La nanociencia es el estudio de los procesos fundamentales que ocurren en estructuras de 1 a 100 nanómetros. Está fuertemente relacionada con la Nanotecnología.
«Nano-» es el prefijo utilizado para indicar la mil-millonésima parte de algo, en términos de notación científica se expresa como 1 × 10 -9, algunos ejemplos de esta serían:
1 nanómetro = 0.000000001 metros. 1 nanosegundo = 0.000000001 segundos.
La nanociencia puede relacionarse con diferentes ciencias, con los descubrimientos que se han hecho en los últimos años se ha comprobado que a través de la tecnología se pueden mejorar distintos campos de la ciencia como la biología, química, física, ciencia de los materiales y la ingeniería; se espera que su impacto a futuro en la vida diaria sea grande, sin embargo también se han tenido que estudiar las consecuencias y el impacto que puede causar el uso de objetos tan pequeños, un ejemplo son los riegos que se pueden correr, pues al tratarse de materiales relativamente "nuevos" y extremadamente pequeños, contienen distintas propiedades que deben de ser analizadas de acuerdo a cada situación.
El prefijo nano- proviene del latín nanus y significa "enano".
La nanociencia puede formar parte de prácticamente todas las actividades del ser humano como en las industrias, comunicaciones, educación, agricultura, uso de energía, sistema de defensa militar, sistemas de comunicación o transporte, comercio, entretenimiento general, entre otras muchas cosas.
Historia El 29 de diciembre de 1959 el físico Richard Feynman habló sobre las ideas y conceptos de la nanociencia y la nanotecnología a través de su charla titulada There's Plenty of Room at the Bottom en una reunión de la Sociedad Americana de Física en el California Institute of Technology, el físico describió un proceso en donde los científicos podrían manipular y controlar átomos y moléculas individuales. El profesor Norio Taniguchi acuñó el término nanotecnología una década más tarde.
Desde tiempos muy antiguos el hombre busca mejorar su entorno y la nanotecnología es el proyecto de ciencia que la humanidad lleva a cabo para fabricar y perfeccionar materiales a la escala de lo muy pequeño. Por ejemplo, el uso de nanopartículas de oro no es algo nuevo en la humanidad, en la Edad Media los artesanos aprendieron que al mezclar pequeñas cantidades de oro o plata con el vidrio, se obtenían diferentes colores, los cuales se usaban en los vitrales de iglesias. En ese entonces no se sabía el porqué de dichas propiedades ópticas, pero en la actualidad eso se puede explicar con ayuda de la nanociencia.
Richard Feynman
En el año de 1960 Richard Feynman, considerado por algunos como el padre de la nanotecnología, dio una plática en la cual hace una invitación a todo el mundo para entrar en un nuevo campo de la física. Uno en el que en ese entonces había poco avances, sin embargo sí había y faltaba mucho por descubrir, este campo no hablaría mucho sobre la física fundamental, pero sí de extraños fenómenos que ocurrían en situaciones complejas y tendría un gran número de aplicaciones técnicas. De lo que estaba hablando Richard Feynman era de poder controlar la materia a pequeña escala.
Algunos puntos interesantes dentro de su discurso son: mejores microscopios de barrido, miniaturizar la computadora, el poder escribir una enciclopedia en la punta de un bolígrafo, el maravilloso sistema biológico, un millón de manos pequeñas, reacomodar átomos, etc.
Richard E. Smalley Richard E. Smalley referido también como "el padre de la nanotecnología", fue profesor en Rice University, ganó el premio Nobel de Química en 1996 y es aún más conocido por su trabajo en nanotubos de carbono. Smalley tenía la esperanza de que la nanotecnología resolviera el problema global de energía, el cual por sí mismo resolvería a su vez problemas de hambre y falta de agua; él en general veía a la nanotecnología como beneficio para la humanidad. "Sé un científico, salva el mundo", era su célebre frase. De ahí la sublime intención de erradicar el hambre en las próximas décadas a través de la alimentación 3d generada por impresoras que logran sintetizar alimentos prácticamente instantáneos. Este tipo de alimentos ya están siendo comercializados ampliamente por las grandes cadenas de supermercados. Se intenta evaluar el efecto y la tolerancia de la población a dichos alimentos.
En 1999 el Centro de Nanociencia y Tecnología de su universidad (CNST) fue renombrado en su nombre.
Nanociencia en el mundo
Europa Europa ha sido uno de los grandes inversionistas en esta ciencia, destacando principalmente Alemania, Francia y Reino Unido, aunque se debe de especificar que una parte importante de estas inversiones provienen del sector privado.
América Latina Brasil es el primer lugar en desarrollo e investigación, seguido de México, dónde a pesar de los esfuerzos de algunas instancias, sigue estando muy abajo en comparación a otros países más desarrollados.
Asia Actualmente varios países en Asia invierten en nanociencia pero los que destacan más en el sector educativo son Singapur, China y Corea del Sur, respectivamente. Hasta 2018 según el "ShanghaiRanking's Global Ranking of Academic Subjects 2018 - Nanoscience & Nanotechnology" la Nanyang Technological University en Singapur fue la Universidad que consiguió el puntaje más alto a nivel mundial.
Física En la nanociencia se estudian los objetos a gran escala los cuales se ven regidos por las leyes que van desde la física cuántica a la física clásica, pasando por la física del estado sólido.
Física cuántica
La física cuántica es la encargada de explicar los fenómenos extraños que ocurren a esta escala, los objetos pueden ser partículas y ondas a la vez, pero principalmente, la energía ya no es continua, sino que viene en "cuantos" que son pequeños paquetes de energía, además las leyes del mundo cuántico no son como las conocemos, sino que son probabilísticas.
Física del estado sólido La física del estado sólido es la rama de la física de la materia condensada que se dedica al estudio de las propiedades físicas de la materia en dicho estado.
Gran parte de su estudios se centran en los cristales gracias al tipo de acomodo periódico de estos.
Herramientas
Microscopios Un microscopio es un instrumento que nos permite ver objetos demasiado pequeños que no pueden ser observados a simple vista, cuando el tamaño del objeto es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, no se puede observar con un microscopio óptico, por lo tanto se debe utilizar un microscopio electrónico. Algunas de las herramientas utilizadas para observar el nanomundo son:
El microscopio electrónico de transmisión (TEM) funciona como un microscopio óptico, a excepción de que usa electrones en lugar de luz, los cuales tienen una longitud de onda mucho más corta que permite una resolución muchísimas veces mejor que el microscopio óptico. Este tipo de microscopios pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.
* El microscopio de efecto túnel (STM) fue construido en 1980 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer y funciona colocando una punta afilada a aproximadamente un nanómetro de distancia de la muestra que se va a examinar, donde hay una circulación por el flujo de corriente por el efecto túnel, su estabilidad permite que se pueda mantener a esa distancia constante sin haber contacto entre la punta y la muestra. Este microscopio no tiene lentes y permite observar imágenes de estructuras superficiales en el espacio real, tridimensional y con resolución atómica.
El microscopio de fuerzas atómicas (AFM) nació de la idea de los microscopios de proximidad, este es capaz de medir la fuerza entre la punta y la muestra cuando están entre uno y cuatro nanómetros de distancia. No cuenta con restricciones para el tipo de muestras ni necesita de vacío como otros tipos de microscopios.
Aplicaciones
Medicina La nanomedicina es una rama de la nanociencia y la nanotecnología que consiste en el uso del conocimiento molecular que se tiene de los seres vivos y la posibilidad de fabricar dispositivos que contribuyan a la mejora de la salud humana tanto en el ámbito de diseño, liberación de fármacos, construcción de nanomateriales biocompatibles, medicina regenerativa y mejora de técnicas terapéuticas como en el diagnóstico a través del incremento de sensibilidad y especificidad de técnicas convencionales con la fabricación de nanobiosensores.
La medicina en escala nanométrica ofrece avances tecnológicos particulares que involucran el control, monitorización, reparación, control, defensa, construcción y mejora a los sistemas biológicos. Se pueden encontrar diferentes aplicaciones en la administración de fármacos y genes, sondeo de estructura de ADN, biodetección de patógenos, ingeniería de tejidos, detección de proteínas, separación y purificación de moléculas y células biológicas, detección de tumores, entre otras muchas.
En la farmacéutica se utilizan para tratamientos farmacológicos, regeneraciones, implantes de dispositivos y diagnóstico in vitro e in vivo, se espera que en el futuro se usen nanomáquinas o nanorrobots para que sean introducidos en el organismo humano y reparen daños celulares o transporten fármacos.
El uso de los puntos cuánticos, nanocristales semiconductores que con base en el estímulo excitatorio son capaces de emitir luz a diferentes longitudes de onda, hacer posible el diagnóstico in-vitro, por lo que son utilizados como marcadores biológicos de la actividad celular. Un ejemplo de esto es su utilización para la temprana detección del Alzheimer mediante la detección de un ligando específico.
Alimentos La nanociencia es utilizada en la industria agroalimentaria y tiene algunas funciones entre las que destacan la prevención del deterioro microbiano de los alimentos envasados, el desarrollo de materiales de embalaje innovadores, la creación de pesticidas y suplementos alimenticios.
Otra de las principales aplicaciones en esta área son los pesticidas donde se usan nano-encapsulados para su liberación controlada en el medio ambiente y su movimiento; como por ejemplo, los recubrimientos pueden permitir que las partículas no se adhieran a las plantas por su afinidad para que así no haya acumulación de sustancia tóxica y la liberación se hace de manera lenta para que no haya problemas de sobredosis temporal y se minimice la contaminación. No solo se le puede dar protección a los cultivos y evitar las plagas, también se puede aumentar la producción y calidad de los cultivos, donde fertilizantes en forma de nanoemulsiones se utilizan para aumentar la potencia de ingredientes activos o para reducir la cantidad de fertilizante que debe ser aplicado.
Su aplicación en el envasado de alimentos son de las más importantes ya que sirven como barreras gas o rayos ultravioleta, alta resistencia a las temperaturas, propiedades antimicrobianas, entre otras aplicaciones.
Computación y electrónica Estas áreas son fundamentales ya que permiten que se descubra, prediga, entienda y confirme fenómenos y propiedades que tiene la materia a escala nanométrica. Se ha podido calcular una gran variedad de propiedades tanto físicas como químicas de las nanopartículas y las nanoestructuras gracias al desarrollo e implementación de métodos teóricos y de simulación computacional. Los cálculos utilizan distintas metodologías que pueden ser desde enfoques atomísticos hasta descripciones mecánico-cuánticas.
Algunos de los principales avances en este campo son:
Creación de un páncreas artificial. El cual funciona introduciendo una cápsula en el cuerpo del paciente, de manera que ella cuide de sus niveles de azúcar en la sangre y pueda detectar el momento preciso para secretar insulina, todo esto sin necesidad de que el paciente utilice un glucómetro o tenga que pincharse el dedo y exponerse a infecciones.