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Los autores

Adriana María Restrepo Osorio. PhD. Grupo de Investigación Nuevos Materiales (ginuma), Semillero de Investigación Ingeniería Textil, Facultad de Ingeniería Textil, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Alba Graciela Ávila-Bernal. PhD. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad de los Andes, Bogotá.

Ana Elisa Casas Botero. PhD. Grupo de Investigaciones Agroindustriales (grain), Semillero de Investigación Ingeniería Textil, Escuela de Ingeniería, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Angélica María Serpa Guerra. Facultad de Ingeniería Agroindustrial, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Beatriz Eugenia Campillo Vélez. Grupo de Investigación en Ética y Bioética, Instituto de Humanismo Cristiano, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Beynor Antonio Páez Sierra. Departamento de Física, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá.

Catalina Gómez Hoyos. Facultad de Ingeniería Agroindustrial, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

César Augusto Sierra Ávila. PhD. Grupo de Investigación de Macromoléculas, Departamento de Química, Universidad Nacional de Colombia, Medellín.

Cristina Isabel Castro Herazo. PhD. Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales (ginuma), Facultad de Ingeniería Textil, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Diana Catalina Marín Quintero. Grupo de Ecomateriales, Instituto Nacional de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (Intema), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet), Universidad Nacional de Mar del Plata, Mar del Plata, Argentina.

Diana Marcela Marín-Pineda. MSc. Grupo de Ecomateriales, Instituto Nacional de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (Intema), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet), Universidad Nacional de Mar del Plata, Mar del Plata, Argentina.

Edgar Emir González Jiménez. Grupo de Nanociencia y Nanotecnología, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá.

Felipe Muñoz-Giraldo. PhD. Grupo de Diseño de Productos y Procesos, Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá.

Félix Echeverría Echeverría. Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo de Materiales (Cidemat), Universidad de Antioquia, Medellín.

Franklin Jaramillo Isaza. Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo de Materiales (Cidemat). Sede de Investigación Universitaria (siu), Universidad de Antioquia, Medellín.

Freddy Rafael Pérez. Grupo de Investigación en Óptica y Espectroscopía. Departamento de Ciencias Básicas, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Guillermo León Zuleta Salas. Grupo de Investigación en Ética y Bioética (gieb), Facultad de Teología, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Gustavo Antonio Peñuela Mesa. PhD. Grupo de Diagnóstico y Control de la Contaminación (gdcon), Sede de Investigación Universitaria (siu), Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Medellín.

Hader Vladimir Martínez-Tejada. Profesor Titular. Facultad de Ingeniería Mecánica, ginuma-get, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Herbert Enrique Kerguelen Grajales. Grupo de Investigación Nuevos Materiales (ginuma), Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Homero Fernando Pastrana Rendón. PhD. Grupo de Investigación de Microelectrónica (cmua), Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad de los Andes, Bogotá.

Jorge Velásquez-Cock. Facultad de Ingeniería Química, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Juan Felipe Santa Marín. Grupo de Investigación Materiales Avanzados y Energía (matyer), Instituto Tecnológico Metropolitano, Medellín.

Lina María Vélez-Acosta. MSc. Grupo de Investigaciones Agroindustriales (grain), Facultad de Ingeniería Agroindustrial, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Mabel Milena Torres Taborda. MSc. Grupo de Investigaciones Agroindustriales (grain), Facultad de Ingeniería Química, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Marlon Andrés Osorio Delgado. PhD. Grupo de Investigación en Biología de Sistemas, Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales (ginuma), Facultad de Ingeniería Química, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Mauricio Arroyave-Franco. MSc Grupo de Investigación en Electromagnetismo Aplicado, Departamento de Ciencias Básicas, Universidad Eafit, Medellín.

Mónica Lucía Álvarez-Láinez. PhD. Grupo de Investigación en Ingeniería de Diseño de Producto (grid), Escuela de Ingeniería, Universidad Eafit, Medellín.

Pablo Marcelo Stefani. PhD. Grupo de Ecomateriales, Instituto Nacional de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (Intema), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet), Universidad Nacional de Mar del Plata, Mar del Plata, Argentina.

Piedad Felisinda Gañán-Rojo. PhD. Grupo de Investigación Nuevos Materiales (ginuma), Facultad de Ingeniería Textil, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Robin Octavio Zuluaga Gallego. PhD. Grupo de Investigaciones Agroindustriales (grain), Grupo de Investigación sobre Nuevos Materiales (ginuma), Facultad de Ingeniería Agroindustrial, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Robinson Buitrago Sierra. Grupo de Investigación Materiales Avanzados y Energía (matyer), Instituto Tecnológico Metropolitano, Medellín.

Introducción

Las tecnologías disruptivas dan amplia cuenta del poder que tiene la innovación para mejorar la calidad de vida, transformar las industrias y salvaguardar el planeta. Desde el punto de vista del denominado desarrollo sostenible, tanto las esferas sociales, ambientales y económicas como aquellas que resultan de su intersección (socioambiental, económico-ambiental y socioeconómica) deben operar de manera consistente, en especial en el contexto actual de la historia, en el que las tecnologías disruptivas han adquirido una creciente relevancia. Aunque por lo general las tecnologías disruptivas son asumidas como nuevas, también pueden abarcar viejas tecnologías o tecnologías que son relativamente controversiales, que no han alcanzado un desarrollo pleno o que no poseen un único campo de aplicación. Entre estas tecnologías pueden mencionarse la inteligencia artificial, el internet de las cosas, la robótica, la manufactura aditiva y la nanotecnología. Esta última tecnología, que no es nueva, pero sí relativamente controversial, que no ha alcanzado un pleno desarrollo y tiene aplicación en numerosos campos, es precisamente el objeto de este libro, al que hemos denominado Nanotecnología: Fundamentos y aplicaciones.

Más que explicar fundamentos teóricos, el presente libro busca hacer posible que el lector pueda acercarse al sentido del diseño y la manipulación de la materia a nivel de átomos o moléculas, los cuales, por demás, desde diferentes áreas del conocimiento, están habilitando aplicaciones e impactando diferentes industrias.

Antes de entrar en materia, conviene mencionar los antecedentes que fundamentaron la escritura de este texto, el cual es el resultado tanto del esfuerzo interdisciplinario de una comunidad comprometida con llevar el conocimiento y las aplicaciones relacionadas con la nanotecnología a diferentes ámbitos, como de la recopilación del valioso aprendizaje que ha surgido desde el año 2000, en estrecha relación con la comunidad científica, empresarial y estatal, gracias a una serie de condiciones en los contextos científico, económico y político de orden mundial.

En los últimos veinte años, el número de publicaciones relacionadas con la nanotecnología muestra una tendencia creciente, con cambios significativos. En general, desde sus orígenes, la nanotecnología se había enfocado en la física de materiales y en estudios básicos de la química y la ingeniería aplicada; sin embargo, el establecimiento de la National Nanotechnology Initiative (nni) en el 2000 en Estados Unidos supuso que durante los siguientes años tuviera lugar en muchos países no solo la apropiación de investigaciones en nanociencias y nanotecnología (N&N) en diferentes grupos de investigación en el mundo y en Colombia, sino también la generación de intereses compartidos, desde la academia y la industria, ligados al creciente —aunque todavía insuficiente— número de recursos globales destinados a la investigación.

En Colombia, a partir del mismo año, el Observatorio Colombiano de Ciencia y Tecnología (ocyt) comenzó a utilizar el indicador de actividades de ciencia, tecnología e innovación (acti) para medir la innovación, y en este incluyó la nanotecnología. Para el 2004, el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación (Colciencias) seleccionó ocho áreas estratégicas para el desarrollo de la productividad y la competitividad del país, dentro de las cuales se encontraban los materiales avanzados y la nanotecnología. Ese año, como una política derivada del Departamento Nacional de Planeación, se generó el documento “Colombia 2019”, que consideró la N&N como una de las áreas estratégicas para el desarrollo del país. Dos años más tarde, el concepto de innovación tomó mayor forma, mediante la expedición del Decreto 2828 y el documento Conpes 3439, sobre la institucionalidad y los principios para la productividad y competitividad nacional, por medio de los cuales se creó el Sistema Nacional de Competitividad (snc), a cuyo nombre más tarde se le agregó la palabra innovación (snci). En el mismo año tuvo lugar el Simposio Nacional de Nanotecnología, el cual enfatizó en la apropiación de la N&N como una ventaja competitiva, en función de la biodiversidad y del abanico de recursos naturales renovables y no renovables del país. Simultáneamente, el simposio señaló la aplicación y el uso de la nanotecnología como un mecanismo que permitiría apoyar el crecimiento económico.

En este punto, el ámbito de la nanotecnología, en particular en Colombia, ha permitido de manera singular el acercamiento entre académicos, empresarios, emprendedores y demás actores que observan oportunidades diversas en un país que continúa apostando por la ciencia y la tecnología como la mejor herramienta para dirigirse de manera segura hacia el desarrollo, a diversificar al máximo sus exportaciones y a procurar incrementarles el valor añadido a los diversos recursos que por décadas han sido la principal base de su sustento económico.

En este sentido, Nanotecnología: Fundamentos y aplicaciones recoge los aportes hechos por académicos desde diferentes instituciones de educación superior en Colombia, en quienes hemos encontrado una motivación común para exponer diferentes aspectos básicos alrededor de esta disciplina, que aun con su connotación de disruptiva, resulta cada vez menos ajena a la industria y a la sociedad en general.

Esta obra está pensada tanto para personas interesadas en ciencia e ingeniería que tengan conocimientos en ciencias básicas, matemáticas, física y química, como para estudiantes universitarios de ingenierías, ciencias básicas y áreas afines.

Nanotecnología: Fundamentos y aplicaciones se divide en dos secciones. La primera, de fundamentos, abarca desde el capítulo 1 hasta el 5. En el de apertura, se describen los significados, logros y posibilidades alrededor de la N&N. En el capítulo 2, se explican las herramientas, las formas y los medios de síntesis referidos a materiales y sistemas nanoestructurados. El capítulo 3 se refiere consecuentemente a herramientas para “ver” y “modificar” el mundo nano, y hace especial énfasis en técnicas analíticas comunes para la caracterización morfológica, composicional y funcional de nanomateriales. El capítulo 4, por su parte, merece especial atención en el marco de oportunidades comerciales, en tanto hace énfasis en la regulación y normatividad existente sobre nanotecnología, enlazándose con el capítulo 5, el cual aborda el futuro de la normalización en el marco de la bioética y la búsqueda por una nanotecnología responsable.

La segunda sección, sobre la aplicación de la nanotecnología en diferentes campos de acción, está dirigida a lectores más especializados, que cuenten con un nivel previo de conocimiento. El capítulo 6, por ejemplo, versa sobre la nanocelulosa, una estructura que, además de ser producida por la naturaleza, resulta de elevado valor tecnológico en virtud de sus propiedades físicas y mecánicas y especialmente por su abundancia, como principal constituyente de formas naturales. Por otro lado, en el capítulo 7, se revisan las oportunidades y los retos alrededor de la microelectrónica y la nanoelectrónica, que han sido identificados desde el establecimiento de la N&N en muchos de los sistemas electrónicos que observamos cotidianamente. El capítulo 8 se centra en las aplicaciones y el estado actual de algunas de las principales tecnologías energéticas basadas en nanomateriales. El capítulo 9, acerca de nanotecnología textil, resulta de especial interés, sobre todo en un país como Colombia, en el que esta industria ha gozado de escenarios ideales en años previos, y que hoy se enfrenta a la competencia en clave de diferenciación con respecto a productos foráneos, y donde la nanotecnología emerge como promesa de un campo por explorar, para continuar fortaleciendo uno de los sectores con mayores impactos en cuanto al diseño, la confección y la moda en el país.

Siguiendo esta línea, sectores estratégicos y tradicionales en Colombia, como la agroindustria, no se dejan de lado. El capítulo 10 se dedica entonces a este segmento, al demarcar alternativas para continuar apostando y promoviendo el desarrollo del sector agro. Consecuentemente, el agua y el aire siempre están presentes en cualquier discusión que surja alrededor de la nanotecnología; entre otras razones, porque la N&N poseen un rol fundamental en la producción (sostenible) de energía, y porque, además, gran parte de la atención actual en investigación está enmarcada en la remediación y el mejoramiento del agua y el aire como medios vitales, tal como se expone en el capítulo 11. El último capítulo, el 12, trata los aspectos de riesgos y seguridad asociados al uso de nanotecnología, y revisa como ejemplos tanto el tratamiento de nanotubos de carbono como los riesgos que entraña un contacto potencial o la inhalación de nanomateriales; este capítulo está, pues, relacionado con el manejo seguro, el etiquetado y el almacenamiento de sustancias y materiales nanoestructurados.

Finalmente, los editores de este libro agradecen la participación entusiasta, colaborativa e interdisciplinaria de los autores de los diferentes capítulos aquí incluidos. Es a ellos, investigadores, colegas y profesores en diferentes instituciones de educación superior en Colombia, y especialmente a nuestros alumnos y futuros transformadores de la realidad, a quienes está dedicado este libro.

Los editores