nanotecnologia

Aplicaciones industriales de la nanotecnologaProyecto NANO-SME

Aplicaciones industriales de la nanotecnologaProyecto NANO-SME

Aplicaciones industriales de la nanotecnologa

Edita Gestin Editorial 2 Depsito Legal

Fundacin ITMA Tresalia Comunicacin As-0000/07

Proyecto NANO-SME

ndice

Presentacin Introduccin Ejemplos de aplicaciones industriales de la nanotecnologia01. Tecnologas de la informacin y las telecomunicaciones (TICs)Memorias MRAM Lser de punto cuntico Nanoelectrnica basada en nanotubos de carbono (I+D) Circuitos pticos integrados. Aplicacin a moduladores y conmutadores pticos (I+D) Superlentes (I+D) Cristales fotnicos (I+D) Monitores LCD basados en nanotubos de carbono (I+D)

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02. Industria de automocinRecubrimientos transparentes anticondensacin basados en nanotubos de carbono Nanocompuestos

2122 23

03. Industria de biotecnologaDeteccin de bacterias mediante nanoparticulas bioconjugadas Fotosistemas para conversin de energa solar Membranas nanoporosas de almina (I+D)

2526 27 28

04. Industria mdica y farmacuticaNanodiagnstico mediante quantum dots Detectores de CO2 y sistemas de monitorizacin de funcin respiratoria Terapia mediante nanopartculas Liberacin controlada de frmacos Medicina regenerativa. Sustitutos seos Implantes de rodilla y cadera Modicacin de sueros en medicamentos Polmeros electroactivos para su uso como msculos articiales (I+D) Sensores de ADN (I+D) Sensores de antgenos (I+D)

2930 31 32 33 34 35 36 37 38 39

05. Industria aeroespacialPlsticos conductores elctricos Recubrimientos para componentes sometidos a altas temperaturas de operacin Materiales cermicos cristalinos transparentes

4142 43 44

06. Industria textilTejidos con supercie nanoestructurada repelentes a la suciedad y al agua Productos textiles antimicrobianos

4546 47

07. Industria cosmticaCremas solares Lentes de contacto de colores

4950 51 3


08. Industria del ocioNanotecnologa en productos deportivos

5354

09. Industria de la construccinModicacin de pinturas y barnices con nanopartculas Aditivos para la optimizacin del rendimiento cemento-hormign Nanocompuestos polimricos de arcilla para el reciclaje de PET Pegamentos rpidos y activados a distancia basados en nanopartculas de ferrita Vidrios orgnicos como alternativa al vidrio comn (I+D)

5758 59 60 61 62

10. Industria de la energaBateras de in-litio con nodo basado en nanopartculas de titanato de litio Pilas de combustible Clulas solares exibles Recubrimiento antirreejante ideal (I+D)

6364 65 66 67

11. Industria metal-mecnica y de bienes de equipoTratamientos superciales de piezas metlicas sometidas a desgaste Materiales antifriccin Materiales con alta dureza para herramientas de corte Nanoltracin

6970 71 72 73

Anexo Actividades en el campo de Nanomateriales y Nanotecnologa en el Principado de AsturiasIntroduccin Las actividades actuales de los autores en nanomateriales y nanotecnologas en el Principado de AsturiasFundacin ITMA Instituto Nacional del Carbn del Consejo Superior de Investigaciones Cientcas Universidad de Oviedo

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76 7980 81 82

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Presentacin

El Principado de Asturias a travs del IDEPA lidera el proyecto europeo ESTIIC Fomento del uso de la tecnologa, la innovacin y la sociedad de la informacin en favor de la competitividad en el que participan otras tres regiones europeas: Cantabria, Renania del Norte- Westfalia y la regin Sureste de Irlanda. ESTIIC persigue mejorar la ecacia de las polticas e instrumentos destinados al desarrollo regional en el marco de la innovacin tecnolgica y la sociedad de la informacin, pilares de la competitividad regional y del crecimiento de las pequeas y medianas empresas. Con un presupuesto total de 4,4 millones de euros y una duracin de tres aos (2005-2008), se encuadra en la modalidad operacin de marco regional (RFO) dentro de la iniciativa Interreg IIIC. En su condicin de proyecto marco, ESTIIC ha creado un espacio general de cooperacin entre las cuatro regiones participantes, en el que se desarrollan 8 subproyectos transnacionales en torno a reas temticas identicadas como prioritarias. El subproyecto Difusin e informacin sobre la aplicacin industrial de las nanotecnologas para I+D+I de productos y procesos en las Pymes (NANO-SME) tiene como objetivo principal acercar a las empresas a las oportunidades que les ofrece la nanotecnologa, contribuyendo as a intensicar la transferencia entre el mbito empresarial y los institutos de investigacin. Esto permitir fomentar la inversin en la aplicacin de la nanotecnologa en los mbitos de la investigacin y el desarrollo. La nanotecnologa permite encontrar soluciones novedosas y podran traducirse en una mejora del rendimiento de todo el sector de la produccin, as como de los sectores de la salud, la medicina y la agricultura. A modo de ejemplo, cabe citarse nuevas cremas solares, supercies autolimpiantes y bactericidas, sistemas de almacenamiento de datos, nanopartculas para dosicacin de frmacos, nuevos materiales reforzados con nanotubos, biosensores, bateras, tejidos y nanorecubrimientos inteligentes, etc. Si bien puede decirse que la nanotecnologa, considerada como fuente de nuevos productos con alto valor aadido, se encuentra actualmente en una etapa inicial, se trata pues de un mbito que est adquiriendo gran protagonismo y que tiene una gran proyeccin en la economa mundial. Las perspectivas recogidas en estudios de mercado del presente ao revelan que el volumen de negocio actual (100.000 millones de euros) se multiplicar por diez entre los aos 2012 y 2017. As pues, ni Asturias ni ninguno de sus sectores industriales son ajenos a este espectacular desarrollo y, en mayor o menor medida, la innovacin de todas las empresas pasa por la vigilancia tecnolgica del mundo nano. El presente documento pretende dar una visin global de la nanotecnologa desde el punto de vista de la aplicacin industrial, tanto en su estado actual como a corto, medio y largo plazo. Asimismo, persigue conseguir un acercamiento de las universidades y centros tecnolgicos con empresas interesadas en la mejora de sus productos a travs de esta nueva disciplina. Vctor G. Marroqun Director General del IDEPA

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Introduccin

La nanotecnologa no es una tecnologa especca; ni siquiera un grupo de tecnologas bien denidas. La nanotecnologa es ms bien un campo muy amplio y heterogneo de la tecnologa en el que se disean, caracterizan, producen y aplican estructuras, componentes y sistemas manteniendo un control sobre el tamao y la forma de sus elementos constituyentes (tomos, molculas macromolculas) a nivel de la escala de los nanmetros, de tal manera que dichas estructuras, componentes o sistemas poseen al menos una propiedad caracterstica nueva o mejorada debido al pequeo tamao de sus constituyentes. La nanotecnologa utiliza un amplio rango de disciplinas cientco-tcnicas con el n de estudiar materiales, partculas y estructuras que implican la creacin o presencia de elementos que tienen al menos una dimensin espacial inferior a los 100nm, siendo un nanmetro la millonsima parte de un milmetro. Los materiales constituidos por estructuras tan pequeas, a menudo presentan propiedades distintas a los materiales tradicionales independientemente de que estn compuestos por los mismos constituyentes qumicos. Por ejemplo, pueden presentar nuevas propiedades mecnicas, pticas, qumicas, magnticas o electrnicas. Aunque la nanotecnologa se encuentra an en su infancia, ya se considera que constituir una autntica revolucin industrial en el siglo XXI, de forma similar a lo sucedido con la biotecnologa y la electrnica en el siglo XX. As, la comunicacin de la Comisin Europea Hacia una estrategia europea para las nanotecnologas del 12 de mayo de 2004 propone varias acciones como parte de un enfoque integrado para el mantenimiento y fortalecimiento de la posicin de la I+D europea en el mbito de las nanociencias y las nanotecnologas. De esta manera, la nanoelectrnica dar lugar a sistemas de almacenamiento de datos de muy alta densidad de registro (por ejemplo, 1 Terabit/pulgada2) y las nuevas tecnologas de visualizacin a base de plsticos exibles. A largo plazo, el desarrollo de la nanoelectrnica molecular o biomolecular, la espintrnica y la informtica cuntica abrirn nuevos horizontes a la tecnologa informtica. La nanoelectrnica estar en el origen de una nueva generacin de ordenadores, telfonos, automviles, electrodomsticos y cualquier sistema de automatizacin necesario en cualquier equipo de aplicacin industrial o domstico. En el caso de la nanobiotecnologa, se est combinando la ingeniera a nivel molecular con la biologa, bien manipulando directamente sistemas vivos, o creando biochips como los que ya se estn produciendo en la actualidad inspirados en materiales biolgicos. En un futuro prximo, la nanobiotecnologa nos proveer con nuevas innovaciones extraordinarias en el campo de la medicina por ejemplo, con

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nuevos sistemas de diagnstico miniaturizados que podran implantarse y utilizarse en la deteccin precoz de enfermedades, recubrimientos y nanocompuestos desarrollados mediante el recurso a las nanotecnologas, no exclusivamente en su produccin sino en los conceptos de diseo de los materiales constituyentes, que mejorarn la bioactividad y biocompatibilidad de los implantes, nuevas matrices soporte capaces de auto estructurarse que estn facilitando el desarrollo de una nueva generacin de materiales en el mbito de la ingeniera de tejidos y de los materiales biomimticos, abriendo la posibilidad, a largo plazo, de conseguir la sntesis de rganos de sustitucin. Se estn desarrollando nuevos sistemas de administracin dirigida de medicamentos y recientemente se ha conseguido llevar e introducir nanopartculas al interior de clulas cancerosas para su tratamiento, por ejemplo, mediante calor. Tambin el campo de la produccin y almacenamiento de energa podr beneciarse, por ejemplo, de los nuevos desarrollos en pilas de combustible o slidos ligeros nanoestructurados que tienen el potencial para un almacenamiento ecaz del hidrgeno. Se estn desarrollando tambin clulas solares fotovoltaicas ecaces y de bajo coste (por ejemplo la pintura solar). Los avances en el campo de las nanotecnologas tambin permitirn ahorros energticos a travs de una mejora de los aislamientos, del transporte y de una iluminacin ms ecaz. Los avances de la ciencia de los materiales mediante el recurso a las nanotecnologas son de gran alcance y su impacto se dejar sentir en casi todos los sectores. Las nanopartculas ya se emplean para reforzar materiales o funcionalizar cosmticos. Se recurre al uso de nanoestructuras superciales para conseguir supercies resistentes al rallado, hidrfugas, limpias o estriles. El injerto selectivo de molculas orgnicas a travs de la nanoestructuracin supercial permitir avanzar en la fabricacin de biosensores y de dispositivos electrnicos moleculares. Asimismo, se pueden mejorar y hacer avanzar enormemente los rendimientos de los materiales en condiciones extremas, con las consiguientes aplicaciones en los sectores espacial y aeronutico. La fabricacin a nivel nanomtrico exige un nuevo enfoque interdisciplinar tanto en la investigacin como en los procesos de fabricacin. Conceptualmente se consideran dos vas de trabajo: la primera consiste en la miniaturizacin de los microsistemas denominado enfoque de arriba abajo o topdown y la segunda, en imitar la naturaleza mediante el desarrollo de estructuras a partir de los niveles atmico y molecular denominado enfoque de abajo arriba o bottom-up. El primero podra describirse como un proceso de ensamblaje, el segundo como un proceso de sntesis. El enfoque de abajo a arriba se encuentra en fase inicial de desarrollo, pero su impacto potencial es de gran alcance y podra alterar las rutas actuales de produccin. La fabricacin de instrumentos para el estudio de las propiedades de la materia a una escala nanomtrica ya est teniendo un impacto importante, tanto directo como indirecto, que est estimulando el progreso en una amplia gama de sectores. La instrumentacin tambin desempea un papel clave en el desarrollo de procesos de fabricacin basados en tcnicas convencionales con enorme potencial como son las nuevas tcnicas de deposicin por plasma de recubrimientos nanoestructurados a partir de la inyeccin directa de precursores lquidos, o la utilizacin de forma controlada de plasmas de alta energa en la fabricacin de nanopartculas o en la funcionalizacin de supercies. La investigacin sobre los alimentos, el agua y el medio ambiente tambin puede beneciarse de las nanotecnologas con, por ejemplo, el desarrollo de instrumentos para detectar y neutralizar la presencia de microorganismos o plaguicidas. Mediante nuevas tcnicas de nanoetiquetado miniaturizado podra realizarse el seguimiento desde origen de los alimentos importados. El desarrollo de mtodos de recuperacin basados en el uso de nanotecnologas (por ejemplo, tcnicas foto-catalticas) permiten paliar y limpiar el efecto de la contaminacin y otros daos medioambientales (por ejemplo, contaminacin por petrleo del agua o del suelo).8

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La contribucin a la seguridad podr realizarse a travs de, por ejemplo, nuevos sistemas de deteccin de alta especicidad de alerta precoz ante agentes qumicos o biolgicos, sensibles hasta el nivel molecular. El nanoetiquetado de los billetes de banco podra contribuir a la proteccin de la propiedad. Tambin est en marcha el desarrollo de nuevas tcnicas criptogrcas para la comunicacin de datos. Ya se han comercializado varios productos desarrollados a travs de las nanotecnologas. Se trata de productos sanitarios (vendajes, vlvulas cardiacas, etc.), componentes electrnicos, pintura resistente al rallado, equipos deportivos, telas antiarrugas y antimanchas y lociones solares. Los analistas cifran el mercado de este tipo de productos en la actualidad en aproximadamente 2.500 millones de euros, pero opinan que ascender a cientos de miles de millones de euros para el ao 2010 y a un billn despus de esa fecha. Resulta evidente que las empresas, y en particular las PYMES, no pueden mantenerse ajenas a este mercado emergente, y aunque en su mayor parte muchos de los resultados obtenidos hasta el momento en el campo de la nanotecnologa estn muy lejos de poder ser comercializados en su estado de madurez actual, ya son muchos los productos existentes en el mercado en la industria del empaquetado, automocin, biotecnologa, industria mdica y farmacutica, espacial, textil, cosmtica, industria del ocio, construccin y energa. En este documento pretendemos mostrar algunas, no todas, de esas aplicaciones as como mostrar otras con enorme potencial de futuro aunque industrializables a ms largo plazo. De esta manera queremos difundir las posibilidades reales y las potenciales de la tecnologa entre aquellas personas pertenecientes a la industria con el n de que puedan conocer y valorar hasta que punto su empresa puede hacerse ms competitiva iniciando su andadura, tanto a nivel de producto como de proceso, incorporando algunos aspectos innovadores a sus planes de I+D+i empresarial.

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Ejemplos de aplicaciones industriales de la nanotecnologiaLos ejemplos que se muestran en las pginas siguientes no pretenden de ninguna manera ser representativos del impacto de la nanotecnologa a nivel industrial. Principalmente, se presentan algunos ejemplos de aplicaciones industriales basadas en su totalidad o en parte en la nanotecnologa, tratndose en algunos casos, de productos en el mercado o cerca de l, mientras que en otros, marcados como I+D, se encuentran actualmente en un estado de desarrollo inferior a nivel de prototipo o, incluso, de concepto. Con el n de facilitar la lectura, los ejemplos han sido ordenados de acuerdo a los principales sectores industriales, tal y como se muestra a continuacin: 01. Tecnologas de la informacin y las telecomunicaciones (TICs) 02. Industria de automocin 03. Industria de biotecnologa 04. Industria mdica y farmacutica 05. Industria aeroespacial 06. Industria textil 07. Industria cosmtica 08. Industria del ocio 09. Industria de la construccin 10. Industria de la energa 11. Industria metal-mecnica y de bienes de equipo


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01. Tecnologas de la informacin y las telecomunicaciones (TICs)n n n n Memorias MRAM Lser de punto cuntico Nanoelectrnica basada en nanotubos de carbono (I+D) Circuitos pticos integrados Aplicacin a moduladores y conmutadores pticos (I+D) n Superlentes (I+D) n Cristales fotnicos (I+D) n Monitores LCD basados en nanotubos de carbono (I+D)


Memorias MRAM

Memoria MRAM MR2A16A de la empresa Freestyle.

La electrnica convencional codica los datos informticos basados en un sistema binario de unos y ceros, dependiendo de si los electrones circulan o no dentro del material. Pero, por principio, la direccin en que un electrn gira en un sentido o en el otro puede tambin ser utilizada como informacin. As que la espintrnica puede efectivamente permitir a las computadoras almacenar y transferir el doble de datos por electrn. Una vez que un campo magntico empuje un electrn en un sentido de rotacin, mantendr el sentido de rotacin hasta que otro campo magntico provoque el cambio. Este efecto se puede utilizar para tener acceso muy rpidamente a informacin almacenada magnticamente durante una operacin informtica - incluso si la corriente elctrica se ha interrumpido entre dos sesiones de trabajo. Los datos se pueden almacenar permanentemente y estn casi inmediatamente disponibles en cualquier momento, sin ser necesario un prolongado proceso de arranque. Una de las aplicaciones con mayor inters de la espintrnica es el caso de las memorias MRAM (Magnetic Random Access Memory), cuya traduccin literal sera memoria magntica de acceso aleatorio. Estas memorias han sido recientemente desarrolladas por la empresa Freestyle, habindose convertido su chip de memoria MR2A16A en el primer dispositivo MRAM en el mercado. La aparicin de esta nueva tecnologa para el almacenamiento de informacin supone un avance radical con respecto a la memoria RAM, ya que sta necesita que, con una determinada periodicidad, se reescriba en cada celda de memoria su contenido actual, mientras que la memoria MRAM mantiene la informacin en bits dentro de minsculos campos magnticos. La MRAM supone un gran ahorro de energa al no necesitar ningn tipo de alimentacin elctrica. Otras ventajas de las memorias MRAM frente a las RAM son que (i) no se pierden datos cuando se apaga el terminal y (ii) es ms rpida y resistente. Todo esto hace que su aplicacin resulte muy atractiva para distintos dispositivos, desde ordenadores hasta cmaras digitales.

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Referencias IBM: www.research.ibm.com/journal/rd/501/sun.html Freescale: www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?nodeId=015424&tid=FSH

01. Tecnologas de la informacin y las telecomunicaciones (TICs)

Lser de punto cuntico

Un lser es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecnica cuntica, la emisin inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamao, la forma y la pureza controlados. Los componentes principales de un lser son: n n n n n Un medio activo para la formacin del lser Energa bombeada para el lser Espejo reectante al 100% Espejo reectante al 99% Emisin del rayo lser El principio de funcionamiento de un lser es sencillo, la energa bombeada al lser excita los electrones de un material pticamente activo y provoca el movimiento de estos electrones entre la banda de valencia y la banda de conduccin, emitiendo de forma simultanea de fotones. Estos fotones son reejados por el espejo reectante al 100% e impactan de nuevo sobre el material ptico estimulando de nuevo la emisin de ms fotones. En los materiales no nanoestructurados, las bandas de valencia y conduccin constituyen un continuo siendo, el abanico de niveles de energa disponibles para el movimiento de los electrones entre dichas bandas muy numeroso. Esto da lugar a un amplio nmero de longitudes de onda de emisin. Los lseres de punto cuntico son un tipo revolucionario de lseres que son signicativamente superiores en prestaciones a los lseres de semiconductores clsicos en aspectos tales como la operacin independiente de la temperatura, el bajo consumo energtico, la transmisin a larga distancia y rpidas velocidades. Connando las dimensiones de un semiconductor en tres dimensiones para formar un lser de punto cuntico se consigue restringir las longitudes de onda de emisin de forma ms estrecha de lo que se puede conseguir en los lseres convencionales. De esta forma la longitud de onda es determinada por el tamao del cristal y se puede consiguientemente crear lseres a medida. Las aplicaciones de estos lseres incluyen, entre otras, los lectores de CDs, lectores de cdigos de barras e impresoras lser.

Funcionamiento de un lser de punto cuntico: Fuente Fujitsu.

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Referencias Zia Laser: www.zialaser.com


Nanoelectrnica basada en nanotubos de carbono

Como es bien conocido, los nanotubos de carbono poseen propiedades electrnicas y mecnicas excepcionales cuando son comparados con materiales convencionales. En cuanto a las primeras, el control de su dimetro y helicidad permite obtener estructuras metlicas o semiconductoras, lo que abre un interesante campo de aplicacin en el mundo de la nanoelectrnica. Adems, su alta conductividad trmica podra solventar el problema de disipacin existente actualmente en dispositivos nanoelectrnicos. El principal problema de cara a la obtencin de estos dispositivos reside en la actualidad en la fabricacin de los mismos. Por un lado, el gap entre los niveles energticos de los nanotubos es dependiente de su calidad, siendo altamente complicada la fabricacin de estructuras con valores predeterminados y repetibles. Por otro lado, el alineamiento de los nanotubos, esencial para el buen funcionamiento del sistema, precisa de tcnicas de crecimiento sosticadas. A pesar de estas dicultades, existen hoy en da prototipos de nanosistemas electrnicos basados en nanotubos de carbono. El ms conocido de ellos es el llamado CNT-FET (Carbon nanotube-based Field Effect Transistor) que ha sido recientemente considerado como el ms rme candidato para sustituir la tecnologa CMOS en un futuro. De manera resumida, los CNTFET son dispositivos basados en la unin de los dos electrodos de metal de un transistor mediante un nanotubo de carbono, haciendo los primeros las veces de terminal y controlando de este modo el funcionamiento del nanotubo (conduccin o no conduccin) al aplicar una tensin. Aunque lejos de su comercializacin, estos dispositivos presentan indudables ventajas frente a los transistores convencionales como son la probabilidad de scattering o la reduccin de procesos de pasivacin en su fabricacin.Simulacin de un CNTFET (Referencia: http://tweakers.net/ nieuws/35158/Inneon-presenteert18nm-nanotube-transistor.html ).

Adems de los CNTFETs, otros dispositivos con gran inters en la actualidad basados en nanotubos son los dispositivos nanoelectromecnicos integrados en guas de onda para RF o las memorias no voltiles.

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Referencias Inneon Technologies: www.inneon.com Institut dlectronique du Solide et des Systmes: www-iness.c-strasbourg.fr/Axe4-ModComp/cntfet.htm.en


Circuitos pticos integrados: aplicacin a moduladores y conmutadores pticosEl tratamiento de seales pticas representa cada vez un papel ms importante en las actuales tecnologas de la medida y la comunicacin. Aspectos como la generacin de seales, su modulacin, su medida y su direccionamiento son ya imprescindibles en todos los dispositivos tecnolgicos basados en la fotnica, en lugar de la electrnica. En este tipo de tecnologa, las bras pticas son ampliamente utilizadas para conducir la luz a lo largo de grandes distancias pero, para el tratamiento preciso de esa luz, es necesario disponer de dispositivos y circuitos pticos integrados. La tecnologa de la ptica integrada permite realizar de forma eciente todas las tareas de modulacin, enrutamiento o conmutacin necesarias en cualquier plataforma de comunicaciones pticas.Figura 1: Modulador Mach-Zehnder experimental.

El elemento fundamental de la ptica integrada son las guas pticas, que se pueden fabricar mediante el uso de gran variedad de tcnicas y materiales. En el Laboratorio de ptica Integrada de la Universidad de Oviedo se fabrican guas pticas integradas sobre vidrio mediante la tcnica del intercambio inico, y sobre niobato de litio mediante intercambio protnico. El niobato de litio es un material electroptico, que lidera en la actualidad la fabricacin de dispositivos de comunicaciones pticas, y en los que ha demostrado una gran aplicabilidad y abilidad. Las tcnicas que utiliza el Laboratorio en la fabricacin de estos dispositivos abarcan desde los procesos fotolitogrcos en la microescala hasta la caracterizacin experimental completa de los elementos fabricados. Actualmente, en el Laboratorio se investigan los moduladores electropticos Mach-Zehnder en niobato de litio. Estos dispositivos se basan en un interfermetro integrado sobre un sustrato de niobato de litio en el que, mediante la aplicacin de un campo elctrico, se consigue modular una seal ptica. De esta forma, se puede transmitir una seal digital desde un soporte electrnico a un soporte ptico. La implementacin de estos dispositivos requiere el tratamiento de seales elctricas de alta frecuencia y su adaptacin e interaccin con las guas pticas. En la gura 1 se puede ver la estructura de un modulador Mach-Zehnder experimental, mientras que la gura 2 muestra una estructura de electrodos travelling-wave fabricados sobre un sustrato de niobato de litio. La misma tecnologa empleada en los moduladores permite la fabricacin de conmutadores pticos, en los que la luz que entra en el dispositivo se puede dirigir a voluntad hacia distintas salidas. Este efecto se puede utilizar para multiplexar/demultiplexar seales pticas o enrutar stas a alta frecuencia. Las tcnicas de modulacin de fase o de amplitud, tambin son utilizadas en dispositivos sensores industriales como, por ejemplo, los medidores de corriente elctrica en estructuras metlicas o los giroscopios pticos.

Figura 2: Electrodos travelling-wave sobre sustratos de niobato de litio.

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Referencias Universidad de Oviedo: www.uniovi.es/optoelectronica


Superlentes

Todo microscopio ptico tiene un lmite de resolucin. Dicho lmite implica que no se pueden resolver imgenes con un detalle inferior a, aproximadamente, la longitud de onda de la radiacin utilizada. Para la microscopa ptica convencional, en la regin del espectro visible, dicho lmite sera por lo tanto del orden de varios centenares de nanmetros. Este hecho es una consecuencia de lo que se conoce en ptica como difraccin, efecto que es comn a la interaccin de cualquier tipo de onda con objetos de tamao similar a su longitud de onda. Por otro lado, en la inmediata proximidad de una supercie, y en ciertas condiciones, pueden aparecer las denominadas ondas evanescentes. Se trata de ondas electromagnticas que se propagan paralelamente a la supercie del material, pero cuya intensidad decrece muy rpidamente conforme nos alejamos de la misma, siendo despreciable a distancias del orden de la longitud de onda de la radiacin electromagntica. Las ondas evanescente podran ser utilizadas para obtener imgenes pticas con mayor resolucin que las obtenidas por microscopios pticos convencionales. El principal problema en este sentido es su deteccin. Un mtodo utilizado en los ltimos aos consiste en acercar a distancias nanomtricas de una supercie una bra ptica convenientemente adelgazada. Es lo que se conoce como Microscopa de Campo Cercano o SNOM. Sin embargo, muy recientemente (abril 2007), dos grupos de investigacin de la Universidad de Maryland y de Berkeley, han conseguido mejorar dicha tecnologa y llegar a resoluciones pticas del orden de 70nm, desarrollando lo que se conoce como superlentes. Dichos dispositivos permiten recoger de forma efectiva la seal que proviene de las ondas evanescentes y su posterior tratamiento por lentes convencionales. Este hecho permitira obtener imgenes pticas de algo tan pequeo como un virus, una protena o una cadena de DNA, lo cual era hasta la fecha imposible, y abre una nueva va en la instrumentacin ptica aplicada a la biologa y la ciencia de supercies. Las superlentes son un caso particular de lo que se conoce como metamateriales; materiales articiales obtenidos mediante micro y nanoestructuracin (ver por ejemplo: Superlentes y Supermateriales, J.B.Pendry en Investigacin y Ciencia, septiembre de 2006). Las superlentes son metamateriales que poseen una caracterstica sorprendente: son materiales pticos con ndice de refraccin negativo, contrariamente al caso de los materiales naturales (por ejemplo el vidrio) que lo presentan positivo. Con este nuevo tipo de materiales se puede amplicar convenientemente la dbil seal que proviene de las ondas evanescentes que se propagan por la supercie de la materia. Los dos grupos de investigacin estadounidenses han diseado superlentes con dos geometras diferentes. En un caso el dispositivo est constituido por anillos concntricos de distintos polmeros depositados sobre una delgadsima lmina de oro. En un segundo caso se ha diseado un dispositivo tridimensional formado por una estructura multicapa constituida por lminas alternas de plata y xido de aluminio depositadas sobre una supercie cilndrica de cuarzo. Este segundo caso se muestra en la gura, en donde la palabra ON, escrita en tamao nanomtrico en la supercie externa de la superlente es proyectada por lentes convencionales despus de ser iluminada por un lser y recogida por la estructura multicapa de la superlente. Con este dispositivo es posible obtener resoluciones pticas del orden o inferior a 100nm.18

Referencias About.com: http://physics.about.com/b/a/007510.htm


Cristales fotnicos

Los cristales fotnicos son nuevos materiales nanoestructurados que presentan propiedades exclusivas, ya aplicadas para bras pticas. Se trata de estructuras constituidas por variaciones peridicas en el ndice de refraccin del material que las constituye y con banda prohibida para fotones (o photonic bandgap, PBG). En analoga con las bandas electrnicas de slidos ordenados (como los materiales semiconductores) donde la periodicidad atmica origina bandas o niveles de energa para los electrones, la distribucin espacial de la constante dielctrica en el caso de los cristales fotnicos origina una estructura de bandas para fotones. Estas bandas pueden disearse a voluntad (de forma anloga a la ingeniera de bandas en los materiales semiconductores), por lo que estas estructuras pueden impedir o favorecer la propagacin de fotones con determinadas energas, produciendo efectos no observados en la ptica convencional. Tanto la periodicidad como las dimensiones fsicas de las zonas de variacin de la constante dielctrica estn relacionadas con la longitud de onda de los fotones que se propagan, exigiendo para estas zonas dimensiones en la escala de nanmetros para fotones con energas dentro del espectro visible e infrarrojo cercano.

Fabricacin de cristales fotnicos mediante epitaxia por haces moleculares. Fuente: Instituto de Microelectrnica de Madrid.

El creciente trco de datos en la red de telecomunicaciones (vdeo y audio en Internet) hace necesario el desarrollo de nuevas infraestructuras de mayor ancho de banda y velocidad (>100 Gb/s) mediante la implantacin de arquitecturas pticas en sustitucin de los actuales subsistemas electrnicos. En ltima instancia, ser necesario disponer de dispositivos optoelectrnicos (LEDs y/o diodos lser) de ultra-alta velocidad integrados en chips capaces de intercomunicarse pticamente. Por otra parte, estos dispositivos podran ser la piedra angular de nuevos computadores pticos que superen las limitaciones impuestas por la progresiva miniaturizacin de los actuales procesadores de silicio. Las aplicaciones actuales de estos cristales incluyen la espectroscopa, metrologa, biomedicina, imagen o telecomunicacin.

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Referencias Instituto de Microelectrnica de Madrid: www.imm.cnm.csic.es/cristalfotonico Departamento de Fsica del MIT: http://ab-initio.mit.edu/photons/


Monitores LCD basados en nanotubos de carbono

Los cientcos esperan que los nanotubos de carbono puedan ser utilizados en la fabricacin de pantallas de cristal lquido (LCD) a nivel comercial. A da de hoy, ya se han desarrollado pantallas prototipo de 15 pulgadas. Esta tecnologa es escalable, por lo que ser posible fabricar pantallas de gran tamao con una mayor calidad de imagen y durabilidad que las actuales, disminuyendo a la vez los costes de fabricacin. La tecnologa de la pantalla nano-emisiva (NED) se basa en hacer crecer los nanotubos de carbono directamente sobre un vidrio, lo que da lugar a un diseo energticamente eficiente. Esta tecnologa presenta potencialmente la ventaja de obtener pantallas con mayor brillo, excelente uniformidad y pureza de los colores.Fuente: Physorg.

En esta tecnologa, los nanotubos remplazan otras fuentes convencionales de luz como pueden ser los LED (light emitting diodes) para iluminar imgenes en pantalla. En el caso de los nanotubos la tecnologa se denomina FED (eld emitter display). En este nuevo tipo de pantallas, miles de nanotubos emiten electrones sobre una pantalla uorescente que ilumina la imagen. Los nanotubos de carbono son estructuras huecas que conducen la electricidad mejor que los metales, son ms resistentes que el acero y pueden emitir luz. Las pantallas basadas en nanotubos son en concepto similares a las clsicas CRT (cathode ray tube) pero con mejor resolucin y calidad de imagen.

Esquema de una pantalla basada en nanotubos (Michael Berger, copyright) 20

Referencias Physorg.com: www.physorg.com/news4031.html Nanowerk: www.nanowerk.com/spotlight/spotid=316.php

02. Industria de automocinn Recubrimientos transparentes anticondensacin basados en nanotubos de carbono n Nanocompuestos


Recubrimientos transparentes anti-condensacin de vapor de agua basados en nanotubos de carbonoLa condensacin de vapor de agua sobre vidrio en ambientes fros y hmedos reduce notablemente su transparencia. Los parabrisas de los automviles, los espejos en entornos hmedos, como los cuartos de bao, o los vidrios de las ventanas son algunos de los ejemplos en los que la condensacin de vapor de agua empeora signicativamente la visibilidad. Entre las soluciones empleadas actualmente para reducir la condensacin, la ms frecuente, especialmente en las lunas traseras de los automviles, consiste en depositar una resistencia lineal sobre el vidrio por la que se hace circular electricidad. De este modo, la potencia elctrica disipada calienta las zonas del vidrio adyacentes eliminando la condensacin. Sin embargo, la resistencia presenta tres problemas: el calentamiento no es homogneo, siendo ms intenso en las zonas cercanas al hilo resistivo, la visibilidad se ve limitada porque el material empleado para fabricar la resistencia no es transparente y su estabilidad a largo plazo se ve comprometida porque cualquier dao en uno de los hilos de la resistencia la vuelve inutilizable. Una de las soluciones alternativas que se est explorando consiste en la utilizacin de recubrimientos transparentes y conductores basados en nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son estructuras cilndricas formadas a partir de lminas de grato enrolladas sobre s mismas. Las dimensiones de los nanotubos son muy variables, siendo su dimetro del orden del nanmetro, mientras que la longitud puede llegar hasta las micras, o incluso milmetros. Dependiendo de la forma en que se enrolle la lmina de grato, los nanotubos pueden ser semiconductores o metlicos. Habitualmente, los nanotubos de carbono presentan una estructura multipared, formada por nanotubos de distintos dimetros enrollados unos sobre otros en una estructura coaxial. La mayora de los nanotubos multipared tienen un comportamiento metlico y, por tanto, pueden conducir electricidad. Actualmente se estn desarrollando lacas transparentes con nanotubos para ser dispersadas sobre la supercie de vidrios. La lmina resultante es conductora, con lo cual al aplicarle una diferencia de potencial conducir una corriente elctrica que calentar el vidrio y eliminar la condensacin de vapor de agua. Las aplicaciones ms evidentes son las ya mencionadas: espejos en ambientes hmedos, vidrios de ventanas y, especialmente, parabrisas de los automviles, donde la reduccin de visibilidad supone un serio problema de seguridad vial. Entre las ventajas de este sistema gura el hecho de que el calentamiento del vidrio es ms uniforme que en el caso de emplear resistencias lineales. Adems, a diferencia del calentamiento basado en resistencias, el carcter conductor de la lmina no se ve afectado en caso de daos puntuales al recubrimiento. El consumo del sistema es bajo, por lo que puede funcionar con los voltajes habituales de las bateras de automvil y el calentamiento se produce en un breve plazo de tiempo.

Laca transparente y conductora con nanotubos de carbono. Fuente: Dominik Nemec, Fraunhofer Technology Development Group.

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Referencias Fraunhofer-Gesellschaft: www.fraunhofer.de

02. Industria de automocin

Nanocompuestos

El mayor avance en los ltimos aos en la qumica de los polmeros no ha sido el descubrimiento de nuevos monmeros sino la incorporacin de aditivos de tamao nanomtrico. Esta tecnologa da lugar a los llamados nanocomposites o polmeros hbridos orgnicosinorgnicos. La caracterstica fundamental de estos polmeros hbridos es que los aditivos inorgnicos estn distribuidos en la matriz del polmero a escala nanomtrica y, en la situacin ideal, ambas fases se encuentran unidas qumicamente. Si comparamos los nanocomposites con otros materiales tradicionales de relleno de plsticos, en el primer caso la cantidad de nanopartculas que se deben aadir para transformar signicativamente las propiedades del material son menores. De esta manera, hablamos ms propiamente de aditivos que de material de relleno.Nanopartculas cermicas. Fuente: http://www.rpi.edu/dept/ materials/

Incorporando nanoaditivos es posible, por ejemplo, incrementar simultneamente la tenacidad y resistencia a rotura del plstico y mejorar su resistencia al fuego. Tambin se puede reducir la permeabilidad a la humedad y gases. Esto es importante por ejemplo en los lmes barrera para uso alimentario y en las uniones adhesivas en las que se mejora su comportamiento frente a ambientes de calor y humedad. Por ejemplo, se ha demostrado que la adicin de nanopartculas adecuadamente funcionarizadas en un adhesivo en cantidades del orden del 5%, permite doblar los valores de la resistencia a cortadura y pelado del adhesivo. El mercado potencial de los nanocomposites es muy amplio ya que abarca todas aquellas aplicaciones en las que se utilizan plsticos y uniones adhesivas: envase y embalaje, automocin, aerospacial, bienes de equipo, etc.

Fuente: Easton Bicycles Manillar de bicicleta para triatln basado en nanotubos de carbono. Imagen tomada de www.compositesworld.com/

Fuente GM (General Motors) Varias partes del vehculo Hummer de GM han sido moldeadas con un polmero TPOaditivado con arcilla de tamao nanomtrico. www.compositesworld.com/

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Referencias IFAM Fraunhofer: www.ifam.fraunhofer.de Univ. Cornell: www.mse.cornell.edu/materials_science_discovering/nanocomposites.html Composites World: www.compositesworld.com/


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03. Industria de biotecnologan Deteccin de bacterias mediante nanoparticulas bioconjugadas n Fotosistemas para conversin de energa solar n Membranas nanoporosas de almina (I+D)


Deteccin de bacterias mediante nanoparticulas bioconjugadas

La deteccin de bacterias usando anticuerpos no es nueva, pero la tecnologa convencional no presenta la sensibilidad que pueden desplegar las nanotecnologias. Frente a las tcnicas tradicionales que ligan una molcula uorescente a un anticuerpo, las tcnicas modernas, como la desarrollada por la Fundacin de Investigacin de la Universidad de Florida, permiten asociar a un anticuerpo muchas molculas que pueden generar una seal muy intensa facilitando con ello la captacin de la imagen.SEM de bacteria incubada con nanoparticulas bioconjugadas. Fuente: PNAS.

El fundamento de estas tcnicas consiste en asociar a materiales bioconjugados constituidos por nanoparticulas y anticuerpos no una sino miles de molculas de tinte uorescente de forma que al quedar adosadas a cada bacteria varios de estas nanoparticulas se consigue una imagen muy ntida que se puede percibir aunque en la muestra haya una nica bacteria. Para la formacin de los nanoparticulas bioconjugadas se utiliza un gel de slice en el que se encuentran partculas de tinte uorescente encerradas en una delgada cscara. A esta microemulsion se le aade posteriormente ortosilicato tetraetilo e hidrxido de amonio, dando como resultado nanoparticulas discretas de 60 nm de tamao que en vez de tener una sola molcula de tinte, tienen miles. Finalmente se crea la conjugacin entre un anticuerpo y una nanoparticula dando as lugar a un material bioconjugado que, gracias al anticuerpo, y una vez introducido en la muestra que se desea comprobar, es capaz de detectar la presencia de hasta tan solo una bacteria. Una vez adosadas a la bacteria, esta puede ser fcilmente reconocible gracias a la intensidad de la seal uorescente emitida por las nanoparticulas. Esta tcnica tiene potencial aplicacin entre otras en la identicacin de bacterias o virus en carne y en los controles de calidad de agua.

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Referencias Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: Vol. 101, No. 42 (Oct. 19, 2004), pp. 15027-15032

03. Industria de biotecnologa

Fotosistemas para conversin de energa solar

La necesidad de desarrollar fuentes de energa que sean econmicamente rentables a la vez que ambientalmente sostenibles ha incentivado la investigacin en soluciones alternativas a los combustibles fsiles. Una de las lneas de investigacin principales se centra en el uso eciente de la energa solar, siendo el estudio del comportamiento de la naturaleza y en concreto de la funcin de fotosntesis desarrollada por las plantas verdes y otros organismos para convertir fotones directamente en electrones y luego en energa qumica el punto de partida de muchas investigaciones. As mediante el uso de un fotosistema de recoleccin de energa compuesto de bacterias y plantas verdes se ha demostrado que los fotones pueden convertirse directamente en electrones mediante mquinas moleculares biosolares. As, por medio de una combinacin de ingeniera de precisin e ingeniera biolgica del fotosistema, ha sido posible construir un fotosistema en nanoescala de alta densidad y mquinas moleculares ultra livianas de recoleccin de energa solar. Para fabricar una mquina molecular de recoleccin de energa biosolar se requieren dos componentes claves: un sistema de produccin de energa biosolar de hojas de plantas verdes y agentes peptdicos. De esta forma se ha comprobado que mediante la utilizacin de estas proteinas pptidicas denominadas Fotosistema I entre lminas de material conductivo transparente la viabilidad de bateras elctricas de tamao inferior a 20 nanmetros que integren complejos moleculares con dispositivos electrnicos. El reto que se presenta de cara al futuro es lograr una mayor estabilidad de las protenas alargando forma la vida til de las bateras hasta aproximadamente 1 ao y mejorar la eciencia de la conversin fotnica por encima del 12% conseguido inicialmente.

Fuente MIT.

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Referencias Nanoletters 2004: Vol. 4, No. 6 1079-1083 Laboratorio de Autoemsamblaje molecular del MIT: http://web.mit.edu/lms/www/ eJournalUSA: www.usinfo.state.gov/journals/ites/1005/ijes/zhang.htm


Membranas nanoporosas de almina

El anodizado de aluminio en determinados medios cidos como por ejemplo sulfrico, fosfrico u oxlico, forma una pelcula porosa de xido de aluminio o almina. El tamao y distribucin de estos poros se puede controlar con las condiciones experimentales del anodizado. De este modo es posible obtener diferentes recubrimientos de almina nanoporosa con una distribucin de poros ordenada y de tamao uniforme. Posteriormente, estos recubrimientos de almina se pueden separar del aluminio para obtener membranas nanoporosas. Habra que tener en cuenta varios aspectos fundamentales: (a) Un pretratamiento electroqumico de la supercie de aluminio, conocido como electropulido para adecuar la supercie para su posterior anodizado. (b) El tamao y distribucin de los nanoporos en la almina depende de las condiciones de anodizado. Concretamente del tipo y concentracin de cido empleado en el anodizado, temperatura, potencial de oxidacin y tiempo. (c) Separacin de la pelcula de almina nanoporosa del aluminio no anodizado. (d) Eliminacin de la denominada capa barrera para obtener la membrana. Las aplicaciones ms comunes se encuentran en el sector sanitario, medioambiental e industrial. Las membranas nanoporosas de almina presentan unas propiedades nicas que permiten su aplicacin en otros sectores. Presentan por ejemplo un gran potencial en procesos de nanoltracin en continuo, construccin de nanoelectrodos, almacenamiento de energa solar. Una de las ltimas aplicaciones ms interesantes es la construccin de cpsulas para realizar implantes celulares que produzcan sustancias que el organismo receptor no puede producir, por ejemplo insulina. La biocompatibilidad y rigidez de la almina unida al tamao nanomtrico de los poros permite que las clulas sean protegidas de las respuestas inmunolgicas y, sin embargo, puedan seguir realizando sus funciones biolgicas. Otro aspecto muy interesante de estas membranas es que pueden producirse con bajo coste y con un equipamiento econmico.

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Referencias Universidad de Oviedo, Dpto. de Qumica-Fsica y Analtica: www.uniovi.es/QFAnalitica/ CNRS (Francia): http://cat.inist.fr/?aModele=afcheN&cpsidt=3914468

04. Industria mdica y farmacutican n n n n n n Nanodiagnstico mediante quantum dots Detectores de CO2 y sistemas de monitorizacin de funcin respiratoria Terapia mediante nanopartculas Liberacin controlada de frmacos Medicina regenerativa. Sustitutos seos Implantes de rodilla y cadera Modicacin de sueros en medicamentos

n Polmeros electroactivos para su uso como msculos articiales (I+D) n Sensores de ADN (I+D) n Sensores de antgenos (I+D)


Nanodiagnstico mediante quantum dotsLos quantum dots o puntos cunticos son un tipo especial de semiconductor (por ejemplo, CdSe, PbS) caracterizados por su pequeo dimetro, entre 2nm y 10nm. En los semiconductores de tamao superior al radio del excitn de Bohr, la distancia entre la banda de conduccin y la banda de valencia determina la energa mnima que ha de tener un electrn para pasar a la banda de conduccin. Esta energa es ja para cada componente, debido a la continuidad entre los niveles de energa y al mayor nmero de tomos. Debido a esto, cuando un electrn, despus de haber pasado gracias a la aportacin de energa externa (luz, calor) a la banda de conduccin regresa a la banda de valencia emite radiacin en una longitud de onda caracterstica y ja. Sin embargo, reduciendo las dimensiones del cristal semiconductor hasta tamaos del orden del radio del excitn de Bohr de dicho compuesto, los niveles de energa pasan a ser discretos y nitos. Debido al menor nmero de tomos en los quantum dots, la distancia entre las bandas de conduccin y valencia es mayor que en el componente no nanoestructurado, lo que provoca que la radiacin emitida sea de un color ms azulado (ms energa). Adems, el tamao del cristal es tan pequeo que la adicin o sustraccin de tomos modica la distancia entre las bandas de conduccin y de valencia y con ello la energa asociada a la transicin de los electrones, pudindose de esta forma controlar el color de la luz emitida por el nanocristal. Una de las aplicaciones ms generalizadas de los quantum dots es la de marcadores de clulas dainas. Su emisin de uorescencia es tan brillante que es incluso posible detectar una clula que contenga tan slo una de estas nanopartculas. Los quantum dots comienzan hoy en da a ser comerciales y diversos grupos de investigacin han demostrado con xito su utilidad para la localizacin de tumores en los primeros estadios, por lo que se puede proceder a su extirpacin inmediata. Para conseguir esta localizacin, hay que recubrir la supercie del quantum dot con molculas biolgicas (biorreceptores) con anidad hacia un compuesto especco. Cierta protena o ciertas molculas que se encuentran en mayor proporcin en la supercie de las clulas cancerosas como los receptores de cido flico o la hormona luteinizante, asociado con un tipo de cncer en particular. Cuando los quantum dots se acercan a una muestra que contiene dicha protena, ambos se unen, pudindose detectar la interaccin mediante la iluminacin de los nanocristales con luz ultravioleta y observando su emisin caracterstica. La gura adjunta muestra un ejemplo de tal localizacin. Debido a la cantidad de colores en que pueden emitir, los puntos cunticos se pueden combinar para detectar diversas sustancias, clulas tumorales, antgenos, etc., de forma simultnea.

Clulas cancergenas identicadas mediante quantum dots. Fuente: www.gatech.edu/newsroom/release.php?id=665

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Referencias Nanoco: www.nanocotechnologies.com/index.htm Evident Technologies: www.evidenttech.com/qdot-denition/quantum-dot-introduction.php

04. Industria mdica y farmacutica

Detectores de CO2 y sistemas de monitorizacin de funcin respiratoriaLos sensores para la deteccin de CO2 en vas respiratorias basados en nanotecnologas permiten unas mayores y mejores prestaciones que los sistemas actuales basados en tecnologa infrarroja no dispersiva o colorimetras, siendo estos sistemas ms costosos y con necesidades en consumos energticos ms amplios. Los sensores basados en nanotubos sobre microestructuras de slice permiten generar sistemas ultrasensibles de deteccin, con tamaos reducidos y bajos consumos, con unos precios competitivos. El sistema del sensor de CO2 se basa en una estructura de nanotubos depositada sobre una oblea de muy no espesor de slice. Sobre la supercie de nanotubos se incorporan los sistemas de deteccin selectivos para los distintos analitos biolgicos y qumicos. La interaccin analito con la supercie de nanotubos genera un cambio en las propiedades elctricas del sistema, permitiendo la identicacin de analitos. Los sistemas de generacin de supercies de nanotubos sobre la supercie de silicona se realizan mediante combinacin de procesos de fabricacin de semiconductores y de procesos de fabricacin patentados. Las aplicaciones ms inmediatas seran las propias del sector sanitario. Monitorizacin de calidad de aire en vas respiratorias de pacientes con patologas respiratorias. La posibilidad de disminuir el tamao del dispositivo, as como los bajos consumos energticos, permite disponer de sistemas de monitorizacin manejables y de uso desde situaciones de urgencia hasta seguimiento de pacientes a distancia.

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Referencias Nanomix: www.nano.com


Terapia mediante nanopartculas

Las nanopartculas magnticas tienen en la terapia mdica un campo de aplicacin muy prometedor. As, se ha iniciado una lnea de investigacin en el tratamiento de afecciones tumorales por mtodos basados en nanopartculas ferromagnticas recubiertas que, conducidas por medio de campos magnticos externos, pueden adosarse a clulas cancergenas y atacarlas de forma selectiva. El pequeo tamao de estas partculas hace que puedan acercarse a las clulas e incluso interactuar con ellas. Una de las mayores limitaciones del uso de nanopartculas en biomedicina es la baja biocompatibilidad de los materiales ferromagnticos clsicos (hierro, cobalto, nquel). Por ello, el descubrimiento de magnetismo en los metales nobles que son altamente biocompatibles a escala nanomtrica supone un gran avance en el uso de estas nanopartculas para aplicaciones in vivo.Calentamiento de nanopartculas. Fuente: http://www.thermo-healthcare.de/en/nano-cancer-therapy.html

El magnetismo de los materiales masivos esta basado en tres elementos: la existencia de momentos magnticos, la interaccin de canje entre estos momentos que tiende a mantenerlos paralelos entre si y la anisotropa que tiende a orientar los momentos en ciertas direcciones espaciales. Sin embargo, algunos experimentos han puesto de maniesto que en la nanoescala slo se requiere la existencia de momentos magnticos y la anisotropa, siendo esta ltima una caracterstica inherente a la nanoestructura como consecuencia de la falta de simetra. Este descubrimiento abre la puerta a que en sistemas nanomtricos fabricados en materiales no magnticos se observe un comportamiento tpico de los materiales ferromagnticos (histresis, coercitividad, remanencia). Uno de los mecanismos de tratamiento teraputico ms prometedor en la actualidad utilizando nanopartculas metlicas se basa precisamente en el fenmeno de histresis que presentan, mediante la cual, al aplicarse campos magnticos que varen rpidamente en el tiempo, las nanopartculas disipan calor. De este modo, se puede conseguir que estas nanopartculas sean transportadas mediante campos magnticos externos y queden adheridas de manera selectiva a las clulas dainas. La posterior aplicacin de campos magnticos alternos producira el calentamiento de las nanopartculas y, por tanto, de las clulas enfermas hasta conseguir la eliminacin de las mismas, sin daar las clulas sanas.

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Referencias Revista Madri+d: www.madrimasd.org/revista/revista34/tribuna/tribuna3.asp The Johns Hopkins University: www.jhu.edu/gazette/2006/07aug06/07lance.html Nanobiotix: www.nanobiotix.com


Liberacin controlada de frmacos

Existen muchas desventajas asociadas al empleo de determinados frmacos. stos se distribuyen en el organismo segn sus propiedades fsicas, tales como la solubilidad, coeciente de particin y carga. En consecuencia, los frmacos pueden alcanzar gran variedad de rganos en los cuales puede que se encuentren fuera de su intervalo teraputico, que sean inactivos, o que su accin sea indeseada o nociva, y por tanto, con efectos secundarios negativos. La biotecnologa abre la posibilidad de suministrar dosis de medicamento ms bajas al paciente para conseguir los mismos efectos, al mejorarse la termoestabilidad, el tiempo de vida y la proteccin de estos medicamentos frente a los tradicionales. La formulacin de frmacos en forma nanoestructurada aumenta su solubilidad y ecacia, por lo que ya existen en el mercado ms de cien frmacos de este tipo y muchos otros estn en desarrollo. Adems, este tipo de formulacin permite utilizar rutas de administracin ms efectivas (oral, trascutnea y pulmonar) y alcanzar localizaciones en el cuerpo que tradicionalmente han sido difciles, tales como el cerebro. Pueden emplearse diversos tipos de nanoestructuras como vehculos para la administracin de frmacos, tanto oralmente como inyectados en sangre. Entre ellas, cabe destacar la utilizacin de nanopartculas de material cermico, nanocpsulas, dendrmeros, liposomas o micelas. Estos transportadores estn jugando un papel crucial en el desarrollo de tecnologas de liberacin de frmacos especcamente en el lugar daado o enfermo, permitiendo transportar frmacos, vacunas y ADN a las clulas y tejidos afectados, pero sin interferir negativamente en otras zonas del cuerpo. Por ejemplo, en el caso de los frmacos anticncer, el uso de nanoestructuras conduce a dosis suministradas menores que las tpicamente aplicadas en quimioterapia y, si la sustancia se dirige de modo directo al tumor, las cantidades efectivas all aplicadas pueden ser entre diez y mil veces mayores que las que llegan a destino por las vas habituales. Se evitan de este modo los efectos secundarios no deseados tpicos de la quimioterapia. Las nanopartculas que se utilizan para este propsito son sintetizadas a partir de materiales orgnicos (lpidos, polmeros, liposomas...), pero ya se estn desarrollando nano-transportadores inorgnicos (partculas magnticas, puntos cunticos de semiconductor, oro coloidal y nanopartculas de fosfato clcico). Por ejemplo, la tecnologa Nanocure de la empresa Avidimer Therapeuthics est basada en nanopartculas inorgnicas que transportan un frmaco anticncer a travs de la barrera sangre-cerebro. Novartis Pharma est investigando el uso de dendrmeros para prevenir la respuesta autoinmune durante el transplante de rganos.

Nanosistemas empleados para la liberacin controlada de medicamentos.

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Referencias Avidimer Therapeuthics: www.avidimer.com/index.html


Medicina regenerativa. Sustitutos seos

El hueso es el nico tejido del organismo que, al ser daado, es capaz de regenerarse por medio de la creacin de un tejido exactamente igual al original. Habitualmente, la dinmica del hueso es suciente para reconstruir los defectos comunes. No obstante, en las prdidas mayores de masa tisular, por ejemplo tras un accidente, se hace necesario recurrir al aporte de sustitutivos seos para obtener la reparacin. En la actualidad, para realizar una sustitucin sea predomina la utilizacin de tejido donante, tanto de aloinjertos como de autoinjertos, si bien est aumentando el porcentaje relativo de materiales articiales. Los tejidos donantes, frente a su buena biocompatibilidad, tienen una serie de claras desventajas, ya que son costosos, escasos y presentan riesgo de transmisin de enfermedades, frente a los materiales sintticos, que previsiblemente, a la larga, acabarn por conquistar una parte importante de este mercado. Los principales criterios de calidad que debe poseer un biomaterial para optar a la condicin de sustitutivo seo son una correcta biocompatibilidad con el tejido seo receptor, una accin biolgica promotora de una rpida neoformacin sea, es decir, el material ha de ser bioactivo, y propiedades biomecnicas ptimas. De estos requisitos es el tercero el que presenta mayores dicultades, especialmente cuando se requiere la implantacin de los sustitutivos seos en localizaciones sometidos a requerimientos mecnicos importantes. Desde el punto de vista estructural, resulta particularmente importante el nivel de porosidad del material, el tamao de los poros y el tamao de las interconexiones entre los poros. Los sustitutos seos actualmente disponibles poseen bajos niveles de porosidad, inapropiados tamaos o distribucin de los poros e insuciente conectividad entre los mismos, lo cual diculta la vascularizacin del implante y por lo tanto no soporta adecuadamente el crecimiento del hueso. Existe una gran diversidad de materiales en investigacin o ensayados y disponibles a la fecha. Sin embargo, los que han resultado ms prometedores como potenciales sustitutivos seos continan siendo los biomateriales cermicos y, dentro de estos, la hidroxiapatita por ser el compuesto ms parecido al componente mineral de los huesos, la hidroxiapatita carbonatada. Una lnea de investigacin actual es el desarrollo de sustitutivos seos basados en nanohidroxiapatita con un gradiente de porosidad en funcin de la porcin de hueso que ha de ser sustituida de forma que se alcancen altos rendimientos mecnicos (baja porosidad) y se una buena regeneracin sea. Para conseguir buenos comportamientos mecnicos es posible recubrir los poros y las interconexiones mediante paredes nanoestructuradas densas. Referencias Berkeley Advanced Biomaterials: www.hydroxyapatite.com Etex Corporation: www.etexcorp.com/

Hidroxiapatita. Fuente: Lawrence Berkeley Nacional Laboratory.

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Implantes de rodilla y cadera

Un implante es una estructura articial cuyo propsito es reemplazar o estabilizar funciones daadas del cuerpo. El problema con las articulaciones se centra en que los humanos estn preparados biolgicamente para vivir 50-60 aos y con los avances mdicos hemos superado este tiempo, lo que supone mayores posibilidades de padecer problemas. Requisitos: n Biocompatibilidad. n Resistencia a la corrosin. n Resistencia a la fatiga. n Tenacidad (resistencia a la fractura).Prtesis de rodilla unicondilar minimamente invasiva. Fuente: Cermica Industrial Montgatina.

El requisito de biocompatibilidad que han de cumplir los materiales candidatos a ser utilizados como implantes hace que menos de una veintena de materiales hayan sido exitosamente incorporados en este tipo de dispositivos, siendo el titanio, las aleaciones Cr-Co, los polmeros y los biocermicos los materiales ms empleados en la actualidad. Junto con la biocompatibilidad de los materiales, el principal problema que presentan los implantes actuales es su corta vida, de 10 aos en el caso de los implantes de cadera. Esta corta vida media es debida al alto desgaste sufrido por las uniones metal-metal, metal-polmero o cermica-metal debido al cual se generan partculas sub-micrmtricas (Metalosis). Los xidos cermicos se han utilizado ampliamente dentro del campo ortopdico, sin embargo su uso se ha visto tradicionalmente limitado por las decientes propiedades mecnicas que presentaban. Las prtesis de rodilla y de cadera que se estn investigando en la actualidad se basan en compuestos cermicos de almina-circona con microestructuras de tipo micro-nano es decir, una matriz de almina en el rango micromtrico y nanopartculas de circona, o de tipo nano-nano. Estos nuevos materiales poseen valores de resistencia a la fractura nunca antes alcanzados por ningn xido cermico, mejoran la osteointegracin de las prtesis, ya que la estructura cristalina de los huesos est formada por cristales nanomtricos (longitud media de 50nm y anchura de 25nm) y favorecen la adhesin de las clulas seas. Todas estas cualidades hacen que la vida til de estas prtesis pueda llegar a superar la esperanza de vida del paciente.

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Referencias Wright Medical Italy: www.wmt-emea.com/International/Europe/italy.asp Istituti Ortopedici Rizzoli: www.ior.it/Sito/intro.html Instituto Nacional del Carbn: www.incar.csic.es Cermica Industrial Montgatina: www.cim-montgatina.com/ Proyecto Europeo IP Nanoker: www.nanoker-society.org


Modicacin de sueros en medicamentos

Uno de los aspectos en los que la nanotecnologa est aportando un importante empuje comercial es en la modicacin de las propiedades fsicas del agua mediante el dopaje con nanopartculas. A modo de ejemplo, la compaa Neowater anuncia un tipo de agua mineral tratada cuya principales propiedades son la de tener un pH ligeramente alcalino, acorde con el pH de la sangre y mdicamente recomendable, una mayor acumulacin de oxgeno, y una estructura molecular del agua que permite su ms fcil asimilacin. Como es bien conocido, el agua est formada por molculas de H2O que interaccionan entre s formando grupos de molculas o clusters. El tamao de stos no debe ser superior a la agrupacin de ms de unas 8 molculas para que sea adecuadamente asimilada por las clulas. El tratamiento del agua anunciada por esta compaa, basada en la nanotecnologa, garantiza todas estas propiedades. La compaa Neowater trata de reproducir las propiedades fsicas del agua en el interior de las clulas utilizando la disolucin de nanopartculas inorgnicas que cambian las propiedades fsicas de agua que las rodea. Por ejemplo, pueden darse propiedades hidrlas o hidrfobas a esta agua. Una de sus principales propiedades es la de actuar como solvente de sustancias que son insolubles en agua. El campo de aplicacin en el que se prev un mayor volumen de negocio es en el de los productos cosmticos. Adems, Neowater se utiliza ya como agente biocatalizador, surfactante, y medio soporte para el crecimiento de clulas. Reemplaza al alcohol en muchas aplicaciones ya que aumenta la solubilidad de compuestos hidrofbicos, o permite su mayor dispersin. Puede adems modicar el entorno fsico de reacciones qumicas, aumentar la viscosidad de la solucin o favorecer el movimiento molecular. Permite realizar reacciones en volmenes ms pequeos que en el caso de agua normal ya que puede tener una presin de vapor ms baja. Todas estas propiedades la hacen muy atractiva para su uso en medicina, biologa y en la industria farmacutica.

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Productos comercializados por la empresa Neowater.

Referencias Neowater: www.docoop.com


Polmeros electroactivos para su uso como msculos articiales

En los ltimos diez aos se han desarrollado nuevos polmeros, denominados polmeros electroactivos (EAP) que responden a un estmulo elctrico con un cambio signicativo en su forma o tamao. Esta particularidad ha atrado el inters de ingenieros y cientcos de muy diferentes disciplinas ya que su comportamiento es similar al de los msculos biolgicos. Los polmeros electroactivos se pueden dividir en dos grupos: electrnicos (el mecanismo obedece a campos elctricos o fuerzas de Coulomb) e inicos (debido a la movilidad o difusin de iones). Los polmeros electrnicos pueden ser utilizados para conseguir un desplazamiento mediante la aplicacin de una corriente continua, por lo que un campo de aplicacin evidente es la robtica. Como cualquier polmero, los EAPs pueden ser conformados fcilmente y sus propiedades pueden ser ajustadas para ser integrados en MEMS (microsistemas electromecnicos) y sensores, con objeto de obtener actuadores inteligentes. La propiedad ms atractiva de estos materiales es su habilidad para emular msculos biolgicos. Sin embargo, como tecnologa emergente, se deben mejorar todava algunos aspectos tcnicos como son la intensidad de las fuerzas que desarrollan, su baja eciencia, y la no disponibilidad de material suciente a nivel comercial. El desarrollo de tcnicas de escala micro y nanomtricas abre un campo muy esperanzador de nuevas aplicaciones insospechadas hoy en da.

a)

Pinza abierta b) Pinza cerrada al cambiar la polaridad c) y d) elevacin de objetos.

Fuente: Polymer and Separations Research Laboratory, University of California, Los Angeles.

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Referencias MST News: http://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/Newsletter-EAP-review-2001.pdf TeCC: www.teccenter.org/electroactive_polymers/index.html Universidad de California-Los Angeles: www.polysep.ucla.edu/Research%20Advances/EAP/electroactive_polymers_as_arti.htm


Sensores de ADN

La reciente aparicin en el mercado de nanotubos de carbono ampla considerablemente la posibilidad de la nanoestructuracin de supercies por si microestructuradas, como es el caso de los electrodos serigraados de oro o grato. Los nanotubos de carbono aportan desde el punto de vista supercial, nuevas propiedades relacionadas con la capacidad de adsorcin, aumento del rea supercial y transferencia electrnica. Estas propiedades, darn lugar al desarrollo de transductores que podran ser aplicados en la construccin de sensores de ADN de elevada sensibilidad Habra que tener en cuenta varios aspectos fundamentales: (a) Encontrar una nanoestructura con nanotubos de carbono sobre supercies serigraadas que sea estable y reproducible. (b) Ordenar adecuadamente las hebras sonda de ADN, para lo cual, se emplearan hebras biotiniladas en un extremo y se hara interaccionar con estreptavidina inmovilizada sobre los nanotubos. (c) Acoplar un sistema de revelado de la seal que utilice, como marca, un enzima para sensibilizar la metodologa de cuanticacin. Las aplicaciones ms inmediatas de este tipo de sensor sera en sectores sanitario, agroalimentario, medioambiental o cualquier otro que tenga necesidades de identicacin y cuanticacin de ADN. Con frecuencia, la cantidad de muestra para este tipo de identicaciones es escasa y se requiere la utilizacin de una etapa para la amplicacin de la muestra, como puede ser la Reaccin en Cadena de la Polimerasa (PCR). En este caso, el desarrollo de sensores altamente sensibles podra suponer la eliminacin de la etapa previa de amplicacin de la muestra. La instrumentacin sera porttil, del tamao de un mvil.

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Referencias Universidad de Oviedo, Dpto. de Qumica-Fsica y Analtica: www.uniovi.es/QFAnalitica/


Sensores para antgenos

La tecnologa de serigraado, conocida como de capa gruesa (aproximadamente 10m se espesor), nos facilita la posibilidad de utilizar circuitos electrnicos como transductores de inmunosensores. Si la tinta de serigraado es de polvo de grato, con un tamao de partcula de unas 5m de dimetro promedio, podramos conseguir una supercie microestructurada con un gran poder adsorbente para cualquier material proteico y disponer de una herramienta para fabricar inmunosensores especcos de cualquier antgeno y con elevada sensibilidad. Habra que tener en cuenta varios aspectos fundamentales: (a) Encontrar un buen tratamiento electroqumico que conera a las micropartculas de grato propiedades adsorbentes adecuadas. (b) Inmovilizar avidina, o alguno otro de sus derivados, sobre esta supercie. (c) Orientar anticuerpos monoclonales, marcados con biotina, especcos de un eptopo del anticuerpo. (d) Poner a punto un sistema enzimtico que genere un producto electroactivo que pueda ser oxidado o reducido sobre la misma supercie microestructurada. Las aplicaciones ms inmediatas de este tipo de sensor seran en el sector sanitario. Una aplicacin concreta e interesante sera el desarrollo de un sensor para la cuanticacin de PSA. Un logro importante sera conseguir un sensor bioanaltico que, utilizando una sola gota de suero sanguneo, nos diera la relacin de PSA libre/ PSA total, ya que hoy da este es el parmetro ms importante para el diagnstico de cncer de prstata. La instrumentacin sera porttil, del tamao de un mvil.

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Referencias Universidad de Oviedo, Dpto. de Qumica-Fsica y Analtica: www.uniovi.es/QFAnalitica/


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05. Industria aeroespacialn Plsticos conductores elctricos n Recubrimientos para componentes sometidos a altas temperaturas de operacin n Materiales cermicos cristalinos transparentes


Plsticos conductores elctricos

La conductividad elctrica de un plstico se puede incrementar notablemente con la incorporacin de nanomateriales (nanopartculas, nanobras de carbono y nanotubos de carbono, principalmente) con propiedades conductoras. En este sentido, existen avances signicativos en la incorporacin de nanotubos de carbono en matrices plsticas. Cientcos de la AFRL (Air Force Research Laboratory) han desarrollado un mtodo para dispersar adecuadamente nanobras de carbono en materiales polimricos con objeto de incrementar su conductividad. De esta manera, la nanotecnologa permite combinar materiales con propiedades muy diferentes a escala nanomtrica, dando lugar a nuevos materiales con propiedades revolucionarias. La adicin de nanobras de carbono a un material polimrico permite mejorar la estabilidad dimensional, la resistencia a la abrasin, la conductividad trmica y elctrica y las propiedades tribolgicas. La formulacin del material permite controlar el grado de conductividad del mismo. Esta tecnologa logra transformar prcticamente cualquier plstico en un material multifuncional capaz de transportar o disipar una cantidad signicativa de carga elctrica. En el caso de los nanotubos de carbono, el dimetro de los mismos oscila entre 50nm y 150nm y tiene una relacin de aspecto (longitud/dimetro) de aproximadamente 800. Esta geometra permite que se puedan alcanzar altas conductividades elctricas en el material con la adicin de pequeas cantidades de nanotubos. Para conseguir conductividades similares mediante la adicin de partculas metlicas, es necesario ir a concentraciones mucho ms altas.

SEM de un PU termoplstico con nanobras de carbono uniformemente dispersas. Fuente: www.afrlhorizons.com.

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Referencias Air Force Research Laboratory Horizons: www.afrlhorizons.com/Briefs/Sept02/ML0206.html NASA Small Bussines Innovation Res.: www.sbir.nasa.gov/SBIR/abstracts/05/sbir/phase1/

05. Industria aeroespacial

Recubrimientos para componentes sometidos a altas temperaturas de operacinLos recubrimientos superciales son utilizados para favorecer el comportamiento de componentes sometidos a la abrasin y al desgaste, como las herramientas para trabajado mecnico (corte, perforacin, fresado, embutido, estampado y otras), y tambin para su uso como barrera trmica en componentes fuertemente solicitados como los alabes de las turbinas a gas. Las principales barreras tcnicas en este tipo de componentes, y principales motivos de fallo, son la alta temperatura a la que estn sometidos y el desgaste. El reto principal en la actualidad consiste en desarrollar nuevos recubrimientos que permitan ampliar la vida media de los componentes y disminuir el efecto medioambiental. Los materiales cermicos son muy buenos candidatos para las aplicaciones a altas temperaturas debido a su baja conductividad trmica, no en vano los transbordadores espaciales son protegidos trmicamente con azulejos cermicos, sin embargo los efectos de la porosidad del material sobre la resistencia del mismo y sobre la capacidad de aislamiento trmico son antagnicos, de forma que mientras la disminucin de la porosidad (aumento de la densidad) provoca un incremento de la resistencia, la capacidad de carga y la resistencia ambiental al mismo tiempo produce una disminucin de la resistencia al shock trmico y disminuye el aislamiento. Es por ello por lo que es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material ms denso que provee resistencia. La utilizacin de materiales cermicos nanoestructurados puede paliar este problema consiguiendo mediante un nico recubrimiento aunar una baja porosidad (alrededor del 1%), y por tanto altas prestaciones mecnicas, con una elevada resistencia trmica. En la actualidad se estn desarrollando nuevos materiales cermicos nanoestructurados que aplicados en forma de recubrimientos sobre componentes de motores de aviacin, tales como los alabes, permitirn incrementar la temperatura de operacin de estos motores en ms de 50C, alargando simultneamente el ciclo de vida de los mismos en alrededor de 10.000 h y alcanzando una resistencia al desgaste 3 veces superior a los recubrimientos convencionales. La tcnica ms habitual para la deposicin de los recubrimientos sobre los sustratos es la proyeccin trmica dentro de la cual se pueden distinguir ciertas variantes, como la proyeccin por plasma mediante la cual se proyectan los materiales de recubrimiento a travs de una antorcha de plasma (gas ionizado y muy energtico) que permite expulsar el material a elevada temperatura y velocidad, impactando en el sustrato y dotndolo de un recubrimiento con excelentes propiedades protectoras y resistentes al desgaste. Referencias Nanomix: www.nano.com

Robot de spray plasma. Fuente: Piaggio Aero industries S.p.A.

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Materiales cermicos cristalinos transparentes

Existe actualmente una gran demanda de materiales avanzados que adems de presentar unas excelentes propiedades mecnicas, como pueda ser una alta resistencia al impacto, posean una propiedad funcional como por ejemplo la transparencia en un determinado espectro de onda. Existen sin embargo, pocos materiales que puedan combinar ambos aspectos. As por ejemplo, el vidrio pese a ser un material transparente, est caracterizado por una fragilidad y una baja resistencia mecnica que le hace inservible de cara a su utilizacin en el sector aeroespacial o en lmparas de iluminacin de alta potencia. Estos inconvenientes pueden ser solventados mediante la utilizacin de materiales con tamao de grano y de poros homogneos y muy inferiores a la longitud de onda de la radiacin respectiva que minimicen la dispersin de luz. Esto implica la necesidad de desarrollar materiales cermicos con una microestructura caracterizada por una distribucin de poros inferior a 10nm y una alta densidad. La almina presenta adems de una buena resistencia mecnica, elevada dureza y resistencia al desgaste, sin embargo hasta el momento su utilizacin en aplicaciones pticas se vea limitado por la imposibilidad de controlar el crecimiento del tamao de grano y la homogeneidad de la microestructura durante el proceso de sinterizado. Estos problemas han sido investigados en el marco del proyecto Europeo IP NANOKER, habindose logrado obtener materiales nanoestructurados de almina transparentes en los rango infrarrojo y visible, con una dureza extrema superior a 20GPa que pueden ser utilizados entre otras aplicaciones en pantallas de dispositivos electrnicos, relojes, blindajes y ventanas de radiacin para la gua de satlites.

Almina Transparente. Fuente: IP NANOKER.

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Referencias Proyecto Europeo IP Nanoker: www.nanoker-society.org

06. Industria textiln Tejidos con supercie nanoestructurada repelentes a la suciedad y al agua n Productos textiles antimicrobianos


Tejidos con supercie nanoestructurada repelentes a la suciedad y al aguaLos tejidos con supercie nanoestructurada articialmente ofrecen grandes prestaciones en relacin a los convencionales a la hora de mantenerse limpios y secos. Debido a su estructura estos tejidos repelen tanto a la suciedad como al agua, de manera que una vez expuestos a ellas son fcilmente limpiables sin sufrir apenas degradacin. Los tejidos con supercie nanoestructurada basan su funcionalidad en la observacin e imitacin de una especie vegetal de la naturaleza: el loto. Es bien conocido que las hojas de esta planta permanecen limpias, brillantes y secas, pese a encontrarse habitualmente en un entorno natural poco favorable a dicha circunstancia. Ello se debe a que la supercie de las hojas de loto est estructurada nanogranularmente; como consecuencia, por una cuestin de tensin supercial, cuando el agua o la suciedad lquida caen sobre ella permanecen en forma de gotas sin extenderse ni adherirse como sucede, sin embargo, en supercies de estructura ms suave, por lo que pueden ser retiradas fcilmente. La supercie de estos tejidos imita dicha estructura nanogranular del loto obteniendo consiguientemente sus mismas propiedades. Esta propiedad proviene de la especial estructura de esta supercie, combinacin de la estructura en la nano-escala y micro-escala. Recientemente se ha conseguido mimetizar esta supercie utilizando microesferas de poliestireno recubiertas de nanotubos (ver gura 1). Ninguno de los componentes por separado da propiedades superhidrofbicas. Es solo cuando ambos componentes se combinan de una determinada manera cuando la supercie resulta adquirir esa especial propiedad. Las posibles combinaciones de estos dos componentes permiten adems variar las propiedades hidrfobas de esta supercie. Debido a la importancia que tiene la conservacin de la limpieza en cualquier tipo de tejido, existen ya hoy en el mercado una gran variedad de productos que emplean estos tejidos nanoestructurados, desde prendas de vestir a todo tipo de complementos: pantalones, chaquetas, delantales, manteles, o paraguas de secado instantneo son algunos ejemplos.

Figura 1. Supercie superhidrofbica, resultante de la combinacin de microesferas de poliestireno con nanotubos de carbono.

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Figura 2: Supercie nanogranulada del tejido producido por Nanonuno que induce la permanencia del agua en forma de gotas.

Referencias Research&Markets: www.researchandmarkets.com/reports/357297/nanotechnologies_for_smart_and_responsive.pdf Science Museum: www.sciencemuseum.org.uk/antenna/nano/lifestyle/121.asp

06. Industria textil

Productos textiles antimicrobianos

La plata ha sido historicamente utilizada para eliminar bacterias y evitar los efectos derivados de las mismas, ya sea la putrefaccin de alimentos (conocido ya en la antigua Grecia), la infeccin de heridas o el olor proveniente de la sudoracin. El mecanismo de actuacin antimicrobiano de la plata consiste en la generacin de iones de plata sobre la supercie de plata cuando esta entra en contacto con agua, por ejemplo durante la transpiracin. Posteriormente estos iones son transportados por las molculas de agua hasta las bacterias donde quedan jados como consecuencia del llamado efecto oligodinmico de la plata, produciendo su precipitacin e inactivacin. Mediante la introduccin de nanoparticulas de plata en bras ya sea sintticas o naturales se consigue una potenciacin de la actividad inica gracias a la mayor cantidad de iones de plata que son liberados como consecuencia de la mayor rea supercial expuesta. Como consecuencia se alcanza una mayor eciencia que mediante el uso de partculas de plata convencionales, ya que permite aumentar extraordinariamente el nmero de iones de plata liberados reduciendo a su vez el peso de plata necesario en las bras. El resultado es la obtencin de rpidos efectos antimicrobianos o anti-olor que pueden ser utilizados en prendas de hospitales que requieran de una alta esterilizacin o para la prevencin de olor procedente de la sudoracin en ropa deportiva. Un ejemplo de aplicacin de nanopartculas de plata en ropa deportiva son los calcetines producidos por la empresa AgActive. Estos calcetines se caracterizan por contener billiones de nanoparticulas de plata con un tamao medio de 25 nm que permiten mantener un mayor frescor en los pies durante mayor tiempo. Tambin basndose en este principio, la empresa Nanohorizons ha lanzado recientemente al mercado productos de lana con nanoparticulas de plata que al requier de menores cuidados que los tejidos de lana tradicionales no slo aumentan la vida til de dichos calcetines sino que al demandar una menor frecuencia de lavado proporcionan el consiguiente ahorro energtico.

Fuente: AgActive.

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Referencias Nanohorizons: www.nanohorizons.com AgActive: www.agactive.co.uk


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07. Industria cosmtican Cremas solares n Lentes de contacto de colores


Cremas solares

De acuerdo a los requisitos normalmente impuestos por la industria cosmtica a sus productos para proteccin solar, elevada proteccin contra la luz ultravioleta y buena apariencia esttica, principalmente, la aparicin de pigmentos basados en nanopolvos o nanopartculas supone un interesante avance que est siendo ya explotado comercialmente. Estos compuestos presentan una elevada capacidad de absorcin a la radiacin ultravioleta y contienen materiales opacos que reejan la luz, especialmente xidos metlicos, lo que los hace ventajosos frente a las cremas tradicionales. En los compuestos inorgnicos (TiO2, ZnO), los electrones no estn ligados a tomos concretos sino que forman parte del conjunto del cristal, teniendo un enorme abanico de niveles de energa disponibles, favorecindose con ello la absorcin de diferentes radiaciones. Existe sin embargo una longitud de onda caracterstica para cada material por encima de la cual el material no puede absorber la luz sino que requiere una aportacin adicional de energa. Esta longitud de onda en el TiO2 y el ZnO permite absorber prcticamente la radiacin procedente de todo el espectro de luz ultravioleta. Los nuevos nanopolvos reectantes usados actualmente permiten un espectro mayor de proteccin contra la luz ultravioleta, a la vez que son, desde el punto de vista esttico, mucho ms atractivos. Al contrario de lo que ocurre con las antiguas cremas solares, las cuales adems de bloquear la luz ultravioleta dispersan la luz visible, dando a la crema un color blanquecino, los nanopolvos son transparentes debido a que el dimetro de las nanopartculas es menor que la longitud de onda de la luz visible. Usualmente, las partculas de ZnO y TiO2 tienen un tamao superior a 200nm y dispersan todas las longitudes de onda del espectro visible (380-750nm) originando el color blanco. Teniendo en cuenta las dimensiones del mercado de la cosmtica, el desarrollo del uso de nanopolvos en este sector aparece como particularmente interesante. As LOral, empresa que dedica unos $600 millones de dlares de sus $17000 millones de ingresos anuales a la investigacin, es el lder actual del sector nanotecnolgico en cuanto a patentes. Pero otros rivales, como Procter&Gamble, Este Lauder, Christian Dior y Shiseido tambin incorporan nanopartculas en su producto. Por ltimo, es importante sealar que existe en la actualidad una gran controversia en cuanto a la toxicidad de este tipo de productos, prohibiendo incluso algunos pases la fabricacin de los mismos en su territorio a la espera de informes toxicolgicos ables. Este factor determinar, por tanto, el desarrollo comercial de estas cremas.

Crema solar transparente. Fuente: Commonwealth Scientic and Industrial Research Organisation (CSIRO).

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Referencias Madisons Nanocafs: www.nanocafes.org/nanoproducts_cosmetics

07. Industria cosmtica

Lentes de contacto de colores

Las lentes de contacto de colores se han hecho populares en los ltimos aos no ya solo entre aquellas personas que temporalmente desean hacer ms deslumbrantes sus ojos, sino tambin para mejorar la apariencia de desguraciones o para mejorar la capacidad de visin de deportistas. Las primeras lentes de contacto de color se comercializaron en los aos 70, y estaban basadas en la aplicacin de pequeas cantidades de pigmentos en las lentes de forma que dicha lente poda ser vista cuando era retirada del ojo. Sin embargo la poca cantidad de pigmento que se aada a las lentes con el n de no dicultar la visin hacia que estas no tuviesen una coloracin suciente como para modicar sustanciablemente el aspecto del ojo. El nacimiento en los aos 80 de las lentes de contacto que alteran el iris supuso un salto tecnolgico cualitativo en la historia de las lentes de contacto abriendo el camino a los sosticados diseos que se realizan actualmente y que permiten realzar de forma natural el color del iris del ojo gracias a la absorcin de las adecuadas frecuencias de luz. La empresa CIBA Vision comercializa lentes de contacto formadas por nanoparticulas de pigmentos inorgnicos como dixido de titanio, oxido de hierro y sulfato de bario. El uso de estas nanoparticulas es imprescindible para reejar el color deseado sin con ello afectar a las propiedades fsicas de la lente. La gama de productos que presentan incluye una lente de contacto con 3 zonas diferenciadas: un anillo externo oscuro, una banda interior de color y una pequea zona dorada prxima a la pupila. Otra empresa Bausch & Lomb, ha creado laminas nas que aplicadas sobre las lentes de contacto permiten el mismo efecto de cambio de color del iris. En este caso las lentes son elaboradas mediante el apilamiento de laminas dielctricas (principalmente de xidos metlicos, polmeros, sulfuros metlicos y haluros metlicos) de espesor nano que alternan ndices de refraccin altos y bajos. La aplicacin de las laminas se realiza mediante tcnicas de deposicin qumica en fase vapor o deposicin asistida por haces de iones, siendo fundamental realizar un control preciso sobre el grosor nanometrico de las mismas con el n de asegurar un color homogneo.

Fuente: CIBA Vision.

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Referencias CIBA Vision: www.cibavision.com Bausch & Lomb: www.bausch.com


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08. Industria del ocion Nanotecnologa en productos deportivos


Nanotecnologa en productos deportivos

A partir de ahora la nanotecnologa empezar a tener un impacto muy signicativo en muchos deportes porque a travs de avances nanotecnolgicos es posible fabricar productos deportivos ms fuertes y ms ligeros que nunca. Se aplican nanometales a los palos de golf, para crear palos ms fuertes pero mucho ms ligeros. Los recubrimientos realizados con nanometales tienen una estructura cristalina hasta 1.000 veces ms na que los metales tradicionales y son cuatro veces ms resistentes. As, una cabeza de palo recubierta con un nanometal con un tamao de cristal de unos 10 nm, que es ms ligero, podra permitir pegar la pelota con ms fuerza y precisin. Por lo general estos materiales consisten en un composite de bra de carbono sobre el que e realiza un recubrimiento con una capa na de metal de Cr Fe que le conere una

nanotecnologia

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