¿Cómo Se Utiliza La Nanotecnología Verde?

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¿cómo se utiliza la nanotecnología verde? Aprenda sobre innovaciones y tecnologías verdes en el campo de la nanotecnología verde.

A los fanáticos de la ciencia ficción les gusta la idea, escrita por Arthur C. Clarke, de que "cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia". Con el advenimiento de la nanotecnología, los materiales aparentemente milagrosos, la superconductividad sobrenatural y la fotónica paranormal que han alimentado la fantasía durante años parecen estar a la vuelta de la esquina.

Sin embargo, todo el mundo sabe que la magia tiene un costo, y algunos han empezado a cuestionarse si, cuando el polvo coloidal se asienta desde la naciente nanorrevolución, el balance ecológico nos mostrará el negro o el rojo. Entre ellos se encuentran científicos, ingenieros y políticos que impulsan la nanotecnología verde.

Las partículas a nanoescala no son nada antinatural o nuevas. Se producen en cenizas volcánicas, aerosoles marinos, compuestos minerales y algunos tipos de bacterias, y hemos trabajado con ellos desde al menos el siglo IV [fuentes: Goldman y Coussens; NNI, "Nanotecnología 101"]. Entonces, ¿qué ha cambiado? Los métodos avanzados de microscopía y manipulación han alcanzado un punto de inflexión, uno que nos permite ensamblar juguetes de juguete en la escala de átomos individuales y hebras de ADN.

Es un lugar emocionante para estar.

Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro, o aproximadamente 1 / 100,000 del grosor de una hoja de papel. Si una nanopartícula fuera del tamaño de una canica, entonces un metro sería tan grande como la Tierra [fuente: NNI, "Nanotechnology 101"]. Sin embargo, este tamaño tan pequeño es solo la mitad de la historia. La verdadera magia de la nanoescala radica en las extrañas reglas cuánticas que la gobiernan y en la forma en que dotan a los materiales de características notables. En comparación con sus equivalentes macroscópicos, los nanomateriales podrían ser más fuertes, conducir mejor el calor o la electricidad o tener diferentes propiedades magnéticas.

La industria ha sido rápida para aprovechar el potencial. La nanotecnología ya ha encontrado su camino en cientos de productos de consumo y aplicaciones industriales que incluyen chips de computadora, automóviles, artículos deportivos, ropa, cosméticos y suplementos dietéticos. Sin embargo, todavía estamos solo en el umbral de lo que es posible.

A medida que se acelera el progreso, la preocupación por el medio ambiente y por la salud pública ha dado lugar a un llamado a la investigación y el desarrollo a nivel nanoescala que sean seguros para el medio ambiente, incluso beneficiosos.

Nanotecnología verde Implica dos objetivos separados pero relacionados. Por un lado, las notables características posibles en la nanoescala prometen innumerables formas de hacer que los productos y procesos existentes sean más seguros y sostenibles. Por otro lado, los investigadores están encontrando cada vez más formas de hacer que la nanotecnología sea menos tóxica a lo largo de su ciclo de vida. En este artículo, haremos un recorrido de cómo se están desarrollando estos muchos enfoques.

Ahora hagamos como un duende y seamos pequeños y verdes.

Pasando de Goo a Green

La amenaza de un desastre ambiental generado por la nanotecnología ha surgido en la conciencia del público desde 1987, cuando Eric Drexler describió el escenario del "juicio gris" en su libro "Engines of Creation". En él, las nanomáquinas auto-replicantes invaden el planeta, se multiplican exponencialmente y consumen todo lo que está a la vista, sin dejar nada atrás excepto el goo nanomáquinas titular [fuentes: Feder; Drexler].

Desde entonces, las preocupaciones más plausibles, como la falta de información disponible sobre la toxicidad y los efectos ecológicos a largo plazo de las nanopartículas, han dominado la discusión, pero también hay una forma más ecológica de ver esta pequeña tecnología. La nanotecnología puede ayudar realmente a mejorar el medio ambiente, tanto al abordar problemas existentes intratables (llamados problemas heredados) y diseñando soluciones sostenibles para el futuro.

Los problemas heredados están a nuestro alrededor. Si bien la fuga de radiación de la central nuclear de Fukushima Daiichi y otros incidentes dominan las noticias, los desafíos de remediación más comunes enfrentan las comunidades diariamente, desde la limpieza de las antiguas estaciones de servicio hasta los más de 1,500 sitios Superfund en los Estados Unidos solamente [fuente: EPA, "Superfund Lista de prioridades nacionales "].

Nanoescala de hierro ofrece un enfoque seguro para neutralizar los disolventes orgánicos clorados, pesticidas orgánicos a base de cloro como el DDT y los bifenilos policlorados (PCB). Agregue nanopartículas de hierro al tetracloroeteno (un solvente común usado en la limpieza en seco) y el hierro se oxida, o se oxida, liberando electrones. La reacción engulle estos electrones, dejando eteno, un hidrocarburo natural.

Los equipos de limpieza pueden inyectar hierro a nanoescala bajo presión en terrenos contaminados, donde su pequeño tamaño permite que se transporte en aguas subterráneas o se deje en el sitio para una remediación a largo plazo. Fuera del sitio, son igual de útiles en reactores de lodos o sistemas de filtración. Los científicos están investigando aplicaciones para usar el hierro a nanoescala para tratar metales pesados ​​y radionúclidos también [fuente: Zhang].

Podemos recurrir a la nanotecnología para satisfacer más necesidades básicas de salud, alimentos y seguridad. Por ejemplo, los sistemas de filtración de agua a nanoescala que transforman agua contaminada, salobre o residual en agua potable al filtrarla a través de poros demasiado pequeños para bacterias o virus han estado en uso por más de una década [fuente: Bradbury].

Ahora que hemos hecho la limpieza y más, veamos algunas de las formas en que la nanotecnología está haciendo nuestro futuro más verde también.

Soluciones de contaminación

Una de las principales formas en que la nanotecnología podría disminuir la contaminación es a través de desmaterialización - La reducción de materiales necesarios para su fabricación.Los productos que pueden autoensamblarse con componentes pequeños usan mucho menos material que los que construimos desde arriba hacia abajo, lo que genera desechos y, a menudo, requieren solventes y procesos químicos. Mientras tanto, los investigadores también están desarrollando ingeniosas formas de controlar la contaminación, como los nanosensores que pueden detectar bioquímicamente la contaminación y los patógenos, en tiempo real y en grandes áreas [fuente: EPA, "Nanotechnology: Sensors"].

La energía verde viene en paquetes pequeños

La nanotecnología se compromete a mejorar nuestra perspectiva ambiental al obtener más beneficios para nuestra inversión de energía y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Para ver cómo, considera tu coche familiar. Los vehículos construidos incluso parcialmente con nanomateriales pueden ser más ligeros y, por lo tanto, más eficientes en el consumo de combustible, sin sacrificar la resistencia o la seguridad. Bajo el capó, los nanofiltros pueden quitar la suciedad de su jugo de go, de modo que su paseo bombee menos contaminación y sufra menos desgaste en su motor. Los nanocoqueques pueden hacer que los parabrisas y los trabajos de pintura sean autolimpiables para arrancar.

Las máquinas verdes como los híbridos y los vehículos de hidrógeno pueden beneficiarse aún más. Los ingenieros ya están desarrollando celdas de combustible con nanotubos de carbono para almacenar hidrógeno y aumentar la reactividad. Los nanotubos de carbono también pueden reemplazar algún día el costoso platino como el catalizador de la celda de combustible de hidrógeno, reduciendo los costos [fuente: Battersby].

Gracias a nanofotónica, el estudio del comportamiento de la luz en la nanoescala, la nanotecnología cubre sus necesidades energéticas en el hogar y en la oficina también. Los investigadores han desarrollado ventanas, pinturas y recubrimientos de película que pueden "sintonizar" para reflejar o transmitir longitudes de onda específicas de la radiación solar, incluida la energía infrarroja que experimentamos como fuente de calor [fuente: Feder]. Es como convertir toda tu casa en una sombra para el sol durante el verano y una manta en el invierno.

Una nanoelectrónica más eficiente se traducirá en artilugios que consumen menos energía y la almacenan de manera más eficiente, una verdadera bendición en nuestra era gadget-gonzo [fuente: Chmiola]. Puntos cuánticos, también conocidos como nanocristales semiconductores, pronto podrían alimentar una tecnología de pantalla que reúne tanto la eficiencia como la larga vida útil de los orgánicos. la luz emite diodos (OLEDs) y la durabilidad de los tubos de rayos catódicos (CRT) y las pantallas de cristal líquido (LCD) [fuente: Dumé].

Más allá de la tubería de energía, la nanociencia ofrece una esperanza para aumentar las fuentes de energía alternativas. Los paneles solares impresos con nanopartículas requieren menos componentes para funcionar, lo que significa que hay menos para reparar, mantener o, posteriormente, enterrar en un relleno sanitario. Con costos operativos más bajos, tales paneles pueden generar menos energía y seguir siendo rentables [fuente: Markoff]. Los investigadores también han ideado una manera de extraer energía de la diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua de los ríos. La técnica se basa en baterías compuestas de electrodos erizados con nanorods [fuente: La Mantia].

A estas alturas, probablemente esté pensando: "Todo está bien, pero ¿qué tan ecológicas pueden ser las soluciones de nanotecnología si construirlas crea un desastre tóxico?" Como veremos en la siguiente sección, muchos científicos e ingenieros están preocupados por estos problemas y se esfuerzan por hacer que la nanotecnología sea más ecológica desde el principio.

La pequeña maravilla del área de superficie

La relación entre el área de la superficie de algo y su volumen influye en su balance de energía y reactividad. Idealmente, para construir un electrodo o catalizador más eficiente, simplemente empaquetaría la mayor área de superficie posible en un volumen dado. Desafortunadamente, esta proporción mágica disminuye a medida que las cosas se amplían, especialmente en formas compactas como esferas o cuadrados.

El truco es usar una forma menos compacta, como un tubo. Como lo demuestran los intestinos humanos y la braquia pulmonar, las estructuras largas y delgadas atascan mucha superficie en un espacio pequeño. Con esto en mente, no es una sorpresa que los investigadores actualmente agreguen nanotubos a LED, celdas de combustible, dispositivos eléctricos y catalizadores.

Sembrando las semillas de la nanotecnología sostenible

Dado el caos ambiental causado por otras sustancias aparentemente beneficiosas, como el DDT, no es de extrañar que recibamos inventos extraños como los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos con escepticismo, especialmente cuando sabemos muy poco acerca de sus efectos a largo plazo o toxicidad [fuente: Buen hombre].

Otros hallazgos médicos que revelan los efectos dañinos de ciertas nanopartículas, como los nanotubos de carbono, que causan los granulomas pulmonares (esferas de las células asociadas con la enfermedad) cuando son inhaladas por las ratas, alimentan estos problemas Los efectos de otras nanopartículas siguen sin ser concluyentes, especialmente en lo que concierne a los humanos, pero los estudios apuntan a que los ingredientes nanométricos en algunas pantallas solares causan daño cerebral en ratones y truchas arco iris a través del estrés oxidativo [fuentes: Karn; Choi; Raloff].

Las alternativas naturales a la fabricación a nanoescala pueden ser la clave para mitigar estos problemas. En el caso de la protección solar, por ejemplo, los investigadores han encontrado una nanopartícula potencialmente más segura en la hiedra inglesa. La notoria tenacidad de la vid surge de un "súper pegamento" amarillento exudado por sus zarcillos, que está compuesto de nanopartículas cuatro veces más efectivas como un bloqueador solar que el dióxido de titanio u óxido de hierro. Las partículas son biodegradables, resistentes al agua y solo bloquean los rayos UV [fuente: Raloff].

Idealmente, la construcción sintética a nanoescala funcionaría como una celda, utilizando sustancias simples y no tóxicas a temperatura ambiente para ensamblar un producto desde el principio y luego reciclar o destruir eficientemente las sobras. Hasta que estas técnicas sean posibles, los investigadores ecológicos buscan cada vez más el uso de procesos naturales para inspirarse y alternativas seguras a los solventes y otros procesos peligrosos.

Los investigadores ya han encontrado formas de utilizar ciertas bacterias para crear nanoesferas de selenio, teluro, seleniuro de zinc y seleniuro de cadmio a temperatura ambiente, reduciendo la dependencia de altas temperaturas, presiones y sustancias químicas peligrosas [fuente: NNI, "US Geological Survey (USGS)"].

Los químicos naturales, como los fitoquímicos que se producen naturalmente en las plantas, presentan otra alternativa verde. Tome oro a nanoescala, una sustancia con aplicaciones en celdas de combustible, sensores químicos y herramientas biológicas [fuentes: Tufts; Greenberg]. Lo que antes requería grandes cantidades de solventes tóxicos inflamables y explosivos ahora se puede hacer usando solo una sal de oro (un compuesto de oro eléctricamente neutro) y una solución de té, canela o comino Darjeeling [fuentes: Schmidt, Nune et al.].

A pesar de lo interesantes que son las posibilidades, hasta ahora las nanotecnologías verdes más inspiradoras permanecen en la imaginación de los investigadores. Si se desarrollan, o cuando se desarrollen, necesitarán respaldo económico y apoyo de mercado para ayudarlos a ser asequibles y lograr un uso generalizado [fuente: Goodman].

Hasta entonces, todos podemos hacer nuestra parte para hacer de la Tierra un lugar más sostenible, en todas las escalas.

Nanopartículas en el cuerpo humano

Debido a que las nanopartículas son tan pequeñas, ignoran la mayoría de las estructuras protectoras del cuerpo, incluida la barrera hematoencefálica que protege nuestra materia gris contra sustancias nocivas. Cuando se inhalan o se inyectan, estos pequeños polizones circulan por el torrente sanguíneo y se depositan en los órganos y tejidos, donde pueden acumularse. A medida que la respuesta inmune del cuerpo se activa, puede causar la sobreproducción de ciertos químicos: necesarios para el metabolismo, pero tóxicos cuando se desequilibran. Este "estrés oxidativo" es especialmente dañino para los órganos con altos requerimientos metabólicos, como el cerebro [fuente: Long].


Suplemento De Vídeo: Acción Verde - La nanotecnología.




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