Nanotecnología: física para transformar la naturaleza.

La palabra física proviene del latín physica y esta del griego antiguo φυσικός (phisis) que significa natural, relativo a la naturaleza. La física es, por lo tanto, una rama de la ciencia dedicada a estudiar los fenómenos naturales que ocurren sin trasformación de la materia. Los fenómenos vinculados con la transformación de la materia corresponden a otra rama de la ciencia, la química. En ella se estudian las reacciones por las cuales unas sustancias se convierten en otras. Por ende, el químico trabaja con átomos y moléculas para obtener sustancias distintas y también por medio de reacciones establecer su composición cuali-cuantitativa. Los análisis cuali-cuantitativos permiten comparar la composición del sistema antes-después de la reacción y certificar la variación en la composición de la materia, aspecto central y distintivo de los fenómenos químicos. Los nanotecnológos también trabajan con átomos y moléculas como los químicos para realizar innovaciones comprendidas en las dimensiones de la nanoescala (1 a 100 nm), pero la transformación producida en la naturaleza no se basa en obtener nuevos compuestos, sino en obtener nuevos objetos (nano-objetos). Entre los nano-objetos encontramos las nanopartículas con las tres dimensiones en las nanoescala (cero dimensión afuera de la nanoescala, 0D), las nanofibras (1D) y las nanoplacas (2D).

Dentro de los nanomateriales también ubicamos a los materiales nanoestructurados (3D), los cuales tienen en su superficie o en su interior al menos un 10% de zonas en la nanoescala. Son materiales nanoestructurados: los polvos nanoestructurados, los materiales nanocompuestos, las nanoespumas sólidas, el material nanoporoso y las nanodispersiones fluídas. A modo de ejemplo, dos de los nanomateriales más importantes como el grafeno y los nanotubos de carbono constituyen variantes alotrópicas del carbono, obtenidas en condiciones particulares sin que el elemento se haya trasformado en otra sustancia. Si avanzamos un poco más, observaremos que las propiedades intensivas de los materiales (no varían con la cantidad de materia) como el punto de fusión no son constantes en la nanoescala. En el mundo de lo pequeño el punto de fusión varía con el tamaño. Por ejemplo, el punto de fusión del oro en las tablas es de 1.064 ^oC, no obstante las nanopartículas de oro de 6 nm de diámetro tienen un punto de fusión de 800 ^oC y de 2 nm de 120 ^oC . La nanotecnología también produce metamateriales artificiales opuestos en su comportamiento a los materiales naturales. Presentan propiedades electromagnéticas inusuales provenientes de la estructura periódica diseñada, cuya dimensión máxima es menor a la longitud de onda de trabajo. Sus características inusuales dependen de la estructura y no de su composición. Un ejemplo clásico son los metamateriales capaces de invertir el ángulo de refracción al incidir un haz de radiación sobre ellos, violando lo establecido en la segunda ley de Snell.Resumiendo, la nanotecnología trabaja con átomos y moléculas como la química pero no transforma la materia obteniendo nuevas sustancias, sino produciendo objetos en la escala nano. Sus fenómenos entonces se ubicarían en el campo de la física, dentro de los fenómenos que no implican cambio en la composición de la materia. No obstante, se diferencia de la física clásica en su capacidad de trasformar los fenómenos naturales establecidos por la física en sus principios y leyes.La transformación de la naturaleza producida en la nanoescala es tan poderosa que permite a la nanotecnología dar respuestas únicas en las nueve necesidades humanas primarias (salud, energía, alimentación, cuidado del ambiente, vestimenta, vivienda, comunicación, transporte y defensa). La física estudia los fenómenos que no transforman la materia y los sistematiza en principios y leyes para comprender la naturaleza. La nanotecnología, desde lo pequeño, hace innovaciones capaces de transformar la naturaleza también sin necesidad de variar la composición química de la materia y desafiando las leyes de la física clásica sobre su comportamiento. Transformar y no solo comprender la naturaleza, el gran desafío del siglo XXI.

¿Son 4 o 6 las fuerzas fundamentales del universo?

Los físicos reconocen como las fuerzas fundamentales del universo a la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Todo lo que sucede en el universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas. La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro,  afecta a todos los cuerpos y su alcance es infinito. La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo -negativo) y su alcance es infinito. La fuerza o interacción nuclear fuerte  mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. 

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neu-trones. Su intensidad es menor comparada con la fuerza elec-tromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte. En la actualidad, muchos científicos intentan demostrar como todas estas fuerzas fundamentales, aparen-temente diferentes, son mani-festaciones distintas de un modo único de interacción. El término "teoría del campo unificado" engloba a las nuevas teorías en las cuales dos o más de las cuatro fuerzas funda- mentales aparecen como si fueran básicamente idénticas. En un contexto menos especializado surgen dos fuerzas nada despreciables: la fuerza vital e indomable de la naturaleza(*) y la fuerza de atracción no gravitatoria de los cuerpos vivos (“Fuerza del amor”).  Dado su supuesto origen común, las dos últimas podrían depender de las otras, o las otras tal vez puedan originarse a partir del mismo principio interactivo de éstas configurando un movimiento pendular oscilante entre el sentido común y el físico específico. La palabra física es un término proveniente del latín physica, y este del griego antiguo φυσικός (phisis) que significa natural, relativo a la naturaleza. De mínima resulta curiosa la no contemplación de la fuerza de la naturaleza y del amor entre sus fuerzas fundamentales. Tal vez se perdieron en la historia al pasar de la física como filosofía a la física como ciencia exacta.

Lectura complementaria:

* El principio de Le Châtelier, contaminación y destrucción.