Unidad Didáctica Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro

La FECYT ha escogido como tema para una nueva unidad didáctica la nanociencia y la nanotecnología, dos disciplinas emergentes, con un elevado carácter multidisciplinar y con especial relevancia científica y social. No es casualidad que FECYT haya escogido estas disciplinas para una unidad didáctica que se publica en 2009, el Año Europeo de la Creatividad y la Innovación. Hablar de nanociencia y nanotecnología es hablar de innovación. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnología a partir de la investigación básica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevos materiales con aplicaciones en medicina (fabricación de ligamentos o tendones artificiales) o en construcción (edificios que se puedan autoabastecer energéticamente), hasta dispositivos electrónicos cada vez más diminutos y potentes.
Presentación

La Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) ha escogido como tema para una nueva unidad didáctica la nanociencia y la nanotecnología, dos disciplinas emergentes, con un elevado carácter multidisciplinar y con especial relevancia científica y social.

No es casualidad que FECYT haya escogido estas disciplinas para una unidad didáctica que se publica en 2009, el Año Europeo de la Creatividad y la Innovación. Hablar de nanociencia y nanotecnología es hablar de innovación. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnología a partir de la investigación básica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevos materiales con aplicaciones en medicina (fabricación de ligamentos o tendones artificiales) o en construcción (edificios que se puedan autoabastecer energéticamente), hasta dispositivos electrónicos cada vez más diminutos y potentes.

Es ese carácter innovador lo que ha llevado a incorporar la nanociencia y la nanotecnología como una de las Acciones Estratégicas del Plan Nacional de I+D+I 2008-2011. Las acciones estratégicas son la apuesta del Gobierno en materia de I+D+I y responden a un concepto integral en el que se ponen en valor las investigaciones realizadas, así como su transformación en procesos, productos y servicios para la sociedad. Dicho de otra manera, el gobierno reconoce el papel de estas disciplinas para mejorar la competitividad de la industria española.
La presente unidad didáctica, elaborada con la inestimable colaboración de un grupo de científicos expertos, explica con rigor y al mismo tiempo de forma amena el tremendo potencial de la nanociencia y la nanotecnología, disciplinas que, como el título de la unidad indica, se encuentran entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Este texto, pensado como apoyo a los estudiantes de Secundaria, incluye un capítulo sobre las implicaciones sociales de estas disciplinas, sin rehuir aspectos polémicos como el impacto que pueden tener algunas aplicaciones de la nanotecnología o si realmente están justificadas las enormes expectativas que suscitan estas disciplinas.

Esperemos que esta unidad didáctica sirva para despertar el interés de la sociedad en general y en concreto de profesores y estudiantes sobre estas disciplinas, así como transmitir la importancia y necesidad de la implicación de los ciudadanos en los debates científicos y tecnológicos.

Juan Tomás Hernani
Director General
Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología


ÍNDICE

PRÓLOGO 11

INTRODUCCIÓN (Guía de uso de este libro) 13

1. NANO-INTRO: El nano-mundo a vista de pájaro 17

El mundo invisible 19

EEE 1.1 El número de Avogadro 20

Nanotecnología... ¿Qué significa esta palabra? 20

EEE 1.2 La visión de Feynman sobre la ciencia 21

EEE 1.3 La Química 24

La tecnología actual o ¿hasta dónde es posible reducir el tamaño de un objeto? 24

EEE 1.4 Superficie y volumen 27

EEE 1.5 Un “no experimento” 27

EEE 1.6 La Física 28

CE La teoría cuántica 29

La tecnología actual frente a la del futuro: Top-down frente a Bottom-up 34

EEE 1.7 ¿Qué es un interruptor? 36

Los orígenes de la nanotecnología 36

CE El discurso de Feynman “There is plenty of room at the bottom” 37

CE ¿Cómo llegar a ser nanotecnólog@? 41


2. NANO-HERRAMIENTAS: El arte de ver, tocar, mover y escribir 47

Microscopios para ver 49

Microscopios de campo cercano: no sólo los ojos, sino también las manos 51

CE La “magia” de la física cuántica para construir microscopios 54

EEE 2.1 Microscopios: características generales 60

Manipulación de la materia mediante el uso de microscopios 60

Otras técnicas litográficas 64

EEE 2.2 Sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) 65

CE ALBA, el sincrotrón español: una herramienta kilométrica para estudiar objetos nanométricos 66


3. NANO-MATERIALES: Nuevos materiales para un nuevo siglo 71

En un mundo de carbono 73

EEE 3.1 Conseguir diamante en un laboratorio 77

El balón de fútbol más pequeño del universo: los fullerenos 78

EEE 3.2 Diez fullerenos o la calculadora más pequeña del mundo 79

EEE 3.3 ¿Cómo sería el fullereno cerrado más pequeño? 80

Nanotubos de carbono: el hilo mágico 81

CE Construyendo “macro”-tubos de carbono 82

CE Los nanotubos como un nuevo acero 85

CE La tela de araña y la cabra Spiderman 89

EEE 3.4 Las zeolitas 90


4. NANO-QUÍMICA: La danza de las moléculas 93

Construcción de dispositivos moleculares mediante la aproximación bottom-up 95

EEE 4.1 El azul maya: un ejemplo de material híbrido 96

La química supramolecular y el diseño de moléculas a la carta 97

EEE 4.2 Respiramos gracias a moléculas 99

CE La nanotecnología mueve montañas: Máquinas moleculares 100

EEE 4.3 Motores biomoleculares 102

Las monocapas autoensambladas 103

EEE 4.4 Diseño de superficies con propiedades específicas: Una gotita de agua muy voluble 106

Nanopartículas 108

EEE 4.5 Nanopartículas de oro: ¿Un material nuevo?¿Una copa mágica? 109

EEE 4.6 Materiales fotocrómicos 111

EEE 4.7 Sintetizando nanopartículas 112


5. NANO-BIOTECNOLOGÍA: En busca de los secretos de la vida 115

Primera estación: el micromundo 118

EEE 5.1 Construye un microscopio 120

CE Los virus: nanomáquinas que evolucionan 122

¡Pero estamos hechos de nanocosas! 125

CE Origen de la vida, biología sintética y nanotecnología 126

EEE 5.2 La biología 129

CE Un zoom sobre un ser vivo: de lo macro a lo nano sin salir de la charca 130

EEE 5.3 Dibuja el nanomundo 132

Manipulando nano-bio-objetos 132

CE El ADN como nanobiopolímero 133

EEE 5.4 Jugando al “soga-tira” con un virus 138

Hacia la nanomedicina 140

Nanosubmarinos y nanorobots en nuestro cuerpo 141

EEE 5.5 El nanosubmarino amarillo 143

El fabuloso mundo de los nanobiosensores 145


6. NANO-ELECTRÓNICA: Del silicio a las moléculas 149

El siglo XX: la era de la Electrónica 151

EEE 6.1 Transistor, chip, circuito impreso, circuito integrado. ¡Qué lío! 153

¿Algún día dejarán de usarse los semiconductores para fabricar “chips”? 155

EEE 6.2 Densidades críticas de dopantes en el silicio 157

EEE 6.3 Almacenamiento masivo 157

Cuando la ley de Ohm da problemas: transporte balístico 158

Y además...¡más efectos cuánticos! 160

CE Mecánica Cuántica encima de una mesa 161

La nueva electrónica: moléculas, nanotubos, nanohilos, puntos cuánticos,... 163

EEE 6.4 Reduciendo la dimensión 164

CE Los ordenadores cuánticos y la nanotecnología 168

Más allá de la electrónica: nanofotónica, espintrónica, biocomputadores y “ciempiés” 170


7. NANO-SIMULACIÓN: El laboratorio en un ordenador 175

El método científico y las matemáticas 177

Calcular para predecir 178

EEE 7.1 ¿Cuánto tardará en caer un objeto desde el piso 20? 178

De las reglas de cálculo a los superordenadores 179

EEE 7.2 Un supercomputador frente a toda la humanidad 181

EEE 7.3 Velocidad de los procesadores de videoconsolas 181

Simulación: una forma de ahorrar recursos y tiempo 182

Cálculos en la nanoescala: de los cálculos ab-initio a los métodos semi-clásico 182

EEE 7.4 ¿Es difícil programar en un super-computador? 186


8. NANO-APLICACIONES: Del laboratorio al escaparate 189

Nanomateriales 191

Nanoelectrónica 193

Nanobiotecnología y nanomedicina 194

EEE 8.1 Liberadores de fármacos, espermatozoides y virus 196

Instrumentación, sensores, actuadores, ensambladores... 197

La llegada de la nanotecnología: un proceso de varias etapas 198

De compras por el nano-mercado 199


9. NANO Y SOCIEDAD: implicaciones sociales de la nanotecnología 203

Algo más que la nueva revolución industrial 205

“Nano”+”Bio”+”Info”+”Cogno”: La convergencia NBIC 206

EEE 9.1 Debate: La inmortalidad 209

Nanotecnología, sostenibilidad y responsabilidad 209

EEE 9.2 La nanotecnología como impulsora del desarrollo sostenible 210

CE Nano-eco-toxicología: “Hombre prevenido vale por dos” 211

El impacto mediático de la nanotecnología 213

EEE 9.3 Búsqueda de información en la red 214

CE “WEBOTECA” – Nanociencia y Nanotecnología en la Red 214

El impacto cultural de la Nanotecnología: arte, literatura, cine, moda, gastronomía... 218

EEE. 9.4. Debate: El hombre de los seis millones de dólares 220

EEE. 9.5 La nanotecnología es premiada con el Premio Príncipe de Asturias 2008 222

EEE. 9.6 “La era del camaleón” 223


ANEXOS 225

ANEXO 0: Contenidos curriculares 227

ANEXO I: Soluciones a ejercicios 233

ANEXO II: Lecturas complementarias 239

ANEXO III: Autores 245

ANEXO IV: Leyenda iconos 247


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