ElectrónicaLibreXC: Nanociencia y nanotecnología-FECYT

Nanociencia y nanotecnología-FECYT

Introducción

Ha supuesto para nosotros un gran reto, pero también un inmenso placer, desarrollar esta Unidad Didáctica. La escritura de este libro ha sido una excusa perfecta para dar forma a una serie de charlas, conferencias de divulgación, cursos de doctorado y de especialización que hemos ido impartiendo en diferentes ámbitos (como universidades, centros escolares y de formación de profesorado) en un intento de plasmar esta información sobre un medio que perdure más allá de las palabras. En este sentido, los autores queremos agradecer a la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECYT) la oportunidad que nos ha brindado al encargarnos confeccionar esta Unidad Didáctica. Éste no pretende ser sólo un libro de consulta, sino una fuente de recursos e ideas para acercar la nanotecnología al profesor, al alumno y a cualquier otro lector con curiosidad por los avances científicos. En el aula siempre se necesitan nuevos materiales y recursos, y los relacionados con las ciencias emergentes son a veces difíciles de obtener. Pretendemos que este libro sea uno de ellos. Somos conscientes de las dificultades que entraña hacer divulgación científica sobre un tema tan complejo e interdisciplinar. Complejo, porque conceptos abstractos como la teoría cuántica son necesarios para conocer las propiedades de los elementos que conforman nuestro entorno, y más aún para entender el comportamiento de la materia en la nanoescala. Interdisciplinar, porque para llegar a comprender, por ejemplo, cómo se incorporará la electrónica molecular en los procesadores o dispositivos biomédicos del futuro, debemos saber qué son las moléculas, qué propiedades tienen, cómo funcionan en un ser vivo, qué tipo de tecnología necesitamos para manipularlas y en qué está basada la electrónica actual. Intentaremos evitar la complejidad, huyendo en lo posible de las fórmulas y las palabras técnicas, y no dando por sabido ningún concepto importante. Con ello buscamos una visión clara y completa de los temas tratados, aunque sin perder el rigor inherente al método científico. Es difícil, a priori, identificar cuál es el nivel mínimo de conocimientos para poder sumergirse en la lectura, esperemos que apasionante, de las páginas de este libro. Pensamos que cualquier persona que haya finalizado el 4o curso de la Educación Secundaria Obligatoria (ESO) tiene ya los fundamentos que le permitirán seguir los contenidos del texto, aunque en algunos puntos la ayuda del profesor será necesaria para facilitar su lectura. Creemos, además, que el libro contiene temáticas que conciernen y pueden interesar a todos los estudiantes, sin importar su especialización. Aunque puede usarse como lectura complementaria o de apoyo en la mayor parte de las asignaturas de ciencias tanto de 4o de ESO como de Bachillerato, la nueva asignatura de “Ciencias para el mundo contemporáneo” es tal vez uno de los entornos más adecuados para esta obra. Hemos intentado buscar el difícil equilibrio que existe entre una divulgación tan fácil que no aporta nuevos conocimientos y un texto demasiado académico y sólo útil para el lector especializado. Para ello, durante la escritura de este libro hemos realizado una serie de presentaciones en distintos centros educativos situados a lo largo y ancho de la geografía española, en los que hemos tenido.

la inmensa suerte de palpar la realidad del día a día académico y mantener un intercambio de ideas con la comunidad educativa (profesores y alumnos) de ESO y Bachillerato. En estos centros hemos realizado también sencillas encuestas en las que mediante una serie de preguntas podíamos constatar, antes y después de nuestras charlas, los conocimientos actuales sobre nanociencia y nanotecnología. Así, pudimos confirmar que los jóvenes con edades entre 14 y 17 años son unos grandes “devoradores” de tecnología, y que más del 90% posee teléfonos móviles y reproductores de música. Además, casi el 70% de los alumnos encuestados (cerca de medio millar) conoce el término “nanotecnología” y lo asocia a la capacidad de “construir cosas pequeñas”. Esto es debido, probablemente, al impacto mediático de este área científica, que ya forma parte de novelas, video juegos y películas antes incluso de entrar en nuestras vidas mediante productos tangibles. Por el contrario, el concepto de “nanómetro” únicamente era conocido por un 25% de los alumnos. Ya que se suele afirmar que el nivel cultural medio de los habitantes de un país es el correspondiente al de los alumnos en el último curso de la enseñanza obligatoria, los datos recogidos nos permiten intuir cuál es la realidad social española en relación con su conocimiento de la nanociencia y la nanotecnología. La contribución de los Centros visitados no se ha limitado a ser un espacio muestral del que extraer datos estadísticos. Al contrario, los alumnos han tenido la oportunidad de expresarse de diversas formas sobre la nanotecnología y sus aplicaciones. Gracias a ello, en cada capítulo de este libro hemos incluido un pre- capítulo que recoge algunas de sus ideas: correctas unas veces, imaginativas otras, interesantes siempre. Los centros que han participado en esta experiencia y a los que queremos expresar nuestro agra- decimiento son los I.E.S.: Barcelona-Congrés (Barcelona), Marco Fabio Quintiliano (Calahorra, La Rioja), Rosa Chacel (Colmenar Viejo, Madrid), Ciudad de Dalías (Dalías, Almería), Alfonso IX (Zamora), Damián Forment (Alcorisa, Teruel), Sorolla (Valencia) y Duque de Rivas (Rivas Vaciamadrid, Madrid); así como los centros escolares: Corazón de María (Zamora) y Amanecer (Alcorcón, Madrid). El libro está dividido en nueve capítulos, de los que el primero y el último son especiales. El primero consiste en una visión rápida y general de lo que son la nanociencia y la nanotecnología, de manera que el lector con prisa, o con ganas de “echar un vistazo” a estos temas de moda, pueda encontrar en él las ideas fundamentales. A su vez, el capítulo 9 habla de las connotaciones sociales de una revolución tecnológica como la que la nanotecnología está propiciando. El resto de los capítulos, aún siendo más especializados, fueron pensados originalmente para que fuesen completamente independientes, de forma que cada lector pudiese seleccionar su lectura “a la carta”. Sin embargo, durante la realización del libro nos dimos cuenta de que esa idea contradecía una de las características esenciales de la nanotecnología: su interdisciplinaridad, su carácter transversal. Así, los capítulos están engarzados entre sí mediante referencias y llamadas de uno a otro, de manera que quede patente la relación existente entre matemáticas, física, química, biología y tecnología. Esta inter-relación es especialmente evidente entre los capítulos de nanomateriales (3) y de química (4), entre éste y el de biología (5), o entre el de electrónica (6) y el dedicado a la computación (7). Además, en todos ellos se utilizan las herramientas tecnológicas descritas en el capítulo 2. Por último, no queríamos dejar pasar esta oportunidad sin incluir un capítulo (8) dedicado a los productos que se venden y venderán en el “nanomercado”, lo que se relaciona con los aspectos sociales expuestos en el capítulo 9. El texto está ilustrado con numerosos dibujos y figuras, obtenidas gracias a la colaboración de decenas de instituciones, empresas e investigadores a las que queremos agradecer su contribución a esta obra. Además, insertados en los diferentes capítulos aparecen cuadros específicos sobre temas concretos (y, generalmente, algo más especializados). Pero el libro también busca la complicidad y la interacción con el lector, por lo que se han incluido pequeños cuadros de otro tipo, que hemos denominado EEE -Ejemplo, Ejercicio, Experimento-, para mostrar curiosidades, temas de debate, fuentes de información, o sencillos problemas que permiten reflexionar sobre la grandeza de lo diminutamente pequeño. Esperamos que el lector disfrute de este paseo por el nanomundo, y que ello le sirva para aumentar no sólo sus conocimientos sino también sus ganas de querer saber más sobre el tema. Con lograrlo estaríamos sobradamente recompensados.

ÍNDICE
PRÓLOGO
INTRODUCCIÓN (Guía de uso de este libro)
1. NANO-INTRO: El nano-mundo a vista de pájaro
El mundo invisible
EEE 1.1 El número de Avogadro
Nanotecnología... ¿Qué significa esta palabra?
EEE 1.2 La visión de Feynman sobre la ciencia
EEE 1.3 La Química
La tecnología actual o ¿hasta dónde es posible reducir el tamaño de un objeto?
EEE 1.4 Superficie y volumen
EEE 1.5 Un “no experimento”
EEE 1.6 La Física
CE La teoría cuántica
La tecnología actual frente a la del futuro: Top-down frente a Bottom-up
EEE 1.7 ¿Qué es un interruptor?
Los orígenes de la nanotecnología
CE El discurso de Feynman “There is plenty of room at the bottom”
CE ¿Cómo llegar a ser nanotecnólog@?
2. NANO-HERRAMIENTAS: El arte de ver, tocar, mover y escribir
Microscopios para ver
Microscopios de campo cercano: no sólo los ojos, sino también las manos
CE La “magia” de la física cuántica para construir microscopios
EEE 2.1 Microscopios: características generales
Manipulación de la materia mediante el uso de microscopios
Otras técnicas litográficas
EEE 2.2 Sistemas nanoelectromecánicos (NEMS)
CE ALBA, el sincrotrón español: una herramienta kilométrica para estudiar objetos nanométricos
3. NANO-MATERIALES: Nuevos materiales para un nuevo siglo
En un mundo de carbono
EEE 3.1 Conseguir diamante en un laboratorio
El balón de fútbol más pequeño del universo: los fullerenos
EEE 3.2 Diez fullerenos o la calculadora más pequeña del mundo
EEE 3.3 ¿Cómo sería el fullereno cerrado más pequeño?
Nanotubos de carbono: el hilo mágico
CE Construyendo “macro”-tubos de carbono
CE Los nanotubos como un nuevo acero
CE La tela de araña y la cabra Spiderman
EEE 3.4 Las zeolitas
4. NANO-QUÍMICA: La danza de las moléculas
Construcción de dispositivos moleculares mediante la aproximación bottom-up
EEE 4.1 El azul maya: un ejemplo de material híbrido
La química supramolecular y el diseño de moléculas a la carta
EEE 4.2 Respiramos gracias a moléculas
CE La nanotecnología mueve montañas: Máquinas moleculares
EEE 4.3 Motores biomoleculares
Las monocapas autoensambladas
EEE 4.4 Diseño de superficies con propiedades específicas: Una gotita de agua muy voluble
Nanopartículas
EEE 4.5 Nanopartículas de oro: ¿Un material nuevo?¿Una copa mágica?
EEE 4.6 Materiales fotocrómicos
EEE 4.7 Sintetizando nanopartículas
5. NANO-BIOTECNOLOGÍA: En busca de los secretos de la vida
Primera estación: el micromundo
EEE 5.1 Construye un microscopio
CE Los virus: nanomáquinas que evolucionan
¡Pero estamos hechos de nanocosas!
CE Origen de la vida, biología sintética y nanotecnología
EEE 5.2 La biología
CE Un zoom sobre un ser vivo: de lo macro a lo nano sin salir de la charca
EEE 5.3 Dibuja el nanomundo
Manipulando nano-bio-objetos
CE El ADN como nanobiopolímero
EEE 5.4 Jugando al “soga-tira” con un virus
Hacia la nanomedicina
Nanosubmarinos y nanorobots en nuestro cuerpo
EEE 5.5 El nanosubmarino amarillo
El fabuloso mundo de los nanobiosensores
6. NANO-ELECTRÓNICA: Del silicio a las moléculas
El siglo XX: la era de la Electrónica
EEE 6.1 Transistor, chip, circuito impreso, circuito integrado. ¡Qué lío!
¿Algún día dejarán de usarse los semiconductores para fabricar “chips”?
EEE 6.2 Densidades críticas de dopantes en el silicio
EEE 6.3 Almacenamiento masivo
Cuando la ley de Ohm da problemas: transporte balístico
Y además...¡más efectos cuánticos!
CE Mecánica Cuántica encima de una mesa
La nueva electrónica: moléculas, nanotubos, nanohilos, puntos cuánticos,...
EEE 6.4 Reduciendo la dimensión
CE Los ordenadores cuánticos y la nanotecnología
Más allá de la electrónica: nanofotónica, espintrónica, biocomputadores y “ciempiés”
7. NANO-SIMULACIÓN: El laboratorio en un ordenador
El método científico y las matemáticas
Calcular para predecir
EEE 7.1 ¿Cuánto tardará en caer un objeto desde el piso 20?
De las reglas de cálculo a los superordenadores
EEE 7.2 Un supercomputador frente a toda la humanidad
EEE 7.3 Velocidad de los procesadores de videoconsolas
Simulación: una forma de ahorrar recursos y tiempo
Cálculos en la nanoescala: de los cálculos ab-initio a los métodos semi-clásico
EEE 7.4 ¿Es difícil programar en un super-computador? 1 75
8. NANO-APLICACIONES: Del laboratorio al escaparate
Nanomateriales
Nanoelectrónica
Nanobiotecnología y nanomedicina
EEE 8.1 Liberadores de fármacos, espermatozoides y virus
Instrumentación, sensores, actuadores, ensambladores...
La llegada de la nanotecnología: un proceso de varias etapas
De compras por el nano-mercado
9. NANO Y SOCIEDAD: implicaciones sociales de la nanotecnología
Algo más que la nueva revolución industrial
“Nano”+”Bio”+”Info”+”Cogno”: La convergencia NBIC
EEE 9.1 Debate: La inmortalidad
Nanotecnología, sostenibilidad y responsabilidad
EEE 9.2 La nanotecnología como impulsora del desarrollo sostenible
CE Nano-eco-toxicología: “Hombre prevenido vale por dos”
El impacto mediático de la nanotecnología
EEE 9.3 Búsqueda de información en la red
CE “WEBOTECA” – Nanociencia y Nanotecnología en la Red
El impacto cultural de la Nanotecnología: arte, literatura, cine, moda, gastronomía...
EEE. 9.4. Debate: El hombre de los seis millones de dólares
EEE. 9.5 La nanotecnología es premiada con el Premio Príncipe de Asturias
EEE. 9.6 “La era del camaleón”
ANEXOS
ANEXO 0: Contenidos curriculares
ANEXO I: Soluciones a ejercicios
ANEXO II: Lecturas complementarias
ANEXO III: Autores
ANEXO IV: Leyenda iconos



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