Mónica Lucía Álvarez-Láinez - Nanotecnología

Dentro del contexto de T. S. Kuhn citado anteriormente, cabe preguntar si la nanociencia corresponde a una revolución científica. En el actual estado del arte, la nanociencia aún no ha producido episodios no acumulativos que reemplacen los paradigmas existentes. En otras palabras, aún no ha generado una revolución científica; sin embargo, algunos problemas que están surgiendo al nivel de la nanoescala, y que no tienen una explicación dentro de los paradigmas existentes, pueden ocasionar una crisis que dé como resultado una revolución científica.

La suposición de que la nanociencia corresponde a una revolución del conocimiento puede causar algunas confusiones. Resulta frecuente observar en los contenidos curriculares propuestas de cambios para introducir la enseñanza de la nanociencia como si esta estuviese alimentada por nuevas teorías.

Lo que ha ocurrido con la nanociencia es que ha tenido un tránsito evolucionario hacia escalas nanométricas, donde aparecen comportamientos novedosos y en ocasiones contraintuitivos, lo que recuerda la interpretación de los fenómenos cuánticos. Se comercializa la nanociencia como si esta no formara parte de la ciencia normal. Recordemos que los nanomateriales se están investigando a partir de las teorías de la electroquímica, la física y la química de coloides, entre otras. Cuando hacemos nanociencia, estamos haciendo física, química o biología en escalas correspondientes a los nanómetros; es decir, no nos estamos enfrentando a una nueva disciplina o área del conocimiento con sus propias teorías. Aún nos hace falta hacer una transición evolutiva hacia la mecánica cuántica, como marco de validez para una gran parte de los fenómenos que ocurren en estas escalas.

La nanotecnología podría, sí, suponer cambios de paradigma con respecto a las técnicas de manufactura e implementación de las nuevas tecnologías. Allí el término revolución podría tener cabida, aunque resulta problemática su apreciación dentro del contexto en el que han cobrado significación la ciencia normal y las revoluciones científicas. En un texto de C. Pérez se define la revolución tecnológica “como un poderoso y visible conjunto de tecnologías, productos e industrias nuevas y dinámicas, capaces de sacudir los cimientos de la economía y de impulsar una oleada de desarrollo de largo plazo”[18]. En esta definición se expresa la teoría de las olas de Kondratieff, y, por supuesto, la nanotecnología cumple con tales criterios de revolución tecnológica.

1.5 Retos para la nanociencia y la nanotecnología

En su ensayo Our energy challenge, del 2003, el premio nobel R. E. Smalley menciona los diez principales problemas que deben ser asumidos por la ciencia y los gobiernos para los siguientes cincuenta años[19]. Estos problemas son: energía, agua, alimentación, ambiente, pobreza, terrorismo y guerra, enfermedad, educación, democracia y población. No hay duda de que en esta lista se encuentran los principales retos que deben asumir la nanociencia y la nanotecnología para los próximos años. La crisis de agua potable y de energía, la creciente contaminación del medio ambiente, la salud pública y la inocuidad alimentaria son los principales desafíos sobre los que se construye la hoja de ruta para conducir a la sociedad a unas mejores condiciones de vida y de bienestar[20].

De esto surge entonces la siguiente pregunta: ¿Cuál es la principal tarea para conseguir soluciones a los problemas planteados? Estos problemas pertenecen a la escala macro, pero en la escala nano ocurren procesos y comportamientos de la materia y la energía que pueden contribuir de manera eficaz a su solución. Entonces, ¿cómo lograr el tránsito desde el mundo nano hacia el mundo macro conservando las propiedades que ofrece la nanoescala? Este es, pues, uno de los grandes desafíos: desarrollar procesos para escalar el volumen de producción de nanomateriales manteniendo la calidad suficiente para que sean operativos en la escala macro, pero reduciendo significativamente los costos y el impacto ambiental y en los seres vivos.

1.6 Logros y beneficios de la nanotecnología

Con el incremento de la población mundial, que para mediados del siglo xxi se estima llegará a los 9.000 millones, el consumo de recursos naturales y energéticos es cada vez más exigente. Esto plantea un serio problema de sostenibilidad y supervivencia. Como muestra de ello, una grave crisis de acceso a agua potable y a energía disponible ya se está haciendo realidad[21].

Uno de los objetivos de la agenda de desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas es reducir sustancialmente el número de habitantes con carencia de agua potable. Para alcanzar esta meta, entre otras soluciones, se proyecta la implementación de estrategias innovadoras con el uso de nanomateriales para la remoción de contaminantes tales como arsénico, mercurio, pesticidas, bacterias, virus y sales. Nanopartículas de óxido de titanio, por ejemplo, pueden degradar contaminantes orgánicos; partículas de plata eliminarían eficientemente contaminantes bacterianos; nanofiltros hechos de nanotubos de carbono o membranas nanoestructuradas crearían barreras físicas para impedir el paso de sales disueltas en el agua o eliminar contaminantes bióticos (bacterias y virus). Así mismo, para la remoción de metales pesados, metaloides o sustancias orgánicas derivadas de los hidrocarburos, se puede hacer uso de nanopartículas magnéticas, las cuales pueden ser fácilmente capturadas con campos magnéticos externos.

Se observa, entonces, que con una cuidadosa evaluación del impacto en el medio ambiente y los seres vivos, será posible implementar soluciones económicamente accesibles y sostenibles que contribuyan eficazmente al saneamiento de los recursos hídricos[22].

De modo similar, con la oferta de nuevos materiales y procesos nanoescalares se abre la posibilidad de desarrollar colectores de energía bioinspirados4 y digestores de mayor eficacia que los existentes[23]. Con el uso de bacterias capaces de descomponer materia orgánica presente en aguas residuales, y la consecuente producción de energía, se presentan importantes alternativas para lograr, dentro de un enfoque holístico, asumir el problema de remediación de aguas contaminadas y, a su vez, producir energía útil.

En este sentido, la nanociencia y la nanotecnología jugarán un papel primordial, por el aporte de materiales de soporte para que las colonias bacterianas puedan alcanzar niveles eficientes de producción de energía a partir de los procesos de remediación del recurso hídrico.

Por otra parte, el mercado de nanosensores para la detección, medición y monitoreo de señales y agentes químicos o biológicos crece de manera exponencial. Con la implementación de nuevas tecnologías y métodos de nanofabricación, se hace posible mejorar sustancialmente la precisión y sensibilidad de estos dispositivos. Ya se han diseñado nanosensores que permiten monitorear con una gran sensibilidad procesos biológicos, identificar explosivos, hacer vigilancia ambiental, medir la concentración de contaminantes en aguas, suelos y aire, monitorear niveles de glucosa en pacientes con diabetes y hacer una detección temprana de cáncer. Mejorando, pues, la portabilidad, los costos y la detección selectiva, los nanosensores pronto alcanzarán el nivel de desarrollo suficiente para incorporarlos masivamente en procesos y actividades de investigación y desarrollo[24-25].

En otro aspecto, la industria de la construcción está siendo drásticamente impactada por los acelerados avances en materia de nanotecnología. Ya resulta viable el desarrollo y la implementación de recubrimientos autolimpiables para fachadas y de polímeros como barreras protectoras en carreteras, con capacidad de reparación autónoma de daños y deterioro por uso. En la figura 1.5 se presenta una imagen sem de nanohilos recubiertos con nanopartículas de óxido de sílice funcionalizadas (preparadas para ser utilizables), que permiten la confección de nanomateriales superhidrófobos y con capacidad de aislamiento térmico, los cuales son estratégicos para que puedan ser implementados en la industria de la construcción.