study. J. Appl. Phys. 101, 103518
Iqbal, P. Preece, J. Mendes, P. (2012). Nanotechnology: The “Top-Down” and “Bottom-Up” Approaches. In Supramolecular Chemistry; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester, UK.
Li, Q. Ohulchanskyy, T. Liu, R. Koynov, K. Wu, D. Best, A. Kumar, R. Bonoiu, A. Prasad, P. (2010). Photoluminescent Carbon Dots as Biocompatible Nanoprobes for Targeting Cancer Cells in Vitro. J. Phys. Chem. C, 114, 12062–12068.
