LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA Facultad Experimental Ciencias Departamento de Física
Nanotecnología y Ciencias de la vida
José R. Fermin
[email protected] @ fermin70
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¿Qué es el mundo NANO? Manipulamos y controlamos la materia y sus propiedades a nano escala
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La unidad fundamental: El NANO-metro 1 nm = 10-9 m 1 nm = 10 Å = 10-8 m
≈ 100 µ = 100.000 nm = 1.000.000 × H+
1 nm = 0.001 µ
∼1Å e-
1 nm
Atomo de Hidrógeno Cabello humano 4
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1959:
Richard Feynmann, en una conferencia sobre el futuro de la Investigación Científica dice: “…los principios de la Física no impiden la posibilidad de manipular la materia átomo por átomo… “
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1985:
El químico inglés Harry Kroto y su Grupo, descubren el fulereno
Molécula compleja de C60, en forma de una esfera hueca con los átomos de carbono formando vértices (12 pentágonos y 20 hexágonos), con diámetro de algunos nm s. Geométricamente es la molécula con mayor simetría que se conoce en la naturaleza. El C60 es el componente básico del hollín y se le conoce comúnmente como “bucky-fullerene”. 7
1986: Se publica el libro “Los motores de la creación: la era de la nanotecnología”, por el Ing. Electrónico Kim Eric Drexler. Recibiría su Ph. D. en 1992
Se crea la base conceptual de la nanotecnología, así como sus objetivos fundamentales. A partir de aquí comienza la revolución tecnológica del S.XX
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1991: El Físico japonés S. Ijima publica sobre la síntesis de estructuras tubulares basadas en la molécula C60 (Nature 354, 56 (1991)).
…nace el nanotubo…
1996:
Harry Kroto recibe Premio Nobel por sus fulerenos. Posteriormente es nombrado “Sir”… Termina la controversia sobre la “patente del C60”… 9
2004: Los físicos rusos Andrey Geim y Oleg Novoselov aislan moléculas de GRAFENO (carbono puro) a temperatura ambiente. Reciben Nobel en 2010
Grafeno
grafito
…una lámina de Grafeno de 1 nm, es 100 X más resistente que el acero, y tiene propiedades eléctricas robustas…
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Las zonas de convergencia de la nanotecnología
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Nanotecnología: Paradigma I - D – I Investigación básica (generar conocimiento, leyes y principios)
Investigación aplicada (aplicar las leyes y principios)
Desarrollo de tecnologías (prototipos, patentes)
Producto final
IMPACTO
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El ciclo de expectativa de I & D & I Materia prima
∼ 1-3 años
Producto final conocimiento básico
IMPACTO
∼ 3-5 años
∼ 1 año tecnología adoptable
∼ 5-10 años
estructuras funcionales
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El IMPACTO del producto final conlleva a consecuencias y riesgos
1. Científicas 2. Tecnológicas 3. Socio-económicas 4. Éticas 5. Educativas 16
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15 nm
Intel’s transistors
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Sin embargo, una vez controlados…
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…esto es porque…
…menos volumen más superficie efectiva…
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Nanoestructuras típicas
(2) Nano-hilos
(1) Nano-tubos
(3) Nano-barras
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Nano-estructuras típicas
(4) Nano-capas (5) Nano-partículas
(6) Nano-poros (vidrios:SiO2)
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Miniaturización en el mundo natural
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La BIBLIA del mundo biológico
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Nano-mundo biológico
Microscopía electrónica de una célula vegetal: Sistema de moléculas de glucosa dispuestas de manera lineal se disponen paralelas entre sí y se unen por puentes hidrógeno formando micro-fibrillas, de 10 a 25 nm de espesor. 28
La división celular: la vida pendiendo de un nano-hilo
Durante la división celular las dos células hijas quedan unidas por la laminilla media, a partir de la cual se forma la pared primaria, de algunas décimas de nm. 29
Nano-partículas biológicas
La actividad industrial + la actividad natural ha transformado el ecosistema en un nano-mundo. Interaccionamos seg-seg con un flujo aleatorio de nanopartículas
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… y como consecuencia …
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… inhalamos Fulerenos todos los días …
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Aplicaciones: -Vida cotidiana - Alimentación - Medicina
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Anti-parásitos
hogar
cosméticos
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…tú y la nanotecnología…
Nueva generación de cremas de protección solar UV y fármacos anti-arrugas, compuestas de nano-partículas menores de 100 nm
Utensilios de cocina antisépticos. Están recubiertos por bactericidas nanoestructurados
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… de la naturaleza a tu comodidad…
Recubrimientos nano-tecnológicos para envases, empaques, pantallas, vidrios, dispositivos electrónicos, son de origen vegetal… 36
Ventanas auto-limpiantes para viviendas y automóviles. Poseen un recubrimiento nanotecnológico que impide acumulación de polvo y suciedades 37
… iPod, iPhone…
La pantalla del iPhone, iPod, etc., es diseñada con compuestos nanoestructurados menores a 100 nm
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ipod / pendrive
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Industria textil (Nano-tex): protección y durabilidad
Fibras de nanotubos: Life-warranty Water-proof
Tejidos de nano-hilos: Bactericidas Anti-ácaros
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Industria textil: tejidos inteligentes
Prototipos textiles bio-electrónicos: - Sensores corporales - Acceso a Internet - GPS
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Industria alimentaria/producción animal/bioquímica
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Ingeniería Industrial/Alimentos: empaques inteligentes
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Bio-electrónica Bio-Si Pinnularia sp.
Biomineralización 44
Cultivo de células humanas
Substrato con células madre humanas
Reconstrucción superficial
Tejido humano
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Diagnóstico/tratamiento de cáncer El material de contraste que se usa para un examen de MRI se llama gadolinio. Gd puede producir alergias y otros trastornos en el paciente. Permanece en el cuerpo mucho tiempo.
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Diagnóstico MRI Tratamiento con drogas magnéticas
25 mg/ml
Fe3O4
Partículas biomineralizadas/acido cítrico
50 - 150 nm
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Diagnóstico MRI Tratamiento con drogas magnéticas
No se producen efectos secundarios. El material es absorbido por el cuerpo. El material remanente es expulsado rápidamente. La biomineralización de la partículas de Fe3O4 es más simple y menos costoso que la obtención del Gd.
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Transfección
Es una técnica en pleno desarrollo, y se recomienda aplicarla en ambientes con estricto control, en especial para el tratamiento de enfermedades de tipo hereditario o virales. La tasa de transferencia de material genético es muy baja.
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Transfección
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Transfección magnética
Fe3O4
Carcinoma de útero Riñon Ovario Melanoma Gliobastoma cerebral Leucemia
Afinidad ADN-Ferrita 51
Magnetotransfección x transfección 1.- % de células transfectadas mayor en comparación con la tranfección estandar: ~ 10x 2.- Tiempo de incubación de la célula menor. Algunos minutos en comparación con horas del procedimiento estandar 3.- Tasa de transfección mayores con menores dosis del agente de tranfección (fuente de DNA): policationes, lípidos, DNA plásmido, oligonucléotidos, virus, etc.)s
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Biomineralización de partículas para MRI-Transfección Bacterias magnetotácticas: Magnetospirillum Aquaspirillum
E. coli Staphylococus aureus
50 - 150 nm
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El futuro de la nanotecnología
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Predicciones…
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El ciclo de expectativa de la Tecnología (Gartner)
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www.iop.org/journals/physed
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