Premio Nobel de Química 2025 a los nanomateriales MOF

El Premio Nobel de Química 2025 fue concedido a Susumu Kitagawa de la Universidad de Kyoto, Richard Robson de la Universidad de Melbourne y Omar M. Yaghi de la Universidad de California en Berkeley por el desarrollo de materiales MOFs basados estructuras metal-orgánicas.

En sentido estricto. los MOFs. son en la clasificación de los nanomateriales uno de los cinco grupos pertenecientes a los materiales nanoestructurados. Están formados por la unión de iones metálicos o clústeres metálicos (zinc, cobre, hierro, cobalto, aluminio, zirconio, entre otros.) con ligandos orgánicos (moléculas con grupos carboxilato o imidazol, como el ácido tereftálico o el ácido trimésico).

El resultado es una estructura porosa tridimensional, muy ordenada, con una superficie interna enorme en relación a su volumen. En otras palabras: Los MOF son como “esponjas a escala nanométrica” en las que los metales actúan como nodos y las moléculas orgánicas como conectores, generando redes con cavidades y canales de tamaño controlable.

Figura: Esferas rojas: representan los iones metálicos o nodos metálicos. Son los puntos de conexión del entramado. Barras azules: simbolizan los enlaces orgánicos o ligandos Actúan como “puentes” entre los iones metálicos. Poliedros amarillos: indican las cavidades o poros internos, es decir, los espacios vacíos nanométricos que se forman dentro de la estructura tridimensional.

En función de los poros presentes en la nanoestructura se los puede clasificar en:-Microporosos (la mayoría de los MOFs), con un diámetro de poro entre 0,5 y 2 nanómetros (nm), suficiente para alojar moléculas pequeñas como H₂, CO₂, CH₄ o H₂O.

-Mesoporosos (MOFs especiales) con poros entre 2 y 10–20 nm, para permitir la entrada de moléculas más grandes o incluso biomoléculas.

-Macroporosos (raros en MOFs) con tamaños superiores a 50 nm.

 

 Crédito: Prof. Omar M. Yaghi. https://yaghi.berkeley.edu/index.html

Entre sus propiedades podemos destacar su altísima área superficial que puede superar los 5.000 m² por gramo (más que el grafeno o el carbón activado); la porosidad controlable (se puede elegir el tamaño y la forma de los poros según la aplicación), su ligereza - estabilidad química y la posibilidad de funcionalización incorporando moléculas o grupos funcionales específicos en su estructura.

Las Aplicaciones de los materiales nanoestructurados MOF las encontramos en el almacenamiento de gases ( hidrógeno, metano o dióxido de carbono); la captura de CO₂ (los MOF pueden absorber selectivamente dióxido de carbono del aire o de emisiones industriales); en la catálisis actuando como catalizadores o soportes catalíticos en reacciones químicas; en la liberación controlada de fármacos en biomedicina (sus poros pueden “cargar” y “liberar” medicamentos de forma dirigida); en nanosensores para detectar gases, humedad o moléculas específicas y para la purificación del agua mediante la eliminación de metales pesados o contaminantes orgánicos.

Finalmente, cabe señalar que, dado que las categorías del Premio Nobel no se han actualizado para reflejar los avances de la nanociencia, se alude a los MOFs como estructuras metal-orgánicas, cuando por sus características, propiedades y aplicaciones, correspondería más adecuadamente denominarlos nanomateriales nanoestructurados.

Lecturas complementarias:

Vacunas con estructuras MOF para infecciones urinarias. https://infobiotecnologia.blogspot.com/2021/11/vacunas-con-estructuras-mof-para.html

Administración de fármacos con nanocristales MOF*Ab.

https://infobiotecnologia.blogspot.com/2021/12/administracion-de-anticuerpos-y.html

Una Fórmula 1 con nanotecnología.

 Los nanomateriales están jugando un papel importante en el desarrollo de los autos de Fórmula 1, donde cada mejora puede marcar la diferencia en términos de rendimiento, seguridad y eficiencia. Los nanomateriales se están usando para reducir el peso, aumentar resistencia, mejorar la eficiencia de las baterías y optimizar sistemas electrónicos avanzados, entre otros. Algunos de los nanomateriales utilizados son:

Nanotubos de carbono en chasis y carrocería: Los chasis y partes de la carrocería de algunos coches de F1 han incorporado nanotubos de carbono en las fibras compuestas, haciéndolas más resistentes y ligeras. Este tipo de estructura se usa para proteger a los pilotos en caso de choque, ya que puede absorber mejor el impacto al redistribuir la fuerza a través del material.

Grafeno en componentes de frenado: El grafeno, que es ultra-resistente y ligero, se está usando en discos y pastillas de freno. Ayuda a disipar el calor de manera mucho más eficiente que los materiales convencionales, lo cual es crucial en los sistemas de frenado de F1, donde las temperaturas pueden alcanzar cientos de grados.

Recubrimientos cerámicos nanoestructurados: Algunos equipos utilizan recubrimientos de cerámica a escala nano en el sistema de escape y componentes cercanos al motor. Estos recubrimientos ayudan a resistir el calor extremo y protegen partes críticas de deformaciones, además de mejorar la eficiencia al mantener temperaturas óptimas en el motor

Fibra de carbono con refuerzos nano en el habitáculo de seguridad: Los nanomateriales se integran en la fibra de carbono que forma el "halo" protector y el monocasco, que son fundamentales para la seguridad del piloto. El refuerzo a nivel nano ayuda a que la fibra sea más resistente sin añadir peso extra.

Nanopartículas de sílice en neumáticos: Algunas investigaciones han explorado la inclusión de nanopartículas de sílice en los neumáticos para mejorar la tracción y la resistencia a la abrasión, optimizando el rendimiento en diferentes condiciones de carrera para un mejor manejo de la temperatura y mayor durabilidad.

Baterías y supercondensadores con nanomateriales: En los coches híbridos de F1, las baterías y supercondensadores para el sistema de recuperación de energía (KERS) utilizan nanomateriales como el litio-nanotubos para incrementar la capacidad de carga y descarga rápida, lo que permite un almacenamiento de energía más eficiente y menos pesado.

 Un ejemplo concreto lo podemos encontrar en la empresa Nanoprom por su famoso producto Polysil, un nanomaterial que hizo su debut en la Fórmula 1 hace años y que mejoró significativamente el comportamiento de los neumáticos, al tiempo que redujo el peso de los monoplazas. Polysil se rocía sobre las llantas de un monoplaza de F1 y actúa como una barrera térmica. Esto permite que se transfiera más calor a los neumáticos, incluido el de los discos de freno. El calor se almacena mejor dentro de la llanta, lo que permite que los neumáticos alcancen la temperatura óptima más rápido y se enfríen más lentamente. Ni que decir tiene que los neumáticos más calientes proporcionan una mejor tracción, y es por eso que los coches cuyas llantas están tratadas con Polysil se adhieren mejor a la pista. Para hacer las cosas aún más espectaculares, las superficies tratadas con Polysil tienen una mejor resistencia a la abrasión y también evitarán que los trozos de goma que salen volando de los neumáticos durante una carrera se peguen a las llantas.

  Varios equipos de Fórmula 1 han estado a la vanguardia de la adopción de nanomateriales, aunque los detalles específicos suelen mantenerse en secreto debido a la competencia. Cada escudería sigue innovando con el uso de nanomateriales para obtener una ventaja competitiva. Su utilización es una tendencia creciente, y los equipos continúan colaborando con empresas de estos materiales avanzados para mantenerse a la vanguardia en un deporte donde cada milisegundo cuenta.

Nanotinta para impresoras 3D

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es más versátil y eficiente que la fundición. Agrega un material con precisión, a menudo en geometrías complejas, con mucho menos desperdicio. La adición de nanomateriales como los nanotubos de carbono (CNT), grafeno, nanopartículas metálicas y puntos cuánticos permite a los materiales impresos en 3D adaptarse a los estímulos externos, dándoles características especiales vinculadas con la resistencia, la conductancia eléctrica y térmica y el magnetismo entre otras. En el artículo Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites publicado en la revista Additive Manufacturing investigadores de la Michigan Technological University explican la síntesis de tintas compuestas imprimibles en 3D preparadas mediante la incorporación de nanoarcilla y diferentes concentraciones de nanotubos de carbono ( 0,25, 0,5 y 1% en volumen o 0,43, 0,86 y 1,7% en peso) en resina epoxi; la cual constituye una excelente base para materiales compuestos estructurales.

Crédito: Masoud Kasraie y col. Additive Manufacturing

Los nanotubos de carbono son un relleno excepcional debido a sus propiedades y funciona- lidades únicas. Las estructuras conductoras de nanocompuestos epoxi-nanoarcilla-CNT se fabri- caron mediante impresión 3D de escritura directa. El material es muy prometedor debido a sus muchas funcionalidades. La conductividad obtenida con la tinta de nanomaterial es un rasgo excepcionalmente útil, le confiere el potencial de funcionar como cableado eléctrico, ya sea ​​en una placa de circuito, en el ala de un avión o en actuadores impresos en 3D para guiar catéteres en los vasos sanguíneos. Otro rasgo útil de la tinta de epoxi-nanoarcilla-CNT es su fuerza. Comparado con el acero y el aluminio, observaron una reducción de peso del 80% manteniendo la misma resistencia. En el campo médico, en la industria aeroespacial y en la electrónica, donde los defectos y los daños pueden representar un gran problema, los nanocompuestos cumplen una función de seguridad. Cuando algo se rompe, una pequeña grieta comienza a partir de un defecto a microescala y progresa hasta la ruptura de toda la estructura. Las características de nanocompuestos crean puentes en esas grietas y no las dejan crecer. Este es uno de los mecanismos a través del cual los nanotubos de carbono aumentan la resistencia mecánica del material. La relación propiedad-peso, conductividad eléctrica, mayor resistencia y facilidad de aplicación son solo algunas de las muchas razones prometedoras por las cuales las tintas de polímero-nanocompuesto probablemente reemplacen a los productos epoxis tradicionales.

Información Complementaria: Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites

Nanotecnología, la solución a la problemática ambiental

La nanotecnología con su capacidad de innovar construyendo con átomos y moléculas permite brindar variadas respuestas a las dificultades actuales del planeta. En el presente artículo se presentan siete aspectos de la disciplina con capacidad para contribuir a menguar la problemática ambiental.

 I. Contribución  a las energías alternativas

Entre los aportes de la disciplina ubicamos los nanocatalizadores especialmente diseñados para  la conversión del dióxido de carbono en metano (componente principal del gas domiciliario). También existen otros nanocatalizadores, nanofotocatalizadores y electro-nanofotocatalizadores para obtener a partir del dióxido de carbono ambiental hidrocarburos con más átomos de carbono (ejemplo etileno).

A los paneles solares clásicos, se le agregan los que utilizan puntos cuánticos (nano partículas semiconductoras) capaces de aumentar su eficiencia e incluso, regulando su tamaño, funcionar de noche captando la radiación infrarroja causante del efecto invernadero. En la actualidad también se lograron realizar paneles en los cuales la diferencia de potencial generada está vinculada con la humedad ambiente. Sus celdas contienen proteínas con grupos carboxílos laterales, los mas externos se protonan con la humedad estableciendo un gradiente de potencial eléctrico entre la parte superior e inferior. Los denominamos paneles humedales con la licencia de considerar la palabra humedal como zona húmeda vinculada con la humedad ambiental normal. Estos paneles presentan la ventaja adicional de poder ser utilizados dentro de las viviendas. Otro aspecto importante es el relacionado con los autos eléctricos. Las reservas de litio (Li) solo alcanzarían para convertir el 1% de los autos circulantes en eléctricos. En cambio las baterías de aluminio-grafeno, aún en desarrollo, permitirían mejorar la situación debido a la abundancia del aluminio (Al) en la naturaleza. La producción mundial anual de Al (año 2019) fue de 62.8 millones de toneladas y la de Li solo 0,077 millones de toneladas.

II. Producción agrícola sustentable.

La mayor cantidad de agua dulce del planeta la consume la agricultura. Por causa de la notoria ineficiencia de los agroquímicos debido su forma de aplicación, menos del 5% de fertilizantes y pesticidas son absorbidos por las plantas. Los pesticidas contaminan el agua y los fertilizantes nitrogenados ingresan en un ciclo natural conducente a la formación de gases NxOx  que contribuyen al calentamiento global. Los nanofertilizantes y nanopesticidas, en los cuales los principios activos se adsorben a nanopartículas (NPs), permiten su retención en el suelo dando más tiempo a la planta para su incorporación. Mejor aún, su utilización foliar permite el ingreso casi total en los vegetales llegando a la raíz aproximadamente solo el 1%. Lo expuesto permite un importante ahorro de agroquímicos y el inicio de una  producción agrícola realmente sustentable.

 IIII. La desalinización de agua de mar 

La desalinización de agua de mar resulta inviable debido a los  importantes costos por el consumo de la energía necesaria, aun generando la energía con paneles solares la mejora no es suficiente. Los plasmones de resonancia superficial localizada son NPs de metales conductores. Cuando la frecuencia electromagnética de la nube de electrones superficiales (plasma) entra en resonancia con alguna frecuencia de la radiación solar, las NPs absorben la energía incrementando sensiblemente su temperatura.  Colocadas en recipientes con agua de mar ese aumento de temperatura no se transmite a toda la masa de líquido, se forma una burbuja de vapor a su alrededor, sube a la superficie y libera el vapor, luego las NPs vuelven para iniciar otro ciclo. Este método de desalinización solo requiere de nanopartículas reutilizables y sol.  Por su casi nulo consumo energético es recomendado por la UNESCO.

IV. Ambiente sin virus y sin bacterias.

La nanofotónica se basa en el hecho que una parte de la “luz” interactúa con las nanopartículas de dióxido de titanio generando con la humedad ambiente los radicales superoxidantes: O₂^. y OH. , capaces de destruir las membranas de virus, bacterias y hongos. El radical OH^. es el oxidante más importante en la troposfera a tal punto que el Premio Nobel Paul Crutzen lo denominó el "detergente de la atmósfera". Pinturas con nanopartículas de  dióxido de titanio se utilizan para eliminar virus, bacterias, hongos y sus metabolitos en hospitales, esculturas, comedores, restaurantes, escuelas, monumentos, etc. Para lograr el mismo efecto en ventanas se emplean membranas fabricadas con nanofibras del citado óxido.

V. Control ambiental y climático

Una cantidad importante de nanosensores y nanobiosensores permiten obtener información instantánea sobre distintos problemas ambientales como la concentración de dióxido de carbono, la detección rápida de incendios forestales, el estrés hídrico  de las plantas, la cuantificación glifosato y la detección de contaminantes metálicos, entre muchas otras aplicaciones. También son interesantes los nanocatalizadoires diseñados para convertir el dióxido de carbono presente en el aire en  compuestos orgánicos valiosos.

 VI. Mejora de la eficiencia energética.

El aislamiento térmico de las viviendas puede contribuir en forma importante a la disminución del gasto de energía. Recubrimientos poliméricos con nanobubujas de aire en su interior dificultan la transmisión del  calor manteniendo las condiciones térmicas de la vivienda. Así en verano se puede disminuir significativamente la utilización del aire acondicionado y en invierno la calefacción. También podemos citar las mejoras provenientes de la nanotecnología en la eficiencia de la iluminación domiciliaria.

 VII. Purificación y nanorremediación de aire, agua y suelo.

La gran adsorción de las nanopartículas unidas al carácter magnético de las NPs férricas permite adsorber arsénico de aguas arsenicales y su posterior separación del fluido por campos magnéticos. La misma técnica se puede utilizar en aguas/suelos contaminados por hidrocarburos. En algunos casos se hacen NPs de óxido de titanio con núcleo férrico de modo de extraer los contaminantes orgánicos y finalmente destruirlos mediante  la oxidación nanofotónica.

También se puede purificar el agua utilizando filtros comerciales realizados con una variedad importante de nanomateriales. Por ejemplo, filtros realizados con nanofibras de alúmina de 2 nm de diámetro, permiten separar del agua virus, bacterias, endotoxinas, ADN, ARN, entre otros. 

Se describieron siete tipos de contribuciones de la nanotecnología para combatir la creciente problemática ambiental. Muchas de ellas se integran y/o complementan. Es tan solo una pequeña muestra de como construyendo con átomos y moléculas podemos intentar mantener un planeta viable.

Información complementaria:

Power generation from ambient humidity using protein nanowires.  

Low Cost Nanomaterials for Water Desalination and Purification.

Nanoparticle Size and Coating Chemistry Control Foliar Uptake Pathways, Translocation, and Leaf-to-Rhizosphere Transport in Wheat.

Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling.

Gestión de riesgos nanotecnológicos & nanoinformática

La utilización de nanomateriales en procesos y productos de fabricación ha aumentado exponencialmente durante las últimas décadas afectando casi todas las compañías (Fortune 500). No obstante, se han planteado posibles problemas de seguridad y persisten las incertidumbres normativas. En el artículo The Complex Task of Managing Nanotechnology Risks publicado en la revista Industrial Week sus autores: Michael Lisak y James Mizgala realizan una serie de consideraciones para los fabricantes que buscan beneficios con la citada tecnología innovadora aprovechando muchas veces la inseguridad jurídica. El crecimiento en el uso de los nanomateriales ha llamado la atención de reguladores y organizaciones de interés público en particular debido a la promoción de estos materiales con comunicaciones de marketing no siempre debidamente fundamentadas. La nanotecnología presenta un panorama en constante cambio lleno de incertidumbre regulatoria. Además para complicar la compleja situación existe en la actualidad una escasez de estudios científicos fiables relacionados con la exposición humana y/o ambiental. Las organizaciones internacionales de regulación están prestando más atención a la problemática. Sin embargo, dada la amplia variedad y utilización por diversas industrias de insumos nanotecnológicos, diferentes agencias reguladoras están abordando la temática de una manera no coordinada y, a menudo, fragmentaria por lo cual no se dispone de una guía legal o regulatoria definitiva sobre cómo tratar específicamente los nanomateriales  emergentes.

Crédito: Centro de Nanotecnología y Nanotoxicología de Harvard.

Una consecuencia de lo expuesto es la aparición de la nanoinformática con su capacidad utilizar técnicas informáticas para recopilar, procesar, almacenar y recuperar información sobre las características de los nanomateriales, incluyendo las toxicológicas, y sus posibles aplicaciones e impacto en el ambiente, la salud y el agro. Frente a la incertidumbre científica y regulatoria los fabricantes deben considerar la posibilidad de realizar análisis significativos de gestión de riesgos específicos para sus productos en cuatro aspectos básicos: 1) Deben comprender completamente el ciclo de vida de los nanomateriales dentro y fuera de su organización. 2) Mantenerse actualizados con el estado del arte científico, así como con los requisitos y desarrollos regulatorios potencialmente aplicables a sus empleados, consumidores y al ambiente. 3) En tercer lugar deberían implementar protocolos y prácticas de higiene industrial particulares para peligros específicos potenciales asociados con los nanomateriales empleados. 4) Finalmente deben evaluar el etiquetado de los productos y las comunicaciones de marketing y, en caso de ser necesario, advertir sobre los riesgos, tal como se hace con los medicamentos. En definitiva los fabricantes harían bien en considerar la posibilidad de realizar análisis de gestión de riesgos puntuales, específicos y detallados derivados de la implementación de la nanotecnología potencialmente aplicables a sus productos y procesos con la ayuda de la nanoinformática. Aunque esta puede ser una tarea desafiante, especialmente en el panorama económico actual de presupuestos cada vez más ajustados, es la opción menos costosa para evitar el desprestigio, litigios futuros y sanciones regulatorias. 

Lectura complementaria: The Complex Task of Managing Nanotechnology Risks.

Disposición atómica 3D en las nanopartículas.

El objetivo final de la nanotecnología se centra en la capacidad de diseñar y construir materiales átomo por átomo, permitiendo a los científicos controlar sus propiedades en cualquier escenario. Por  lo  ex-

Muestra líquida entre dos láminas de grafeno. Crédito: IBS

puesto resulta importante determinar con precisión las disposiciones atómicas tridi- mensionales en solución líquida, para comprender cómo se comportan los nano-materiales. Investigadores del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el Dr. Hans Elmlund de la Universidad de Monash en Australia y el Dr. Peter Ercius de la del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE.UU), han informado, en el artículo  Critical differences in 3D atomic structure of individual ligand-protected nanocrystals in solution, publicado el 2 de abril en la revista Science, sobre una nueva metodología analítica destinada a resolver la estructura tridimensional de nanopartículas individuales con resolución a nivel atómico. Las posiciones atómicas tridimensionales individuales se pueden establecer con una precisión de 0,02 nm, seis veces más pequeña que el átomo de hidrógeno, el más pequeño. 

Cada esfera blanca representa un átomo de Pt. Crédito: IBS

En otras palabras, el método de alta resolución detecta átomos individuales y cómo están dispuestos dentro de una nanopartícula. Los inves-tigadores denominan a su desarrollo 3-D SINGLE y utilizan algoritmos matemá-ticos para lograr las estructuras tridimensionales a partir de un conjunto de datos de imágenes bidimensionales adquiridas utilizando un potente microscopio .  Primero, una solución de nanocristales se intercala entre dos láminas de grafeno, cada una de las cuales tiene un solo átomo de espesor.  Los investigadores obtienen películas a 400 imágenes por segundo de cada nanopartícula que gira libremente en líquido utilizando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (TEM). Luego, aplican su metodología de reconstrucción para combinar las imágenes bidimensionales y obtener un mapa tridimensional con la disposición atómica. La localización de la posición precisa de cada átomo permite inferir cómo se creó la nanopartícula y cómo interactuará en procesos fisicoquímicos. El estudio se realizó sobre  las estructuras atómicas de nanopartículas de platino. Todas las partículas se sintetizaron en el mismo lote, no obstante mostraron diferencias importantes en sus estructuras atómicas, diferencias capaces de afectar su rendimiento. En particular, la técnica puede medir el desplazamiento atómico y la tensión en los átomos de la superficie de las nanopartículas individuales. El análisis de reconstrucción tridimensional facilita la caracterización de los sitios activos en los nanocatalizadores a escala atómica, permitiendo un diseño basado en la  estructura para mejorar la actividad catalítica. La metodología  desarrollada contribuirá en los campos donde se utilizan nanomateriales, como las pilas de combustible, los vehículos de hidrógeno y la síntesis petroquímica. El algoritmo también permitirá el desarrollo de  nuevos fármacos por ejemplo a través del análisis de la estructura de proteínas y la utilización de big data, conduciendo  a una mayor interacción en la investigación de convergencia.

Información complementaria:

Critical differences in 3D atomic structure of individual ligand-protected nanocrystals in solution.

Un nanomundo alternativo...

La nanotecnología es una ciencia-tecnología considerada actualmente estratégica a nivel de las naciones. Muchas propiedades de los sólidos cambian a medida que sus dimensiones se acercan a la nanoescala (1-100.10^-9 metros). Una partícula de 1×1×1 nanómetros contiene 64 átomos de los cuales solo 8 se ubican en el interior; los 56 átomos restantes están en la superficie. Por lo tanto, las características de las nanopartículas están dominadas por átomos superficiales, lo que permite la creación de nuevas propiedades. Cuando se reduce al tamaño a unos pocos nanómetros, los aislantes pueden convertirse en conductores, los materiales estables pueden volverse combustibles y los materiales relativamente inertes, como el oro, pueden convertirse en catalizadores eficientes y selectivos. También se logran metamateriales con propiedades diametralmente opuestas a las propias de la materia natural.  Tecnología sofisticada y económica a la vez.

2014.Presentando la nanoeconomía

Es la conveniente a la hora de pensar soluciones para las grandes problemáticas actuales vinculadas con las necesidades humanas primarias: salud, energía, alimentos, vivienda,  vestimenta, transporte, comunicación, defensa y cuidado del ambiente. La capacidad de ver y manipular con átomos-moléculas de manera individual se  constituye en la gran revolución científica y tecnológica del siglo XXI. Cada vez disponemos de más nanomateriales, nanoherramientas, nanodispositivos y nanosistemas. Un microcosmos en el cual los nanomateriales, la nanofotónica, la nanoelectrónica, la nanorrobótica, la nanotecnología ambiental y la nanomedicina encuentran, a través de la innovación,  novedosas soluciones a las crecientes problemáticas socioeconómicas del planeta. Tecnología que abre las puertas a una nueva economía, la nanoeconomía, como resultado de las inmensas posibilidades de trasformar la naturaleza para restituir las pautas perdidas y avanzar hacia una vida digna en la tierra. Un nanomundo alternativo, un nanomundo posible.

Lectura complementaria
Nanoeconomía y nanotecnología.

Función cerebral replicada por nanotubos de carbono.

Crédito: Universidad de Osaka

El cerebro necesita  poca energía para adaptarse al medio ambiente, aprender, tener una alta capacidad de reconocimiento, inteligencia y realizar un procesamiento de información complejo. Las dos características clave de los circuitos neuronales son: la capacidad de aprendizaje de las sinapsis y los impulsos o espinas nerviosas.  A medida que la ciencia del cerebro progresa su estructura se va aclarado gradualmente pero es demasiado complicado para emularlo por completo. Los científicos han tratado de replicar la función cerebral mediante el uso de circuitos neuromórficos (circuitos analógicos que imitan las estructuras neurobiológicas) y dispositivos que emulan una parte de sus mecanismos. Investigadores de la Universidad de Osaka han creado un dispositivo-red neuromórfica molecular consistente en nanotubos de carbono de paredes simples complejados con polioxometalato. Las redes SWNT/POM (nanotubos de carbono de una sola pared-polioxometalato) extremadamente densas y aleatorias, generan picos espontáneos similares a los impulsos nerviosos de las neuronas. La importancia del estudio es que una parte de la función cerebral fue replicada por materiales nanomoleculares demostrando la posibilidad de que una red molecular al azar pueda convertirse en inteligencia artificial neuromórfica. Todo un avance hacia el futuro cerebro similar al humano.

Lectura complementaria:

A molecular neuromorphic network device consisting of single-walled carbon nanotubes complexed with polyoxometalate.

Convertir el cabello en nanopartículas biomédicas

Suele ocurrir de tanto en tanto que algún trabajo de investigación nos sorprenda por su enfoque original y práctico. Tal es el caso del artículo “Hierarchical Micro‐/Nanostructures from Human Hair for Biomedical Applications” publicado en la revista Advanced Materials por un equipo de investigadores del Laboratory of Biomedical Polymers-University Wuhan, China. Ellos exploraron en orden jerárquico las microestructuras (micropartículas jerárquicas-HMP) y nanoestructuras (nanopartículas jerárquicas-HNP) del cabello humano utilizando procedimientos descendentes (top-down).  Tales partículas muestran una alta hemocompatibilidad e inmunogenicidad insignificante con relación a otros vehículos usualmente comercializados (nanodelivery) tales como los liposomas o las nanopartículas de albúmina. La estrategia es preparar los biomateriales a partir del cabello de los propios pacientes para superar los inconvenientes citados. Además, estos materiales también muestran optimas propiedades en aspectos vinculados a la  absorción de luz  y  eliminación

Crédito:  Advanced Materials 

de radicales libres. Tanto las HMP como las HNP pueden prevenir el daño inducido por la radiación UV y, por ejemplo, aliviar los síntomas de las cataratas in vitro. También presentan una satisfactoria capacidad de conversión fototérmica. Desde una perspectiva química, el cabello está compuesto principalmente por las melaninas y queratinas, dos  polímeros ideales para variadas aplicaciones biomédicas.
Los biomateriales basados ​​en queratina muestran un rendimiento superior en la regeneración ósea, la hemostasia y la protección celular. Los pigmentos de melanina, constituyen un tipo de polímero funcional existente en la mayoría de las formas de vida, tienen funciones versátiles en la regulación del equilibrio redox, la conversión fototérmica y la coloración dinámica. Tal vez baste con comentar que las nanopartículas HNP modificadas con aptámeros dirigidos contra tumores exhiben un efecto antineoplásico espectacular con supresión del 96.8% del crecimiento tumoral in vivo.  Ahora muchos desafíos biomédicos podrán contar con micro y nanomateriales multifacéticos, una nueva y económica herramienta proveniente de tu cabello.

Lectura complementaria:

Hierarchical Micro‐/Nanostructures from Human Hair for Biomedical Applications.

Sinapsis superconductoras para los cerebros artificiales.

Investigadores del National Institute of Standards and Technology(NIST) han construido un interruptor superconductor que "aprende" como un sistema biológico y podría conectar procesadores y almacenar recuerdos en computadoras futuras con capacidad de operar como el cerebro humano. El interruptor NIST, descrito en la publicación Science Advances (Ultra-low power artificial synapses using nano-textured magnetic Josephson junctions), es denominado “sinapsis”, como su contraparte biológica y proporciona una pieza faltante para las llamadas computadoras neuromórficas. La sinapsis NIST son uniones Josephson personalizadas. Estas uniones constituyen un sándwich de materiales superconductores con un aislante como relleno. La sinapsis usa electrodos estándar de niobio y tiene un relleno único hecho de manganeso nanoclusters en una matriz de silicio. Cuando una corriente eléctrica a través de la unión excede un nivel llamado corriente crítica se producen picos de tensión. Los nanoclusters, unos 20.000 por micrómetro cuadrado, actúan como pequeños imanes "giratorios" que se pueden orientar aleatoriamente o de forma coordinada. La cantidad de nanoclusters apuntando todos en la misma dirección se puede controlar, lo que afecta las propiedades superconductoras de la unión. La sinapsis descansa en un estado superconductor, excepto cuando se activa por la corriente entrante y comienza a producir picos de voltaje.

Operación básica de las sinapsis artificiales NIST's. Crédito NIST

Los investigadores aplican pulsos de corriente en un campo magnético para aumentar el orden magnético, es decir, el número de nanoclusters apuntando en la misma dirección.Este efecto magnético reduce progresivamente el nivel crítico de corriente, facilitando la creación de un conductor normal. La corriente crítica es más baja cuando todos los nanoclusters están alineados. El proceso también es reversible: los pulsos se aplican sin un campo magnético para reducir el orden magnético y elevar la corriente crítica. Este diseño, en el que diferentes entradas alteran los giros de alineación y las señales de salida resultantes, es similar a cómo funcionan las sinapsis en el cerebro. La sinapsis NIST tiene menores necesidades de energía que las sinapsis humana y pueden ser utilizadas en computadoras neuromórficas. Hechas de componentes superconductores con capacidad de transmitir la electricidad sin resistencia son mucho más eficientes a las diseñadas con semiconductores o software. Los datos se transmitiran, procesaran y almacenaran en unidades de flujo magnético. Mientras más disparos entre celdas o procesadores, más fuerte es la conexión. Tanto la sinapsis real como la artificial pueden mantener circuitos viejos y crear otros nuevos. La sinapsis NIST puede disparar mucho más rápido que el cerebro humano: mil millones de veces por segundo en comparación con las  50 veces por segundo de las células cerebrales y usando sólo un soplo de energía, aproximadamente la diezmilésima parte de una sinapsis humana. 

Lectura complementaria

Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions.

La magia de los nanomateriales: "el espejo inteligente".

Un equipo de doce Investigadores de la Universidad Nacional Australiana (ANU), ha desarrollado un nanomaterial controlado por la temperatura utilizable para convertir instantáneamente una ventana en espejo. El material diseñado para reaccionar ante los cambios de calor puede utilizarse para ahorrar energía y para proteger a los astronautas y las naves espaciales de la exposición a la radiación cósmica. El investigador principal de la ANU, Dr. Mohsen Rahmani dice: “Nuestro espejo inteligente consiste en un montón de nanopartículas dieléctricas que están cuidadosamente diseñadas y dispuestas en una sola capa". La película hecha de ciertas combinaciones de nanopartículas puede "sintonizarse" para cambiar la frecuencia de una capaz de transmitir luz a otra capaz de reflejarla. La tecnología propuesta, no funciona en forma estática como los métodos ópticos actuales, por primera vez un único elemento permite controlar la luz que pasa o se refleja. Como las dimensiones de las nanopartículas son del mismo orden de magnitud de la luz pueden interactuar con diferentes frecuencias y redirigir su trayectoria para transmitirla o reflejarla. El “gatillo” es la temperatura. Las nanopartículas se pueden distribuir a través de una superficie como el vidrio de tal manera que reflejen toda la luz, o sólo la mitad de la luz, al variar la temperatura. Esto es fundamental para el ahorro de energía porque se puede ajustar para lograr un 50% de transmisión y 50% de reflexión, o 100% de transmisión y 0% de reflexión. 
La magia de los nanomateriales permite utilizar una delgada película formada por nanopartículas de diseño adecuado para convertir al instante una ventana espejo y un espejo en ventana al variar la temperatura.

El nanomaterial refleja o trasmite la luz al  variar su temperatura (ANU)

Lectura complementaria:

Nanotechnology to protect astronauts from harmful radiation, and turn windows into mirrors.

De la pintura anti-grafiti al nanochip neurosináptico.

Asistimos a un crecimiento exponencial de innovaciones en el campo de la nanotecnología, desde las muy simples hasta las altamente complejas. Muchas dan soluciones a las problemática cotidiana, otras construyen el futuro.Terminando el año 2016 resulta adecuado ejemplificar ambos extremos con productos concretos y de utilidad comprobada.  La pintura anti-grafiti es una emulsión acuosa de nanopartículas de sílice. El “efecto loto” logrado consigue que la pintura no penetre en la superficie, pudiéndose eliminarla con poco esfuerzo mediante agua caliente y un cepillo, evitando costosas limpiezas.  La pintura no cambia el color base, impide la absorción de líquidos y pinturas, no deja pegar la goma de mascar, impide la propagación de musgos y líquenes, protege de la radiación UV, no reacciona con el material de la construcción, no contiene solventes orgánicos, resiste bien sustancias alcalinas y ácidas, no tapa los poros de la superficie dejándola respirar y la absorción del agua se reduce 150 veces. Existen varias empresas que la comercializan (Ej.: Suberlev de España) y por su aplicación en superficies porosas, no porosas, exterior, interior, metálicas, plásticas, pintadas y de piedra real o artificial, se constituye en un producto ideal para preservar edificios históricos y obras de arte además de su utilización masiva en zonas en las cuales los grafitis constituyen una forma de plaga.
En el artículo "Neuronas programables" publicado de Biotecnología & Nanotecnología al Instante en el año 2015, hacíamos referencia al nanochip neurosináptico TrueNorth desarrollado en el año 2014 por el grupo IBM Research.  “TrueNorth, consta de 1 millón de neuronas y 256 millones de sinapsis programables a través de 4.096 núcleos neurosinápticos individuales. Construido por el proceso Samsung 28nm (nanómetros) y con la integración de una cifra record de 5400 millones de transistores, constituye un punto de inflexión en la cognotecnología.  El nanochip es increíblemente eficiente, consume sólo 63 miliwatts a carga máxima, lo que equivale a alrededor de 400 mil millones de operaciones sinápticas por segundo por watt, aproximadamente 176.000 veces más eficiente que los utilizados en una CPU moderna para ejecutar la misma carga de trabajo y 769 veces más eficiente que otros enfoques similares. Este nanochip es una versión de segunda generación del prototipo del 2011, sobre la base de un nuevo proceso (Samsung 28nm en vez de IBM de 45nm) y es en varios órdenes de magnitud más complejo, funcional y eficiente. Los 4.096 núcleos neurosinápticos de TrueNorth están dispuestos en una cuadrícula de 64 × 64. Cada núcleo es auto-contenido mediante 256 entradas (axones), 256 salidas (neuronas), un gran banco de SRAM (que almacena los datos para cada neurona) y un router que permite a cualquier neurona transmitir a cualquier axón hasta 255 núcleos de distancia. La información fluye a través de TrueNorth por medio de espigas neuronales, de los axones a las neuronas, modulados por las sinapsis programables entre ellos". La combinación de nanochips neurosinápticos conduce aceleradamente a la construcción de cerebros similares a los humanos equivalentes al nuestro con sus 89.000 millones de neuronas.
Desde la pintura anti-grafiti hasta los nanochips neurosinápticos existen miles de productos nanotecnológicos (y servicios relacionados) tendientes a dar respuestas a necesidades vinculadas con la salud, la energía, los alimentos y el medio ambiente mediante áreas específicas como la nanomedicina, los nanomateriales y la nanoelectrónica, entre otras. Tal vez en el 2017…