NANOTECNOLOGIA Y ELECTRICIDAD

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El presente artículo abordará la temática de la nanotecnología y su avance orientado hacia el campo de la electricidad, definiendo los cambios venideros que conllevará esta tecnología. Para ello se realizará una revisión bibliográfica sobre avances significativos y su impacto en la sociedad.

 

Palabra clave: Nanotecnología, electricidad, medio ambiente.

 

ABSTRACT

This article will address the topic of nanotechnology and progress oriented electric field, defining the coming changes that will bring this technology. This will involve a literature review significant advances and their impact on society.

 

Keyword: Nanotechnology, electricity, environment.

 

INTRODUCCIÓN

 

« Nanotecnología » es un término general que comprende multitud de tecnologías y aplicaciones que usan el comportamiento peculiar que tiene la materia, cuando esta forma estructuras muy pequeñas (inferiores a 100 nm : 0.0000001 m aproximadamente ). A esta escala, las leyes clásicas de la física ceden paso a las leyes de la física cuántica, y normalmente se obtienen materiales con unas propiedades muy diferentes de las que presentan en su forma macroscòpica. Estos cambios incluyen el color, la conductividad, la reactividad y la resistencia, entre otros.

La enorme importancia de la nanotecnología radica en el hecho de que muestra todos los signos de convertirse en una potente tecnología de aplicación general (TAG o GPT en sus siglas inglesas, General Purpose Technology ) , similar a la electricidad , la máquina de vapor y el ordenador. Las TAG se caracterizan por su versatilidad de aplique acción en diversos sectores industriales y para la magnitud de su impacto en otras tecnologías, además de para propiciar importantes cambios en la productividad económica. A pesar de ser sumamente positivas a largo plazo en cuestión de productividad, las TAG pueden provocar un trastorno importante y requerir grandes inversiones en infraestructura al ser adoptadas.

La famosa frase “There is Plenty of room at the bottom ” al final de la conferencia del Prof . Feynman en 1959, centró el interés científico sobre la posibilidad de manipular y controlar cosas a muy pequeña escala. Desde entonces, se espera que la NN proporcionará una amplia gama de tecnologías y productos rentables y se pronostica que conducirá la próxima ” revolución industrial”, en la llamada “edad de los materiales”. Se trata del punto culminante de una secuencia de revoluciones preliminares: la electrónica, las TIC y la biotecnología.

La mayoría de las nanotecnologías, especialmente las relacionadas con la electicidad y la optoelectrónica, parece que se desarrollan a través de un proceso tecnológico descendente o top – down en el que las nano – estructuras son creadas por la miniaturización de las tecnologías existentes. Sin embargo, otro grupo de las nanotecnologías se desarrolla a través de un proceso ascendente o bottom -up, pero dadas las dificultades en el autoensamblaje de estructuras y el escalado industrial, es probable que tenga menos campos de aplicación y pasará algún tiempo antes de que su presencia se deje sentir en términos sociales y económicos.

La nanotecnología se espera que impacto rápidamente en la sociedad: creación de futuros escenarios económicos, estímulo de la productividad y la competitividad, convergencia de tecnologías, y nuevos retos en educación y desarrollo humano. Una muestra del impacto de la nanotecnología se puede deducir de las cifras de inversión pública en 2008: en la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los EE.UU. es de más de 1.440 millones de dólares, más del triple de lo que se gastó cuando comenzó en 2001 y con un aumento del 13% respecto a 2007. En Europa, el VII Programa Marco contribuirá a la investigación en nanotecnología con aproximadamente 600 millones por año hasta el año 2013, con una cantidad adicional y del mismo orden por parte de los diferentes países.

Esto da a Europa un mayor gasto anual en nanotecnología que en Estados Unidos o Japón, y se espera que Europa tome ventaja de su investigación fundamental para dirigir l nanorevolución mundial. Los productos basados ​​en la nanotecnología ya están disponibles y los analistas esperan que los mercados crezcan por cientos de miles de millones de euros durante el presente decenio.

En 2006, a nivel mundial, las administraciones, las empresas y los inversores gastar 11.800 millones en I + D focalizada en NN y la nanotecnología se incorporó a productos valorados en más de 50.000 millones de dólares vendidos en todo el mundo, que van desde de productos farmacéuticos cosméticos o máquinas -herramienta. De hecho, la nanotecnología es considerada por muchos como una de las tecnologías clave de este siglo, con un volumen de mercado esperado de 1 billón de dólares en 2015. En 2008, la industria ocupará directamente a más de 30.000 investigadores especializados en NN, con 2 millones adicionales de técnicos ocupando puestos de trabajo en áreas como fabricación, en un decenio , 5 millones de puestos de trabajo en industrias de todo el mundo estarán relacionados con la NN.

Durante los próximos diez años, la nanoescala permitirá diseñar y desarrollar nuevos productos y sistemas en el campo de la electricidad en una amplia gama de campos con gran impacto socio -económico , tales la distribución de la energía  a los hogares y la industria, la alimentación y las industrias agrícolas , la industria aeroespacial, las TIC , y la energía y las ciencias del medio ambiente . Después de un largo período de incubación, varios sectores industriales ya están adoptantes la nanotecnología en sus productos, en este contexto, es sorprendente la previsión de rápido crecimiento y nuevas oportunidades del mercado para determinados sub- segmentos de investigación

La nanotecnología aplicada al campo de la electricidad, sin embargo, no es sólo una idea para el futuro: muchos productos disponibles en el mercado utilizan ya nanotecnologies.4 embargo, el uso del término « nano » no está regulado y muchos artículos se etiquetan como « nano » por la sencilla razón de ser pequeños o nuevos, a pesar de no incorporar ningún producto nanotecnológico. En general, la mayor parte de las predicciones dividen el desarrollo de la nanotecnología en tres grandes fases:

  • Fase inicial (próximos 5 años): la nanotecnología se encuentra en fase de investigación y el conocimiento científico se empieza a traducir en aplicaciones sólidas.
  • Desarrollo comercial (5-10 años): durante este período se prevé que se desarrollen y se empiecen a producir a escala industrial muchas aplicaciones diferentes.
  • Uso generalizado (10-15 años): la nanotecnología se habrá consolidado como industria y los consumidores disfrutarán de un amplio espectro de productos que incorporen nanotecnología. En este punto se prevé que el mercado mundial de las aplicaciones y los productos con nanotecnología supere el billón de dólares.

 

El impacto en la industria diferirá en función del sector. Para algunas industrias, como el caso de la distribución de electricidad, las nanotecnologías ofrecerán mejoras progresivas y estos cambios posiblemente se absorberán fácilmente como parte de un programa de mejora continua. Otros sectores, en cambio, tendrán que llevar a cabo una renovación generalizada de infraestructuras y equipamientos obsoletos, lo que podría tener consecuencias negativas.

Hay que apuntar que no siempre resulta caro aplicar la nanotecnología en el campo de la electriciad. Una vez se conozcan y se comercialicen los métodos de producción, éstos podrían implicar sencillas actualizaciones o mejoras de procesos ya existentes. Así pues, algunas industrias incorporarán de manera natural las nanotecnologías sin tener que hacer grandes inversiones.

En cuanto al medio ambiente, se prevén efectos tanto positivos como negativos. Muchas nanotecnologías aumentarán la eficiencia (usarán menos energía y materiales) y reducirán los subproductos contaminantes. También se utilizarán nanotecnologías para supervisar el medio ambiente y corregir problemas como los derrames de petróleo o controlar brotes de enfermedades.

Algunos nanomateriales, pero en especial las nanopartículas, podrían resultar tóxicos y difíciles de contener y, en consecuencia, suponer riesgos para la salud humana y ambiental. La inexistencia actual de una regulación y un control férreos en este ámbito es una de las principales causas de preocupación entre la opinión pública.

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Se prevé que el impacto en la sociedad sea profunda y afecte múltiples facetas de la vida cotidiana, al tiempo que comporte una mejora significativa en la calidad de vida. Sin embargo están aflorando una serie de inquietudes sociales graves: algunas nanotecnologías , como los sensores y los robots, podrían plantear desafíos importantes al derecho a la privacidad; las desigualdades potenciales entre quienes tienen acceso a las nanotecnologías y los que no podrían generar tensiones; las nanotecnologías podrían aumentar el riesgo que suponen individuos maléficos y organizaciones terroristas, así como los riesgos para la salud, tanto de los trabajadores como de los consumidores y del medio ambiente , quizás el aspecto que más preocupa a la sociedad . A pesar de ser importantes, cabe destacar que esos recelos no son exclusivos de la nanotecnología, sino compartidos con la mayor parte de las nuevas tecnologías.

 

 

POR QUÉ ES IMPORTANTE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL AMBITO ELECTRICO

Hay quien considera la nanotecnología en el campo de la nanotecnología sumamente importante porque muestra todos los indicios de convertirse en una tecnología con aplicaciones generales (TAG).  (16) “Tecnología con aplicaciones generales» es un cabo3 que los economistas utilizan para describir los grandes saltos de innovación que pueden afectar economías enteras, normalmente a escala nacional y, a posteriori, mundial. Algunos ejemplos del pasado son la aparición de la escritura, el acero, la máquina de vapor, el ferrocarril, la electricidad, las telecomunicaciones y los ordenadores. (20)

Las características de las TAG son:

  • Versatilidad: se utilizan en sectores múltiples y heterogéneos.
  • Dinamismo tecnológico: aumentan el potencial de una economía para fomentar la innovación continua en la industria y la ciencia.
  • Innovación complementaria: proporcionan capacidades mejoradas en muchas otras áreas técnicas y, en consecuencia, aumentan la productividad de la investigación y el desarrollo en muchos sectores.

Como resultado de estos impactos, las TAG, aplicadas al campo de la nanotecnología, tienen profundas repercusiones en la economía, y no todas ellas son positivas. Aunque a largo plazo las TAG pueden propiciar un aumento de la productividad y un crecimiento económico importantísimos, a corto plazo pueden generar una conmoción considerable. Las infraestructuras, el equipamiento y las habilidades laborales existentes pueden quedar desfasadas, lo que implica el cierre de las empresas, la reeducación de los trabajadores y la obligación de los gobiernos de destinar importantes inversiones en actualizaciones.

 

POR QUÉ ESTÁ DESARROLLANDO LA NANOTECNOLOGÍA TAN RÁPIDAMENTE

La nanotecnología existe desde hace tiempo, aunque no se conocía con este nombre. Las nanopartículas, las superficies nanoestructuradas y los nanomateriales están presentes en la naturaleza, y la humanidad siempre ha hecho uso de sus propiedades especiales, a menudo de manera inconsciente. Uno de los primeros usos conocidos de nanomateriales se remonta al siglo IV: la copa de Licurgo de Roma está fabricada con un cristal especial que cambia de color cuando se sostiene a contraluz. (9)

Estudios llevados a cabo recientemente han demostrado que esta propiedad especial se debe al que el vidrio contiene nanopartículas de oro y plata.También se sabe que el proceso ideado por BF Goodrich en 1885 de añadir negro de carbón a los neumáticos para volver de ese color , el cual además los hacía mucho más resistentes a la abrasión, en realidad consistió en añadir nanopartículas de carbono en la matriz de caucho , que se convirtió uno de los primeros nanomateriales compuestos producidos en serie para la humanidad .

Aun así, el espectacular aumento del interés por la ciencia y la ingeniería a nanoescala durante la década pasada responde a la combinación de varios factores: (14)

  • Avances técnicos como la microscopía de la fuerza atómica y los electrones, que ha permitido a los científicos ver y manipular la materia a la nanoescala.
  • Avances en fabricación , en gran medida propiciados por la industria de la microelectrónica , y avances de síntesis , tanto en la industria orgánica como inorgánica , que han permitido la producción comercial de dispositivos de escala nanométrica.
  • Avances científicos en física y química que han propiciado la comprensión de cómo y por qué las propiedades de la materia cambian de manera tan drástica en la nanoescala.
  • Avances biológicos, encabezados por las industrias farmacéuticas y bioquímica, que han permitido acoplar moléculas biológicas de nanoescala a superficies inorgánicas tales como vidrio, metal y plástico y, como resultado, han posibilitado la unión de componentes biológicos, mecánicos y electrónicos.
  • Cooperación global en I + D en muchos sectores, lo que ha dado lugar a la profusión de instalaciones y científicos involucrados en el desarrollo de las nanotecnologías, lo que a su vez ha propiciado una evolución a un ritmo acelerado.
  • Aumento de la financiación gubernamental destinada a nanotecnología, en especial en los últimos cinco años, el cual ha sido acompañado por una creencia general por parte de la industria y la ciencia según la cual la nanotecnología originará una revolución similar a la de la tecnología de los semiconductores en el pasado.

El actual boom de la nanotecnología, aplicado al campo de la electricidad es, por tanto, resultado de una convergencia de avances tecnológicos que han confluido durante la década pasada. A medida que se registran nuevos avances, por ejemplo en equipamiento para visualizar y manipular la materia a la nanoescala, estos propician otros, y así se alimenta el efecto bola de nieve de avances tecnológicos y científicos y aplicaciones comerciales que parece estar sucediendo.

 

CUÁL SERÁ EL IMPACTO DE LA NANOTECNOLOGÍA?

Existen opiniones encontradas sobre con qué celeridad se puede producir la revolución de la nanotecnología en el campo de la electricidad y cuál será el alcance de su impacto tanto en las economías locales como mundiales. En general, la mayoría de los analistas auguran tres grandes fases de desarrollo: (5)

  • Fase inicial (próximos 5 años): la nanotecnología se encuentra en fase de investigación y el conocimiento científico se empieza a traducir en aplicaciones sólidas.
  • Desarrollo comercial (5-10 años): durante este período se prevé que se desarrollen y se empiecen a producir a escala industr ial muchas aplicaciones diferentes.
  • Uso generalizado (10-15 años): la nanotecnología se habrá consolidado como industria y los consumidores disfrutarán de un amplio espectro de productos con base nanotecnológica. Estos cálculos temporales varían de manera significativa según el sector industrial.

Las aplicaciones médicas tardarán mucho más en implantarse. Puesto que las nuevas aplicaciones médicas imponen requerimientos muy estrictos con largos ensayos clínicos, se prevé que las nanotecnologías médicas tarden varias décadas a convertirse en de uso común. Ya hay aplicaciones industriales disponibles en el mercado, el uso de nanomateriales en aplicaciones comerciales generalizadas tales como pinturas, adhesivos y materiales de construcción es una realidad. (20)

 

Impacto en el medio ambiente

El impacto ambiental de la nanotecnología aún se desconoce en gran medida. Se prevé que las nanotecnologías tengan efectos positivos y negativos. Los efectos positivos podrían derivarse de la mejora de la eficiencia de los procesos industriales, la concepción de sistemas energéticos más eficientes, la aparición de materiales con más cualidades y que requieran menos reparaciones y mantenimiento, y el fomento de la protección del medio ambiente mediante mejores sensores y filtros para hacer un seguimiento y controlar la contaminación y las enfermedades.

Los efectos negativos podrían derivar de la toxicidad potencial de las nanopartículas y los nanotubos, los efectos colaterales involuntarios de los procesos de fabricación y los materiales, de un uso indebido de la nanotecnología con fines terroristas y de un control erróneo de las nanomáquinas que conlleve daños inesperados.

Es probable que las nanotecnologías comporten beneficios ambientales importantes en varios aspectos:

Ahorro de materias primas: el hecho de que los nanomateriales sean más resistentes, más duraderos o, en general, más efectivos, implica que serán necesarios menos materias primas para la fabricación de productos, desde edificios hasta maquinaria. A su vez, menos materias primas implican menos producción minera, menos procesamiento y menos transporte, con la consiguiente reducción del impacto ambiental en toda la cadena de producción.

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Procesos más eficientes: actualmente las nanotecnologías ya proporcionan mejores catalizadores para reacciones químicas y transformaciones energéticas. Una mayor eficiencia implica un menor consumo de energía y de materias primas.

Mejor seguimiento ambiental: los dispositivos de detección con nanotecnología pueden ser considerablemente más baratos y más sensibles que los convencionales. Se pueden utilizar para hacer seguimientos ambientales de la atmósfera, del agua y del suelo, con detección de sustancias contaminantes y de sustancias naturales. Un mejor seguimiento no sólo controla la contaminación, sino que también permite que los agricultores gestionen mejor sus cultivos y puedan hacer un mejor uso de los fertilizantes y los plaguicidas.

Superficies funcionales: las superficies nanotecnológicas con propiedades funcionales ya están disponibles comercialmente. Se trata de superficies con propiedades de autolimpieza (el agua y los grasas no se adhieren) utilizadas en tejados, coches y paredes, vidrios y plásticos transparentes que transmiten menos calor y, en consecuencia, reducen las necesidades de aire acondicionado de los edificios, superficies que no se rayan, etc. La limpieza, la restauración y la reparación de superficies consumen grandes cantidades de recursos, de modo que cualquier tecnología que implique ahorros considerables en este aspecto comportará grandes beneficios ambientales.

Descontaminación: algunas nanoestructuras muestran un gran potencial para su uso en sistemas de filtrado y de catálisis, para eliminar contaminantes de la atmósfera, del agua y del suelo. Se pueden utilizar en origen, por ejemplo en desagües de fábricas, o para ayudar a limpiar entornos contaminados, como es el caso de derrames de petróleo y suelos contaminados.

Almacenamiento y producción de energía: se prevé que las nanotecnologías mejoren significativamente las células solares, las celdas de combustible, las baterías y otras tecnologías energéticas. Todo ello es probable que conlleve mejoras importantes en la producción, el almacenamiento y el uso eficiente de la energía, lo que, a su vez, puede hacer reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el daño ambiental.

 

Impacto en la sociedad

Dada la esperanza de que las nanotecnologías se difundan ampliamente y tengan repercusiones en muchos sectores industriales y productos de consumo, se anticipa la aparición de importantes problemáticas sociales, económicas, laborales, educativas, éticas y legales.

Los estudios llevados a cabo han demostrado que la principal preocupación de la sociedad hacia la nanotecnología en general es el impacto en la salud humana y el medio ambiente. Más allá de estas inquietudes generales, existen otras específicas de aplicaciones concretas.

A menudo se trata de recelos ya existentes y no exclusivos de la nanotecnología, si bien pueden convertirse más importantes ya que la nanotecnología supondrá una difusión más generalizada de las aplicaciones. Por ejemplo, es previsible que las aplicaciones médicas iniciales de la nanotecnología sean muy caras, lo que conducirá a una división de la salud en función de la riqueza entre quienes pueden permitirse una cura nanotecnológica para el cáncer y los que no. Si bien se trata de un problema social importante, no es exclusivo de la nanotecnología, sino que se da con la mayor parte de los nuevos tratamientos médicos.

También existe preocupación por los escenarios de futuro, donde una multitud de nanorobots fugitivos devoran la Tierra y nos llevan a un goo gris o donde se emplean nanomicrobis maliciosos para infectar a los seres humanos y convertirlos en rehenes de la fuerza que controla los microbios. Si bien estos y otros escenarios coloridos son hipotéticamente posibles, la tecnología actual está muy lejos de presentar estas capacidades y la ciencia general se concentra principalmente en amenazas más inmediatas.

Tal como se ha explicado antes, actualmente la amenaza clave percibida es la toxicidad desconocida (y por tanto incalculable) de las nanopartículas y los nanotubos. Dado que las nanopartículas son relativamente fáciles de producir en comparación con otros nanotecnologías más complejas y tienen un amplio abanico de funcionalidades , ya se están usando en aplicaciones comerciales y se prevé que su uso se generalice aún más. Muchas de estas aplicaciones implican empotrar nanopartículas y nanotubos a una matriz fija ( tales como vidrio, plástico o materiales de construcción ) y no provocan inquietud , ya que el principal riesgo radica en las nanopartículas y los nanotubos libres .

Algunos ejemplos de uso actual son: las nanopartículas de óxido de zinc o de dióxido de titanio en cremas solares y cosméticos, que proporcionan protección UV al tiempo que permiten alcanzar lociones transparentes , las partículas de negro de carbón de los neumáticos , que mejoran la resistencia el uso ( empleadas desde la década de 1920); las nanopartículas ( de vidrio) de dióxido de silicio en superficies resistentes a ralladuras , que alargan su ciclo de vida , y las nanopartículas de oro que cambian de color , utilizadas en dispositivos sensores como los tests de embarazo de farmacia .

En algunos de estos casos, como el de los neumáticos o los materiales de construcción, donde las nanopartículas están contenidas dentro de un sólido, existe menos preocupación por el posible impacto directo en la salud humana y más por el impacto ambiental a largo plazo, cuando el sólido se empiece a descomponer y las nanopartículas se liberen en el medio ambiente.

En otros, como en el de los cosméticos, la inquietud radica en la ignorancia de qué impacto directo tendrán las nanopartículas en la salud, tanto porque penetran más en la piel que los ingredientes más grandes tradicionales como para que sus propiedades químicas únicas pueden reaccionar con el organismo de maneras imprevisibles. Especialmente preocupantes son aquellas nanopartículas que se pueden transportar por el aire y ser inhaladas en los pulmones.

Algunas evidencias preliminares demuestran que los nanotubos de carbono que superan una cierta longitud pueden ser fibras irritantes y tienen semejanzas con el amianto. Ahora bien, no toda la producción de nanopartículas es deliberada, los gases de escape los vehículos hace un siglo que liberan cantidades considerables de nanopartículas en el ambiente. Hasta ahora, sin embargo, aparte del efecto negativo de la contaminación general, no se han atribuido efectos nocivos directamente al atributo de la nanoescala de estas partícular.

La nanotecnología podría desempeñar un papel positivo en este sentido, dado que una mejor comprensión de la naturaleza de las nanopartículas y el desarrollo de otras nanomateriales previsiblemente permitirá concebir nuevas tecnologías capaces de reducir de manera considerable la contaminación del aire.

En gran medida, como en el caso del amianto, los alimentos genéticamente modificados y de otras nuevas tecnologías o productos que a veces se han introducido a toda prisa a la sociedad y han sido rodeados de consecuencias desastrosas o de la oposición y el rechazo social, se teme que introducir las nanotecnologías sin el cuidado y la regulación adecuadas podría generar una reacción similar.

Una de las dificultades que afrontan los que desean implementar una regulación y verificación más estrictas es que las nanotecnologías son tan variadas y presentan unos perfiles de riesgo / beneficio tan dispares que no es ni factible ni deseable promulgar normativas generales. Por ejemplo, exigir que ningún dispositivo libere nanopartículas artificiales en la atmósfera supondría ilegalizar todos los motores de combustión (como los de los coches y aviones). Por otra parte, existen tantas aplicaciones de la nanotecnología tanto en el mercado como en desarrollo que tampoco es paso factible examinarlas caso por caso. (4)

 

CONCLUSIONES

Se observa que la nanotecnología va a tener un fuente impacto en el campo energético y eléctrico, cambiando la forma de vida de las personas, las investigaciones se dirigen a mejorar la eficiencia y calidad de los servicios.

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