Nanotecnología. Mónica Lucía Álvarez-Láinez
Evolución de la ciencia y tecnología de materiales hacia la nanociencia y la nanotecnología
La ciencia e ingeniería de materiales aparece en los Estados Unidos a comienzos de la década de los cincuenta del siglo xx, y en Europa a comienzos de la década de los sesenta, impulsada por la academia y por la industria, como resultado de la conversión progresiva de la metalurgia. Desde ese entonces ha evolucionado hasta convertirse en una “superdisciplina” que sustenta la infraestructura en investigación y desarrollo tecnológico.
En el reporte de 1974 del cosmat (Committee on the Survey of Materials Science and Technology), la ciencia e ingeniería de materiales se define como: “Generación y aplicación del conocimiento relativo a la composición, estructura y procesamiento de materiales, sus usos y propiedades”[5]. En esta definición, que incluye los principales elementos que dimensionan el significado de la ciencia e ingeniería de materiales, los términos “composición” y “estructura” han cobrado gran relevancia en los últimos años dentro del contexto de control en la escala nanométrica. En esta perspectiva adquiere significado la evolución de ciencia e ingeniería de materiales hacia ciencia e ingeniería de nanomateriales, esencia de la transición hacia la era nanocientífica y nanotecnológica.
Una línea evolutiva para los nanomateriales puede ser trazada en términos de cinco generaciones de avances registrados en la producción o síntesis controlada de aquellos aspectos que determinan las propiedades fisicoquímicas y los comportamientos fenomenológicos propios de estos objetos nanoescalares. Siguiendo la línea de clasificación evolutiva sugerida por W. Parak, y específicamente para el caso de nanomateriales coloidales[6], podrían ser considerados nanomateriales de primera generación aquellos en los que se hace posible controlar la sustancia o materia prima a partir de la cual se confecciona el nanomaterial. En los nanomateriales de segunda generación se logra el control en el tamaño, aspecto que resulta de gran importancia en el comportamiento fisicoquímico. En la tercera generación se consigue control en la forma, uno de los aspectos de mayor complejidad en los procesos de síntesis y escalado. La posibilidad de lograr estructuras geométricamente controladas abre una ruta de extraordinarias posibilidades para lograr avances significativos en sus aplicaciones y usos[7]. Los nanomateriales de cuarta generación serían aquellos en los que se logra el control en la composición; en la actualidad se cuenta con desarrollos sintéticos que permiten afinar con elevada precisión la distribución controlada de diferentes elementos químicos en nanoestructuras coloidales[8].
Finalmente, como nanomateriales de quinta generación se podrían considerar aquellos en los que se logra el control simultáneo de la sustancia, el tamaño, la forma y la composición (ver figuras 1.2a y 1.2b)[9].
Figura 1.2a Las propiedades de la materia a escala nanométrica dependen sensiblemente de aspectos tales como la forma, el tamaño y la composición
Figura 1.2b Se ilustran viales con puntos cuánticos en dispersión coloidal, y las correspondientes fotografías tomadas con microscopio electrónico de transmisión. Como se observa, la longitud de onda de la luz dispersada depende drásticamente del tamaño de estas entidades
1.2.2 Nanomateriales y su significado
Un significado de nanotecnología derivado del Subcomité nset (Nanoscale Science, Engineering and Technology) que ha alcanzado hasta ahora el mayor consenso global, se circunscribe en: “Investigación y desarrollo tecnológico en longitudes de un rango aproximado de 1 a 100 nanómetros, para proporcionar una comprensión fundamental de los fenómenos y materiales en la nanoescala [...]”[10]. En este contexto, la nanotecnología se restringe en términos de nanomateriales, los cuales requieren de una definición o precisión sobre su significado.
La búsqueda de una definición consensuada para los nanomateriales ha sido una tarea de permanente debate que a finales de la segunda década del siglo xxi se mantiene vigente. Algunos aspectos que resultan relevantes en este debate tienen que ver con consideraciones relacionadas con el riesgo y la seguridad en seres vivos y ambiente[11], atributos asociados a diversos significados, y con las dificultades para establecer los rangos de tamaño que permitan validar sin ambigüedad los diferenciales identificados para los nanomateriales. En las definiciones que se han propuesto —con estatus regulatorio o de recomendación— por parte de gobiernos, organizaciones e industria, requeridas por la creciente necesidad de consolidación de marcos regulatorios y normativos para su uso y comercialización, se destaca el tamaño como elemento diferencial para delimitar su definición[12]. Así, la ingeniería de nanopartículas se suele considerar como producción de materiales particulados que presentan un tamaño característico en el rango de 1 a 100 nm[13].
En la figura 1.3, se aprecian fotografías de materiales con diferentes morfologías.
Figura 1.3 Fotografías tomadas con microscopio electrónico, de nanomateriales con diferente morfología, tamaño, composición y forma. Se muestran distintas clases de nanopartículas esféricas, cúbicas, huecas y porosas
Fuente: González, Arbiol y Puntes.[9]
La iniciativa de la Agencia Europea de Sustancias y Mezclas Químicas (echa), luego de lanzar en junio del 2017 el Observatorio de Nanomateriales, como recurso digital para proporcionarles a los interesados información relevante relacionada con los nanomateriales, como usos, seguridad, reglamento, actividades internacionales, investigación e innovación, hace referencia a las recomendaciones que la Comisión Europea ha suministrado sobre cómo definir un nanomaterial con base: “Únicamente en el tamaño de las partículas constituyentes de un material, sin atender al peligro o al riesgo”[14]. Esta definición, que incluye materiales naturales y manufacturados, “respalda la aplicación de disposiciones reglamentarias para este grupo de materiales. No obstante, en algunos ámbitos legislativos, la razón de las obligaciones legales ligadas a los nanomateriales es que pueden tener propiedades distintas de las partículas más grandes”[14].
Es importante anotar que, para una definición de nanomaterial, además del tamaño, son importantes otros elementos clave que resultan de gran valor y pertinencia, tales como la masa, el área superficial (escalables), los efectos de confinamiento y las propiedades ópticas y catalíticas (no escalables), entre otros.
1.3 Nanotecnología, la sexta ola
La nanotecnología se reconoce como una de las tecnologías esenciales para la economía del siglo xxi. La economía, además de ser beneficiaria de esta transición hacia la tecnología de la nanoescala, se convierte en una de las principales fuentes de sostenimiento y viabilidad de esta tecnología emergente. Algunos estudiosos defienden la teoría económica de tránsito de la sociedad productiva, a través de ciclos de expansión, estancamiento y recesión, en los que las tecnologías emergentes y la innovación juegan un papel primordial.
El economista ruso Nikolái Kondratieff formuló en 1935 la teoría del ciclo económico largo[15], que establece que la economía sigue la trayectoria de ciclos dinámicos de largos períodos o de olas que pueden abarcar intervalos de entre cuarenta y sesenta años, y en los cuales existe un crecimiento económico rápido al que le sigue un estancamiento y, finalmente, una recesión. Según esta teoría, cada ola está definida por un conjunto determinado de tecnologías y prácticas sociales perfectamente diferenciables para esa ola, que dan lugar a una revolución industrial. El período de transición entre una ola y otra favorece al mercado con la aparición de nuevos tipos de innovación y de materiales que constituyen los cimientos para que surja la siguiente ola.
Hasta comienzos del presente siglo se habían identificado cinco olas, o cinco ciclos de Kondratieff. En la primera ola, que tuvo lugar entre el siglo xviii y mediados del xix, el algodón jugó un papel importante como materia prima para consolidar la revolución industrial textil. Con la incorporación de las máquinas a la producción de bienes de consumo, y la existencia de grandes plantaciones de algodón, se introdujeron importantes