INTRODUCCION

En los últimos años, los avances en el desarrollo científico a escala atómica han permitido fortalecer un nuevo conocimiento, la nanotecnología, una ciencia con carácter transdisciplinario con la posibilidad de converger con otros tipos de conocimientos. "Todo lo que nos rodea, desde nuestros seres queridos a los bienes de consumo, está hecho de tan sólo 90 sustancias simples, a las que llamamos elementos químicos, que no pueden descomponerse en otras más sencillas" [1]. Lo citado anteriormente sin duda es una gran limitante para el avance de la tecnología e impide conseguir grandes innovaciones para el desarrollo de la sociedad. Pero sin duda es uno de los puntos de partida y de despegue de las nanociencias.Inicialmente el articulo se fundamenta en el principio de que propiedades tanto electrónicas, ópticas, mecánicas o magnéticas de las nanopartículas son sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando su forma y dimensiones, esto se debe a que a este nivel de manipulación del elemento se producen nuevos fenómenos físicos relacionados con los efectos cuánticos los cuales son los que causan la variación de las propiedades de la materia. Es aquí donde toma gran importancia las nanociencias y nanotecnologías ya que en este campo el estudio de las nanopartículas resultan muy atrayentes para fabricar nuevos dispositivos y materiales que podrían utilizarse en muchos campos de la ingeniería actual, los cuales llegarían a tener características extremadamente superiores a las de los dispositivos y materiales actuales."Las innovaciones basadas en nanotecnología darán respuesta a gran número de los problemas y necesidades de la sociedad y suponen un desafío para las actividades industriales y económicas, hasta el punto de que se considera el motor de la próxima revolución industrial" [2].

Los nanomateriales son la piedra fundamental de la Nanotecnología, y son materiales (metales, polímeros, semiconductores, óxidos, etc.) en los que al menos una de sus dimensiones es pequeña, del orden de algunos nanómetros (1 nm = 10-9 m = 10 átomos de H puestos uno al lado del otro).

La nanotecnología se ocupa de producir “a medida” sistemas de tamaños de alrededor del nanómetro, cuyas nuevas propiedades son consecuencia y función del tamaño, y de manejar la posición en el espacio de dichos nano-objetos, e interactuar con los nano-objetos, con precisión en escala del nanómetro. Debido al tamaño, estos sistemas nanométricos tienen un comportamiento más parecido al de los átomos y moléculas individuales que al de los objetos que manejamos corrientemente. De ello deducimos que las leyes que dominan el mundo microscópico (derivadas de la física cuántica) comienzan a manifestarse como propiedades insólitas para nuestros ojos, acostumbrados al mundo macroscópico.

La relación área/volumen en la nanoescala

En los nano-objetos la proporción de átomos en la superficie es extremadamente alta. Esto es muy importante dado que muchas de las propiedades interesantes y sorprendentes de los nanomateriales están ligadas a que las nanopartículas tienen una enorme superficie disponible.

Los nanomateriales tienen, entonces, una enorme superficie específica (cantidad de superficie que presenta una determinada cantidad de materia). En un nanomaterial, en el que la proporción de átomos en superficie es enorme, las propiedades de los átomos de superficie van a notarse mucho más que en un material común, y a veces incluso van a dominar el comportamiento del nanomaterial.

En un sólido, los enlaces de un átomo de superficie con el resto del sólido son más débiles y a veces hasta el orden espacial es distinto al de los átomos internos. Esto hace que introducir una superficie introduzca una inestabilidad. La energía de un sistema depende también de la energía de superficie, que depende de cuánta superficie hay. La energía que hay que gastar para crear una unidad de área se llama tensión superficial o tensión interfacial, refleja la inestabilidad de los átomos situados en la superficie con respecto a los situados en el interior.

La tensión superficial es una cantidad positiva, dado que representa cuánto se desestabiliza un sistema por haber creado una superficie. 

Fabricación en la nanoescala

Existen dos vías diferentes para manejar el “mundo nano”:

Para los que trabajan en el “mundo macroscópico” para llegar a la nanoescala hay que miniaturizar. Esta vía se conoce como “de arriba hacia abajo”.

Para los ingenieros moleculares, hay que ser capaces de combinar los átomos de manera de poder fabricar cualquier objeto “de abajo hacia arriba”.

OBTENCION DE NANOMATERIALES

Los siguientes son esquemas de tres técnicas de construcción de nanomateriales.

1. Utilización de plantillas (en rojo) que inducen la formación del sólido (amarillo) a su alrededor y que mantienen su forma original durante la síntesis.

2. Autoensamblaje de componentes individuales (azules y verdes) en estructuras supramoleculares en torno a las cuales crece el sólido (amarillo).

3. Mediante el uso de moldes (azul oscuro) es posible preparar sólidos (amarillo) que replican sus huecos mediante el crecimiento restringido en el espacio. La organización del sólido se consigue mediante el control preciso de las interacciones existentes entre los bloques de construcción, recurriéndose al autoensamblaje de dichos bloques para formar estructuras más complejas

La síntesis, modificación y funcionalismo de estas nanounidades, así como el control de sus interacciones, condicionan la arquitectura final del material y con ello, sus propiedades. El desarrollo de nuevas estrategias de síntesis basadas en interacciones débiles, técnicas biomiméticas y la utilización conjunta de precursores inorgánicos y biomateriales han sido determinantes para la construcción y organización de los materiales.

USOS DE LOS NANOMATERIALES

Según un estudio realizado por la Royal Society and Royal Academy of Engineering existen un número de aplicaciones de nanomateriales que ya forman parte de las vidas de los consumidores de las sociedades económicamente más desarrolladas o que se espera que lo hagan en un período inferior a cinco años. Entre ellas destacan:

1.Lociones solares y cosméticos. El dióxido de titanio y el óxido de zinc a escala nanoscópica son transparentes a la luz visible pero en cambio absorben o reflejan la luz ultravioleta que daña la piel de los bañistas. Estas dos cualidades hacen posible que empresas como Johnson & Johnson o L’Oreal fabriquen crema solar invisible y crema cosmética antiarrugas destinadas a complacer aún más la vanidad de los consumidores. El óxido de hierro a escala nanoscópica se usa para fabricar pigmento para lápices de labios.

2. Los tejidos utilizados para fabricar vestidos, colchones, tapices y muñecos de peluche se tratan cada vez más con capas de materiales nanoscópicos. La posibilidad de encontrar la porosidad a escala nanoscópica significa que los tejidos pueden hacerse resistentes al agua, a las manchas o al sudor manteniendo al mismo tiempo la transpirabilidad. Marcas tan conocidas como Nike, Dockers, Savance, DKNY, Benetton y Levi’s utilizan esos nuevos materiales en algunos productos, al igual que los fabricantes de camas Sleepmaker y Dreamland. Un fabricante británico de productos químicos y la casa Woolmark han creado una sociedad conjunta llamada Sensory Perception Technology, cuya filosofía comercial expresan del siguiente modo: vivimos en un mundo en el que el sentido dominante es la vista y a menudo desatendemos a nuestros otros sentidos, como el tacto o el olfato. Pero imaginémonos un mundo sensorialmente más rico en el que la ropa deportiva nos refresque mientras hacemos deporte, en el que nuestra camisa rechace el hedor a tabaco o repela a los mosquitos. Un mundo en el que, al sentarnos en nuestro sofá, nos invada un perfume a flores del campo o en el que percibamos el olor a éxito en una sala de reuniones o una nota exótica al cruzar el vestíbulo de un hotel de lujo.

Bayer, el gigante de la industria química alemana ha desarrollado una técnica para rociar tejidos y pieles con unas gotitas de perfume microscópicas encapsuladas en unas burbujas con una superficie de un grosor nanométrico. Estas burbujas penetran en el material y luego desprenden el perfume al aplicar presión en el mismo.

3. Los fabricantes de vidrio y de sanitarios están comercializando ya lunas de cristal y espejos para cuartos de baño autolimpiantes. También el dióxido de titanio a escala nanoscópica es importante en estas aplicaciones de autolimpieza por su capacidad de repeler la

humedad y por sus propiedades bactericidas. El fabricante de vidrio británico Pilkington afirma que su producto fue el primero de este tipo en salir al mercado, pero otros fabricantes, como St Gobain por ejemplo, también tienen productos similares.

4. Las herramientas cortantes nanocristalinas de carburo de tungsteno, carburo de tantalio y carburo de titanio han encontrado ya aplicación en áreas especializadas como la perforación de tarjetas de circuitos.

5. Los fabricantes de pinturas serán seguramente los principales usuarios de nanomateriales a corto plazo, y una interesante aplicación en este campo empezó su fase experimental en Europa el 2004 financiada por la Unión Europea. La empresa Millenium Chemical ha desarrollado una pintura que utiliza la misma propiedad del dióxido de titanio nanoscópico que se emplea para absrorber la luz ultravioleta en los bronceadores, y que capta cantidades de energía suficientes como para convertir el óxido de nitrógeno contaminante del aire en ácido nítrico, que puede eliminarse o convertirse de forma natural en otras sustancias inocuas. La idea es que la pintura neutralice algunas de las emisiones de los automóviles. También desde hace tiempo disponemos de pinturas antigrafitti y de pinturas resistentes a las grietas en cuya fabricación se usan nanomateriales.

6. En 2002, la General Motors, el mayor fabricante de automóviles del mundo, introdujo por vez primera un nanoconglomerado en la carrocería de uno de los vehículos que comercializa. Se trata de una arcilla con unas propiedades nanoscópicas muy útiles que se dispersa por el interior de una resina plástica formando un material relativamente poco costoso que reduce el peso de la carrocería (y que por tanto permite ahorrar combustible) siendo al mismo tiempo muy resistente y, según la compañía, reciclable. Dos años más tarde ese

nanoconglomerado se utilizó en la Impala, el modelo de mayor cubicaje de la General Motors. Con un total de 540.000 libras al año, la General Motors es el principal usuario de estos nanocompuestos en todo el mundo.

7. Desde finales de la década de 1960, las propiedades catalíticas a escala nanoscópica de determinadas sustancias – debidas a la mayor superficie relativa de sus pequeñísimas partículas – han sido explotadas por las refinerías de petróleo y las industrias petroquímicas para aumentar la cantidad de derivados obtenidos. Los sólidos cristalinos porosos conocidos como zeolitos son particularmente útiles. Se calcula que la eficiencia derivada del uso de zeolitos en las refinerías norteamericanas representó un ahorro, en 1998, de entre ocho mil y dieciséis mil millones de dólares en importación de petróleo.

8. El sector de la tecnología de la información es uno de los sectores en los que se espera que la nanotecnología tenga un mayor impacto, como se verá más adelante. La producción de componentes informáticos pertenece ya a la nanoesfera debido a que los fabricantes hace tiempo que tratan de introducir cada vez más memoria y más potencia de procesamiento en espacios cada vez más pequeños. En 2003 IBM presentó una nueva generación de discos duros para ordenadores personales hechos con una especie de bocadillo de materiales de pocos átomos de grosor y con unas propiedades magnéticas especiales que permiten cuadruplicar su capacidad en el almacenamiento de datos. En 2004 los chips de ordenador incluían componentes de unos 130 nanómetros de grosor – ligeramente por encima de los 100 nanómetros que se considera el umbral definitorio de la escala nanoscópica – pero pronto iban a cruzar este umbral gracias a la introducción de nuevas técnicas litográfocas. Efectivamente, en agosto de 2004, mientras la empresa Advanced Micro Devices anunciaba que había empezado a producir microprocesadores hechos usando componentes de 90 nanómetros,

las empresas Taiwan UMC y TSMC estaban informando a sus clientes de que en 2006 empezarían la producción en masa de circuitos usando componentes de tan sólo 65 nanómetros.

9. Nanopartículas de fosfato de calcio y proteína se usan ya como el medio más eficaz de taponar los diminutos canales de las muelas que tanto dolor producen cuando la muela entra en contacto con alimentos fríos. La apatita artificial se comporta exactamente igual que el esmalte dental.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS NANOMATERIALES

Los nanomateriales se preparan para convertirse en un gran impacto en la construcción. Sin embargo, los nanomateriales están listos para su uso generalizado y pueden ofrecer ventajas significativas para una variedad de aplicaciones, que van desde la fabricación de hormigón más resistente hasta por ejemplo ventanas auto-limpiantes.

A pesar de la gran utilidad que se le puede dar, el uso generalizado de materiales de construcción viene con potenciales riesgos ambientales y de salud cuando esos materiales no son eliminados correctamente.

"Las ventajas de la utilización de nanomateriales en la construcción son enormes","Cuando se tiene en cuenta que el 41 por ciento de toda la energía utilizada en los EE.UU. es consumida por edificios comerciales y residenciales, los beneficios potenciales de los materiales de ahorro de energía sólo son vastos".

De esto se deduce que los nanomateriales probablemente tendrán un mayor impacto en la industria de la construcción que en cualquier otro sector de la economía, después de las aplicaciones biomédicas y la electrónica.

Citan docenas de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, los nanomateriales pueden fortalecer el acero y hormigón, evitar que la tierra se pegue a las ventanas, "matar" bacterias en las paredes de hospitales, materiales resistentes al fuego, etc.

Además de los innumerables beneficios para la industria de la construcción, también se identificaron potenciales para la salud y los efectos ambientales adversos.

En algunos casos, las propiedades que hacen que los nanomateriales sean útilespueden causar problemas potenciales si los materiales no se gestionan adecuadamente. Por ejemplo, las partículas de dióxido de titanio expuestas a la luz ultravioleta pueden generar moléculas llamadas "especies de oxígeno reactivo" que impiden la formación de películas bacterianas en las ventanas o paneles solares. Esta misma propiedad puede poner en peligro las bacterias beneficiosas en el medio ambiente.

COMO MINIMIZAR LAS DESVENTAJAS QUE OCACIONA EL USO DE LOS NANOMATERIALES.

Nuevos riesgos y retos para la prevención: los nanomateriales

No se tiene claro todavía que efectos poseen sobre la salud de los trabajadores, lo que se ha demostrado es que estas partículas de minúsculas dimensiones, que integran los nanomateriales, pueden penetrar a través de la piel. Establecer medidas preventivas, formar e informar y vigilar la salud del personal expuesto será fundamental para enfrentarse a una amenaza que será mayor en cuanto menor sea su tamaño.

Aunque en muchos casos es preciso llevar a cabo más acciones de investigación para conocer los riesgos en mayor profundidad, sin embargo sí se dispone de mucha información en relación con las medidas preventivas. Así, entidades como el NIOSH norteamericano han llevado a cabo estudios y acciones de divulgación de las medidas a poner en práctica. El principal contenido de este artículo está destinado a dar a conocer las medidas preventivas a aplicar para proteger a los empleados que manejen este tipo de sustancias.

A continuación se describen las medidas que actualmente se considera que son eficaces en cada uno de estos apartados. Sin embargo, al tratarse de un riesgo emergente y no suficientemente conocido, se recomienda a las empresas, profesionales y trabajadores que puedan estar en contacto con nanomateriales que procuren mantenerse al día sobre los nuevos conocimientos que puedan surgir al respecto.

ELIMINACION O SUSTITUCION

Cuando el proceso lo permite, se recomienda utilizar tecnologías y materiales del más bajo riesgo intrínseco posible, de manera que al evitar la fuente de riesgo desaparece la necesidad de su control. Al estar tan vinculado este tipo de medidas con el know how del propio

proceso productivo, no es posible aportar criterios válidos que sean comunes a todas las circunstancias. En consecuencia, se recomienda a las empresas tener en cuenta el riesgo intrínseco de las tecnologías y materiales que emplean, cuando lleven a cabo la fase de I+D y de ingeniería de sus procesos, y que incorporen en el bagaje de conocimientos técnicos de sus equipos humanos los conocimientos relativos a la seguridad y los riesgos para el entorno y la salud humana.

MATERIALES NUEVOS USADOS EN INGENIERIA.

Material se refiere a un recurso utilizado en la alimentación de un proceso productivo. En ciencia, un material es cualquier conglomerado de materia o masa. En ingeniería, un material es una sustancia (elemento o, más comúnmente, compuesto químico) con alguna propiedad útil, sea mecánica, eléctrica, óptica, térmica o magnética.

Debes saber que...

Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica.

El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática.

Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como:

Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el

grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas.

Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas.

Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras microcristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc.

Otros nuevos materiales son: 

Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc.

El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. El 80% de las reservas conocidas se encuentra en la República Democrática del Congo. Por ello hay en esta región una amplia zona de conflicto y de guerras por el control de las minas de diamantes, oro, uranio y coltán.

La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente.

Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termocrómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en domótica y sistemas inteligentes de seguridad.

Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y poliestireno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura.

Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación.

MATERIALES NUEVOS Y SUS APLICACIONES

El descubrimiento de nuevas sustancias no cesa, buscando que tengan propiedades concretas. La inversión en I+D es fundamental para satisfacer las necesidades de la industria, la medicina, la construcción, etc.

La carrera espacial ha tenido una enorme influencia en este tipo de investigaciones, ya que ha exigido disponer de productos con unas características muy especiales, que después han encontrado aplicaciones en muchos otros ámbitos de la vida. Por ejemplo, el tejido utilizado en los trajes espaciales se ha utilizado para fabricar sacos de dormir y anoraks de gran capacidad de aislamiento.

Aluminio

Es uno de los metales más utilizados, debido a sus especiales características: tiene una densidad baja (2,7 g/cm3 frente a 9 g/cm3 del cobre), su conductividad eléctrica y térmica es alta, es maleable, se recubre de una capa mate de óxido de aluminio que le protege de la corrosión y es fácilmente reciclable. Por esa razón se utiliza para fabricar utensilios de cocina y marcos de ventanas y puertas, así como cables para las líneas de alta tensión.

Materiales para prótesis

Las prótesis de material sintético son cada vez más habituales: válvulas de corazón plásticas, rótulas cerámicas, huesos de titanio, etc. Su durabilidad es muy alta, y producen menos rechazos que el material orgánico trasplantado.

Imagen 16 JPDligne, Dominio público

Imagen 17 Nuno Nogueira, Dominio público

Goretex

Es un tejido impermeable y a la vez transpirable. Se utiliza para fabricar chubasqueros, botas, anoraks, etc, en los que es importante que el agua no penetre, pero que a la vez permita evaporar el sudor. En el sitio web de GORE-TEX se dice textualmente que "El secreto de los tejidos GORE-TEX® reside en su revolucionaria membrana de doble componente. La parte de politetrafluoretileno expandido de la membrana contiene más de 9 mil millones de microporos por cada 2,5 centímetros cuadrados. Estos poros son unas 20.000 veces más pequeños que una gota de agua, pero 700 veces mayores que una molécula de vapor de humedad. De este modo, mientras que el vapor de humedad (un gas) puede escapar fácilmente, su forma líquida no puede penetrar la membrana GORE-TEX®."

Fullerenos

Es una familia de sustancias en la que la más conocida es el C-60. Son l a tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y e l grafito. Descubiertos en 1985, se sintetizan vaporizando con láser una muestra de carbono y hoy en día todavía siguen en estudio sus propiedades físicas y químicas buscando su relación con la astrofísica y el origen de la vida, así como aplicaciones

farmacológicas. Debido a su característica estructura, se les llama futbolenos.

 

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Las desventajas en la utilización de estos materiales son claras y atienden a la conservación de nuestro planeta. La fabricación de cueros en nuestro país desde hace no mucho tiempo empezó a tener ciertas limitaciones para poder funcionar, de hecho muchas pequeñas fábricas fueron obligadas a cerrar porqué por efecto del proceso de producción se estaban contaminando las aguas de ríos y otras fuentes de agua afectando entonces a toda la flora y fauna de sus alrededores y llevando esa contaminación a otros sitios provocando una cadena, por lo cual el estado exigió la utilización de nuevos procesos, nuevas maquinarias y un control más estricto. En la industria de la madera muchas veces se talan bosques de manera indiscriminada sin pensar en el problema que acarrea para el medio ambiente, el clima, las especies animales y la capa vegetal de la zona boscosa. Hay que pensar en las consecuencias de los actos provocados por el hombre y adquirir conciencia para que mañana no sea demasiado tarde. Los materiales renovables son un tesoro para nosotros.Las ventajas de utilizar materiales renovables radica en varios factores como los costos versus la calidad que alcanzan favoreciendo el bolsillo y la calidad indudable que tiene lo natural, teniendo en cuenta que si

quisiéramos tenerlos perpetuamente lo haríamos, si pensáramos antes de actuar. Con estos materiales se pueden buscar alternativas y experimentaciones diversas para hacer más cómodas nuestras vidas. La calidad de estos productos es muy alta en comparación con sus imitaciones sintéticas, todos hemos visto, tocado y olido las imitaciones (en ocasiones muy buenas) de materiales hechos con recursos naturales pero lo natural es lo natural. El trabajo en la producción de la materia prima usada en los materiales renovables favorece a los países con números altos de obreros como mano de obra calificada y fomenta la industria en los campos (textiles a partir de lanas, sedas y demás).