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

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Coordinación de contenidos José Ángel Martín
Gago

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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12 de abril de 2009

 

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