La naturaleza nos rodea, como macrocosmos y como microcosmos. El macrocosmos está formado por objetos proporcionados al hombre y perceptibles por los sentidos, como 

La naturaleza nos rodea, como macrocosmos y como microcosmos. El macrocosmos está formado por objetos proporcionados al hombre y perceptibles por los sentidos, como animales, plantas y diversos cuerpos físicos. El microcosmos, en cambio, es un conjunto de objetos extremadamente pequeños, como moléculas, átomos y partículas elementales. Estos dos "mundos" tienen sus propias reglas, pero están estrechamente vinculados

 . En su búsqueda del conocimiento, la humanidad ha llegado a dominar incluso el sistema de partículas más pequeño de todos: la nanotecnología. La nanotecnología (del griego antiguo "nanos" - nano) significa la milmillonésima parte (1 nm = 10-9 m), un concepto clave a principios del siglo XXI, símbolo de la revolución científica y tecnológica y paso lógico en el desarrollo de todas las ramas de la ciencia superior.

Ya en el año 400 a.C., el filósofo griego Demócrito utilizó por primera vez el término "átomo" para describir la partícula más pequeña de materia

 . Más de 2.000 años después, Isaac Newton propuso la posibilidad de estudiar los objetos a nivel atómico, como describe en su obra "Opticks", publicada en 1704. En el libro, Newton expresaba la esperanza de que los microscopios del futuro fueran capaces algún día de investigar los "secretos de los corpúsculos"

 . Albert Einstein fue el primer científico que utilizó mediciones nanométricas. En 1905, escribió en sus artículos científicos que el tamaño de una molécula de azúcar es de aproximadamente 1 nanómetro .

Sin embargo, sin herramientas técnicas no es posible desarrollar la nanotecnología. Así, la creación del primer microscopio electrónico de transmisión en 1932 y del microscopio electrónico de barrido en 1938 fueron pasos importantes en la formación de la base tecnológica para la producción y aplicación de nanoestructuras y materiales nanoestructurados

 . El siguiente gran salto tecnológico fue el desarrollo del microscopio de efecto túnel de barrido en 1981, que valió a sus creadores el Premio Nobel de Física, y su sucesor (1986), que desarrolló el microscopio de fuerza atómica

En 1959, el físico estadounidense y Premio Nobel Richard Phillips Feynman mencionó por primera vez las técnicas que más tarde se denominarían nanotecnología

 . Feynman consideró la posibilidad de crear piezas y dispositivos a nanoescala mediante el ensamblaje "atómico", pieza a pieza. El científico afirma: "Por ahora, nos vemos obligados a utilizar las estructuras atómicas que nos ofrece la naturaleza". Y añade: "Pero, en principio, un físico podría sintetizar cualquier sustancia según una fórmula química determinada"

 . Ojalá dispusiera de un instrumento capaz de ampliar suficientemente los "corpúsculos" y transportarlos así del microcosmos al macrocosmos en el que percibimos la realidad.

El término "nanotecnología" fue acuñado por primera vez por Norio Taniguchi en la Conferencia Internacional de Ingeniería Industrial celebrada en Tokio en 1974. Acuñó el término para referirse a la fabricación de productos con dimensiones de unos pocos nanómetros y también lo utilizó para describir el procesamiento de materiales con precisión nanométrica

Así, ha tomado forma un nuevo campo de la ciencia y la tecnología: la nanotecnología. Se trata de un campo interdisciplinar de la ciencia y la tecnología básicas y aplicadas, que aborda una combinación de fundamentos teóricos, métodos prácticos de investigación, análisis y síntesis, así como métodos de producción y aplicación de materiales, dispositivos y sistemas técnicos, cuyo funcionamiento viene determinado por la nanoestructura, es decir, fragmentos ordenados de entre 1 y 100 nanómetros de tamaño

 . En pocas palabras, la nanotecnología implica la manipulación de materiales y dispositivos tan pequeños que no pueden percibirse salvo con instrumentos especiales. Por ejemplo, el tamaño de la mayoría de los átomos está entre 0,1 y 0,2 nm, la anchura de una molécula de ADN es de unos 2 nm. En comparación, el tamaño típico de una célula sanguínea (unos 7.500 nm) o el de un cabello humano (80.000 nm) parecen enormes

Las partículas muy pequeñas adquieren propiedades específicas en la nanoescala, ya que la relación superficie-volumen aumenta al disminuir el tamaño. Por tanto, las nanopartículas reaccionan mucho más fácilmente en las reacciones químicas y presentan efectos de física cuántica más pronunciados. Los efectos cuánticos pueden influir en las propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas de los materiales de forma impredecible

Muchos de nosotros utilizamos a diario los avances de la nanotecnología sin darnos cuenta. La electrónica moderna ya ha pasado de lo "micro" a lo "nano" y los transistores que se fabrican hoy -la base de todos los chips- están en el rango de los 90 nm y serán cada vez más pequeños

 . El esparadrapo que utilizamos para cubrir pequeñas heridas cutáneas está recubierto de una fina capa de nanoplata que ayuda a que la herida cicatrice más rápidamente. Los fabricantes de dentífricos utilizan cada vez más nanopartículas minerales de hidroxiapatita cálcica para rellenar las microfracturas del esmalte y proteger los dientes de la caries . 

Uno de los proyectos nanotecnológicos más conocidos y de mayor éxito es Nanospider. Se trata de una tecnología de hilado electrostático utilizada para crear nanofibras. Fue desarrollada a principios de la década de 2000 por científicos de la República Checa y permite crear nanofibras a partir de diversos materiales, como polímeros, cerámica y metales. El proceso de creación de nanofibras con la tecnología "Nanospider" se basa en la fuerza electrostática y permite hilar una fina capa de solución polimérica sobre el electrodo de hilatura. En otras palabras, bajo la influencia de un fuerte campo eléctrico, el polímero se "adhiere" en una fina capa al hilo del electrodo, formando así una nanofibra. Este proceso crea nanofibras con diámetros que oscilan entre unos pocos nanómetros y varios micrómetros.

Las nanofibras creadas con ayuda de la tecnología Nanospider pueden utilizarse en diversos campos, como la medicina, la electrónica y la industria textil, entre otros. Por ejemplo, pueden utilizarse para crear filtros de aire y agua, materiales biomédicos, baterías de iones de litio y textiles con mayor transpirabilidad y repelencia al agua

 . La nanotecnología es muy prometedora para la energía solar, ya que hace que los paneles solares sean más eficientes y menos caros. La creación de películas finas de nanopartículas permite producir paneles solares más flexibles y ligeros que pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones. Las células fotovoltaicas pueden depositarse sobre cualquier superficie, incluidos materiales flexibles como el plástico, lo que permite producir paneles solares flexibles y ligeros que pueden montarse en diversas superficies. El material es 100 veces más ligero que los paneles solares convencionales, pero puede generar 18 veces más energía

La idea de imitar a la naturaleza para resolver problemas complejos se hace realidad en todos los campos de la ciencia y la tecnología, y la nanotecnología no es una excepción. Uno de los objetivos importantes de la nanotecnología es crear un nanorobot, un ensamblador capaz de "construir" diversos objetos definidos por el ser humano a partir de átomos, y crear un replicador, una estructura capaz de reproducirse a sí misma a partir de los mismos átomos, es decir, "multiplicarse" (replicarse). La naturaleza utiliza replicadores en todas partes, tanto en la maquinaria celular como en la reproducción de organismos vivos

La base de la teoría de las estructuras autorreplicantes es de John von Neumann, y fue escrita en 1940. Basándose en su modelo, es posible imaginar un replicador como un "constructor"; cuando un tercer replicador es producido por otros dos replicadores, el proceso de replicación es dos veces más rápido y el número de replicadores aumenta exponencialmente. Con la ayuda de replicadores, por tanto, varios robots de tamaño micrométrico pueden transformarse en una estación orbital en un intervalo de tiempo relativamente corto

 . La teoría de los nanorobots autorreplicantes ha dado lugar al hipotético escenario de catástrofe global de la "plaga gris", en la que máquinas autorreplicantes incontrolables consumen toda la biomasa de la Tierra. El término se ha convertido en terreno fértil para la ciencia ficción y la prensa popular

Kim Eric Drexler, pionero de la nanotecnología molecular, acuñó por primera vez el término en su libro de 1985 "Máquinas de creación", en el que describe nanomáquinas que sólo pueden funcionar si disponen de materias primas especiales: "

El primer replicador ensambla su copia en mil segundos; dos replicadores ensamblan dos más en los mil segundos siguientes; cuatro ensamblan cuatro más y ocho ensamblan ocho más. Al cabo de diez horas ya no son treinta y seis, sino más de 68.000 millones. En menos de un día habrán ganado una tonelada de peso, en menos de dos días pesarán más que la Tierra, en otras cuatro horas su peso superará la masa del Sol y de todos los planetas juntos - a menos que antes se agote la materia química disponible

Aunque en 2015 los científicos lograron crear una molécula de ADN autorreplicante capaz de producir copias de sí misma en un entorno especial

 , estas tecnologías aún se encuentran en una fase temprana de investigación y desarrollo y presentan ciertas limitaciones y desventajas. Por ejemplo, son ineficaces o inestables en condiciones reales. Según muchos científicos, el proceso de autorreplicación es muy difícil de llevar a la práctica, aunque no contradiga ninguna ley física, y la nanotecnología moderna aún está lejos de la autorreplicación. Y los nanorobots autorreplicantes "imparables" son aún más difíciles de crear

¿En qué punto se encuentra la nanoquímica?

Ilustración en 3D de un nanorobot dirigido a una célula maligna

La nanotecnología afecta prácticamente a todas las ramas de la ciencia, y la química está a la vanguardia. Las propiedades químicas y la reactividad cambian considerablemente en función del tamaño de la sustancia. Esto crea nuevas perspectivas, sobre todo para el desarrollo de nuevos fármacos y sus sistemas de administración

Este campo de la medicina promete nuevos conocimientos sobre los códigos genéticos que podrían ser de interés para el diagnóstico y la terapia; los nanorobots que operan en el interior del cuerpo podrían mejorar la eficacia del tratamiento médico; nuevos métodos de administración y distribución de fármacos; desarrollo de tejidos y órganos artificiales más robustos y no rechazables en el diseño de prótesis e implantes; los sistemas basados en sensores podrían llevar la medicina preventiva a un nuevo nivel

 . Además, la nanotecnología parece especialmente prometedora cuando se trata de métodos más fiables de tratamiento del cáncer en términos de eficacia y seguridad.

Una de las técnicas nanomédicas más utilizadas actualmente en oncología clínica es la quimioterapia nanoformulada: nanopartículas proteicas o lipídicas administran agentes quimioterapéuticos directamente a las células malignas. Estos fármacos presentan mejores parámetros farmacológicos y una toxicidad reducida en comparación con la "química" estándar. De este modo, puede lograrse un equilibrio entre la eficacia y la toxicidad de las terapias contra el cáncer

Una de las principales ventajas de los nanomateriales es su capacidad para interactuar fácilmente con el sistema inmunitario humano. Las nanopartículas pueden transportar diferentes antígenos, o una combinación de ellos, lo que aumenta significativamente la eficacia del tratamiento

 . Sin embargo, a pesar de lo prometedor de este campo de investigación, hay pocas nanomedicinas que utilicen con éxito la nanotecnología de este modo. Con cada nuevo uso, el problema es la dificultad de determinar la proporción o combinación correcta de nanopartículas con el fármaco específico de interés

 . Ante la gran promesa y el creciente interés que despiertan los fármacos basados en nanopartículas, hay que prestar gran atención al estudio de su farmacocinética y farmacodinámica para optimizar la administración del fármaco en el lugar de destino y minimizar los efectos secundarios, ya que las nanopartículas pretenden lograr efectos acumulativos, una acción duradera con una excreción mínima del organismo

En la última década, la imagen ha revolucionado el campo del diagnóstico, con técnicas como la resonancia magnética y la tomografía computarizada, que producen resultados impresionantes. La nanotecnología ofrece herramientas de diagnóstico in vitro e in vivo (artificial y en células vivas, respectivamente) muy superiores a otros equipos modernos en cuanto a precisión y sensibilidad

 . La nanotecnología está preparada para llevar los diagnósticos a un nivel completamente nuevo, haciendo que los diagnósticos celulares y posiblemente subcelulares estén ampliamente disponibles, permitiendo a los médicos detectar enfermedades lo más rápidamente posible

Las siete áreas clave del programa de nanotecnología del Departamento de Defensa de Estados Unidos

Las nanofibras tienen aplicaciones que van desde los apósitos a la cirugía de trasplantes. Los científicos están creando apósitos inteligentes para heridas que incorporan nanofibras para liberar fármacos, estimular la coagulación y detectar inflamaciones mediante nanosensores

 . Y en ingeniería de tejidos, los nanomateriales pueden utilizarse para crear tejidos cuya función y estructura sean similares a las del organismo

 . Los expertos predicen que el mercado de la nanomedicina alcanzará los 433 900 millones de dólares ya en 2027. Se están produciendo avances en muchos campos. Sin embargo, toda innovación médica requiere un largo y costoso camino desde la invención hasta el ensayo clínico.

La nanomedicina tiene potencial para mejorar los fármacos existentes e inventar otros nuevos. Sin embargo, los productos de nanomedicina necesitan más pruebas e investigaciones para comprender cómo interactúan con otras biomoléculas del organismo y qué efectos biológicos puede tener esta interacción a largo plazo

 . Además, la probable eficacia de los fármacos nanoterapéuticos y la nanomedicina puede ser indeseable para la industria farmacéutica. Y luego está la cuestión del uso bélico de estas tecnologías.

Es posible una revolución en el armamento gracias a la capacidad de la nanotecnología para modificar las propiedades físicas y químicas de las partículas, lo que a su vez hace posibles materiales estructurales de alta resistencia, ligeros, resistentes a la corrosión y al calor, con propiedades mecánicas, térmicas y ópticas únicas (metales, aleaciones, cerámicas, polímeros, compuestos) que pueden llevar el armamento a un nuevo nivel. Dado que el blindaje pesa una media de 14-15 kg, un material nanocompuesto (una combinación de grafeno y nanotubos de carbono) hará que el blindaje sea un 70% más ligero y mucho más resistente, capaz no sólo de proteger contra las heridas, sino también de disipar la energía del impacto

 . Los nanomateriales compuestos podrían permitir diseñar aviones, barcos, vehículos terrestres y armas ligeras, increíblemente resistentes y extremadamente baratas

Los drones no tripulados son ya habituales y se utilizan muy activamente en operaciones de combate. Con la aplicación de la nanotecnología, los avances en drones pueden alcanzar un nivel completamente nuevo. Drones del tamaño de un insecto, con toda una gama de capacidades de vigilancia y recopilación de información, podrían transformar por completo los escenarios de reconocimiento y guerra

 . Los explosivos a nanoescala pueden utilizarse para crear explosivos más potentes y eficaces, los nanosensores pueden utilizarse para detectar agentes químicos, biológicos o radiológicos en el entorno, lo que a su vez ofrece una ventaja en el desarrollo de estrategias militares más eficaces.

Buques de guerra, satélites, captación y almacenamiento de energía, ciberseguridad, invisibilidad de radares y sonares: la nanotecnología podría revolucionar todos los aspectos de la defensa

 . Sin embargo, el desarrollo de la nanotecnología en la industria de defensa entraña riesgos considerables. Debido a la naturaleza altamente reactiva de las nanopartículas, las consecuencias de su interacción con los sistemas biológicos, desde sus efectos en el cuerpo humano por inhalación o absorción dérmica hasta su impacto en el medio ambiente, son muy difíciles de predecir. En el contexto del armamento, no se trata de sustancias inocuas y no nocivas

Aviones militares del tamaño de un insecto están a punto de revolucionar la industria bélica

Por el contrario, el uso de la nanotecnología en la industria de la seguridad podría desempeñar un papel muy positivo, como el uso de nanosensores para detectar drogas o explosivos en los aeropuertos, o de nanomateriales para crear equipos más eficaces y duraderos para las fuerzas policiales. Pero si consideramos la cuestión en el contexto del uso de la nanotecnología en las armas modernas, el problema ético se agudiza: existe un gran riesgo de que el uso de los avances de la nanotecnología en el desarrollo de armas pueda dirigirse contra determinados grupos étnicos o genéticos, conduciendo de hecho al exterminio de un segmento de la población

 . En el contexto de la tecnología moderna, la carrera armamentística puede adoptar un aspecto completamente distinto: lo más peligroso no es lo cada vez más grande, sino lo cada vez más "nano".

Esbozo de nanomateriales desarrollados para biotecnología vegetal e ingeniería genética

El sector agrícola abastece de alimentos a una población cada vez más numerosa y suministra materias primas a la industria alimentaria. Para hacer frente a esta tarea -teniendo en cuenta las distintas condiciones climáticas, la variabilidad de la fertilidad del suelo, las plagas y enfermedades de las plantas, y también para producir más con menos-, la agricultura utiliza desde hace tiempo organismos modificados genéticamente (OMG), fertilizantes, pesticidas, etc. El rápido crecimiento de la población supone un reto para la seguridad alimentaria y requiere métodos eficaces de mejora de los cultivos. En los últimos años, la nanotecnología ha sido objeto de atención, ya que puede aplicarse en diversas fases de la agricultura, desde la siembra hasta el crecimiento de las plantas, pasando por el almacenamiento y el transporte de productos agrícolas

Nanofertilizantes, nanoherbicidas (productos químicos utilizados para matar la vegetación), nanofungicidas (productos químicos utilizados para controlar las enfermedades fúngicas de las plantas), nanobiosensores, vectores genéticos de tamaño nanométrico y nanocompuestos para envases son nuevas aplicaciones de la nanotecnología en la mejora de los cultivos. Pueden permitir una mejor distribución de los nutrientes a la zona objetivo de la planta y las propiedades únicas de las nanopartículas pueden ampliar los efectos de los pesticidas y fertilizantes, mejorando significativamente el control de las enfermedades y plagas de los cultivos. Los biosensores pueden servir para crear granjas de alta tecnología, llevando la agricultura a un nuevo nivel tecnológico

Los métodos convencionales de ingeniería genética de plantas transportan principalmente ADN al núcleo, donde se integra en el genoma, lo que provoca la migración de genes de plantas transgénicas y aumenta la resistencia de las plantas. Con el reciente desarrollo de la nanotecnología, ha ganado terreno el uso de nanopartículas para la transferencia de genes. El método de entrega varía de una nanopartícula a otra, ya que cada una tiene características diferentes, como la magnetofección (transformación basada en nanopartículas magnéticas, es decir, la transferencia de genes al núcleo celular mediante la aplicación de un campo magnético

 ), el uso de nanotubos de carbono que pueden penetrar las membranas de las células vegetales y presentan muchas ventajas en la ingeniería genética de las plantas

 , el uso de nanoestructuras de ADN, que pueden entrar en las células vegetales sin ayuda externa

 , o el uso de nanomateriales peptídicos, que restauran la composición química de las plantas dañadas

Los nanoproductos y nanomateriales ayudan a crear prácticas agrícolas sostenibles y reducen significativamente el uso de productos químicos gracias a una aplicación más precisa. La nanotecnología también se está abriendo camino en la ingeniería genética: la transformación genética mediada por nanopartículas se está desarrollando rápidamente, lo que permite a los investigadores romper la barrera de la pared celular y penetrar en la membrana de las células vegetales, además de reducir los inconvenientes asociados a los actuales sistemas de administración de transgenes. Sin embargo, aún quedan muchos retos por superar. El principal problema de la modificación genética mediante nanoensamblajes es la falta de una transformación genética estable y la incapacidad de producir plantas transgénicas, es decir, plantas en las que un gen transferido artificialmente desde otras especies funciona con éxito y se reproduce

Además, hay un gran desconocimiento sobre los efectos a largo plazo de los nanomateriales en las plantas, los efectos negativos de las nanopartículas que se acumulan en el medio ambiente, que pueden causar ecotoxicidad, y sobre todo los efectos en los seres humanos cuando se consumen productos cultivados o modificados con nanotecnología.

Ilustración de los contornos de la futurista ropa inteligente de fibras tratadas con nanomateriales para dispositivos multifuncionales en el cuerpo.

El Instituto de Nanotecnología del Soldado (ISN)

 ha colaborado con el Ejército estadounidense y el Instituto Tecnológico de Massachusetts en un proyecto para desarrollar un traje de combate para soldados equipado con nanosensores para detectar agentes biológicos y químicos, monitorizar estados corporales, un material absorbente de energía, protección contra explosiones y balas, y un blindaje ultraligero y flexible

Gracias a la aplicación de la nanotecnología en la industria textil, los textiles inteligentes prometen un gran avance en términos de salud y seguridad. Además de que los textiles ya pueden tener propiedades antimicrobianas, hidrófugas, repelentes de la grasa y la suciedad y antiestáticas, con el uso de nanopolímeros conductores se hace posible dotar a los textiles de conductividad eléctrica. La idea de que los textiles son capaces de almacenar la energía solar, térmica y bioquímica del cuerpo humano se está haciendo realidad

 . Por ejemplo, cuando una persona camina en un día soleado y caluroso, utiliza energía biomecánica, energía solar, calor corporal y también la energía bioquímica del sudor. Por lo tanto, se necesita un generador híbrido que utilice eficazmente estas formas de energía al mismo tiempo. Esta integración con el tejido se considera una perspectiva de investigación prometedora para el desarrollo de una fuente de energía sostenible para la electrónica vestible

 . Será como ser un superhéroe de cómic.

El camuflaje adaptativo se está haciendo realidad gracias a los avances hacia nanomateriales que presentan cromogenicidad (cambio de color al exponerse a estímulos externos como la luz (fotocromía), el calor (termocromía), los campos eléctricos (electrocromía) o los campos magnéticos (magnetocromía)

 . Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son enormes, desde la creación de armaduras ligeras y resistentes hasta la monitorización de las constantes vitales y el desarrollo de soluciones médicas para tratar rápidamente las heridas en el campo de batalla. Aunque aún no está claro cómo funcionará esta tecnología, existe la perspectiva de crear un traje especializado más protector y eficaz, pero que seguirán llevando los humanos de a pie

La transición de lo "micro" a lo "nano" ya no es una transición cuantitativa, sino cualitativa, un salto de la manipulación de la materia a la manipulación de átomos individuales. Aunque la investigación activa en la aplicación de la nanotecnología tiene poco más de dos décadas, la evolución del campo desde entonces es impresionante. El comportamiento único de las nanopartículas ha propiciado su uso en diversos campos. Hoy en día, literalmente cada ciencia tiene un campo separado con el prefijo "nano": nanoquímica, nanomedicina, nanoecología, nanoseguridad, nanoingeniería, nanobiología, etcétera.

No cabe duda de que el desarrollo de la nanotecnología ya está cambiando nuestro mundo y tendrá un impacto aún mayor en el futuro, porque este campo interdisciplinar es una especie de puente entre los sistemas físicos, digitales y biológicos. El uso de la nanoescala permite a estos sistemas interactuar entre sí, crear conexiones.

Como cualquier nueva tecnología, plantea muchas cuestiones controvertidas, como la preocupación por la toxicidad y los efectos de los nanomateriales en el medio ambiente y el cuerpo humano; el impacto potencial en la economía mundial; los problemas de seguridad; el control y la calidad de la aplicación de la producción; el desarrollo responsable y seguro en cada sector; las cuestiones sociales y éticas, que van desde la pérdida de puestos de trabajo hasta los interrogantes sobre la posibilidad de una vida "eterna"; y la especulación sobre distintos escenarios del fin del mundo

Es probable que la nanotecnología lleve todos los ámbitos de nuestra vida a un nivel cualitativamente diferente, y por el momento aún somos incapaces de comprender la mayoría de las posibilidades de esta tecnología. Tampoco somos capaces de evaluar los riesgos y consecuencias de su invasión a gran escala de nuestras vidas. Pero de una cosa estamos seguros. No hay vuelta atrás, la humanidad sigue acelerando.

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El microcosmos: cuanto más pequeño, mejor funciona

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