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NANOTECNOLOGÍA
Gutierrez, Federico Gabriel
2015
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Contenido
Investigación sobre Nanotecnología........................................................................2
¿Qué es? concepto, definición, significado...........................................................2
Historia de la Nanotecnología...............................................................................2
Definición de Nanotecnología...............................................................................6
Nanociencia..........................................................................................................7
Nanomedicina.......................................................................................................8
Nanomáquinas......................................................................................................9
La nanotecnología a nivel mundial......................................................................10
Avances tecnológicos que cambiarán el mundo.................................................15
Bibliografía.............................................................................................................17
NANOTECNOLOGÍA
Gutierrez, Federico Gabriel
2015
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Investigación sobre Nanotecnología
¿Qué es? concepto, definición, significado...
La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y
técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, esto es una medida extremadamente
pequeña "nano" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus
átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir
del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a
partir de las propuestas de Richard Feynman.
Historia de la Nanotecnología
Fecha Acontecimiento
1936 Erwin Müller, en Siemens, inventó el microscopio de emisión
de campo, que hizo posible la consecución de imágenes cercanas
a resolución atómica de los materiales.
Los años
40
Von Neuman, estudia la posibilidad de crear sistemas que se
auto-reproducen como una forma de reducir costos.
1956 Arthur von Hippel en el MIT acuña, entre otros conceptos, el
término de "ingeniería molecular".
1958 Jack Kilby de Texas Instruments diseña y construye el primer
circuito integrado, por el que posteriormente recibiría el Premio Nobel
en 2000.
1959 Richard Feynmann, habla por primera vez en una conferencia
sobre el futuro de la investigación científica: "A mi modo de ver, los
principios de la Física no se pronuncian en contra de la posibilidad
de maniobrar las cosas átomo por átomo".
3
1966 Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía
de unos científicos a través del cuerpo humano. Los científicos
reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del
cuerpo de un investigador para destrozar el tumor que le está
matando. Por primera vez en la historia, se considera esto como una
verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito.
1974 Norio Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio acuña
el término nanotecnología en el marco dimensional a escala atómica.
1985 Se descubren los buckminsterfullerenes, molécula de
fullereno esférico con la fórmula empírica C60. Presenta una estructura
tridimensional en forma de jaula integrada por anillos de carbono
unidos en una configuración de icosaedro truncado que asemeja a
un balón de fútbol.
1989 Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una
película que cuenta la historia de un científico que inventa una
máquina que puede reducir el tamaño de las cosas utilizando láser.
1996 Sir Harry Kroto, gana el Premio Nobel por haber
descubierto fullerenes.
1997 Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño
aproximadamente de una célula roja de sangre.
1998 Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un nanolápiz que
se puede utilizar para escribir.
1999 -
2000
Los productos de consumo que hacen uso de la nanotecnología
comienzan a aparecer en el mercado: parachoques para automóviles
que se resisten a las abolladuras y rallados, pelotas de golf que vuelan
4
rectas, raquetas de tenis que son más rígidas, bates de béisbol con
una mejor flexibilidad y golpe, calcetines antibacterianos de nanoplata,
protectores solares transparentes, ropa sin arrugas y resistente a las
manchas, cosméticos terapéuticos de penetración profunda,
revestimientos de vidrio resistente a los arañazos, baterías de más
rápida recarga para herramientas eléctricas inalámbricas, y mejoras en
las pantallas para televisores, teléfonos celulares y cámaras digitales.
2001 James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por
haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.
Principales avances de investigación en nanotecnología y nanociencia
en los últimos años
2003 Naomi Halas, Jennifer West, Rebeca Drezek, y Renata
Pasqualin en la Universidad Rice desarrollan unas nanocápsulas de
oro, que cuando son "sintonizadas" de tamaño para absorber la luz
infrarroja cercana, sirven de plataforma para el descubrimiento
integrado, diagnóstico y tratamiento del cáncer de mama sin biopsias
invasivas, cirugía o radiación sistémica destructiva o quimioterapia.
2006 James Tour y sus colegas de la Universidad de Rice
construyen un "coche" a nanoescala hecho de oligo (etinileno fenileno)
con ejes alquinilo y cuatro ruedas esféricas de fullereno C60. En
respuesta a los aumentos en la temperatura, el nanocoche se movía
sobre una superficie de oro como resultado de las ruedas, como se
mueve un coche convencional. A temperaturas superiores a 300° C se
movía demasiado rápido para los químicos pudieran realizar un
seguimiento del movimiento.
2007 Angela Belcher y sus colegas en el MIT construyen una batería
de iones de litio con un tipo común de virus que no son dañinos para el
5
ser humano, usando un procedimiento de bajo costo y benigno para el
medio ambiente. Las baterías tienen la misma capacidad de energía y
el rendimiento de energía como las baterías recargables con
tecnología de última generación (coches híbridos, dispositivos
electrónicos personales, etc.)
2009 Nadrian Seeman y varios colegas de la Universidad de Nueva
York crean varios dispositivos a nanoescala con un montaje robótico
de ADN. Se trata de un proceso de creación de estructuras de ADN
3D utilizando secuencias sintéticas de cristales de ADN que pueden
ser programados para auto-ensámblale utilizando "extremos
pegajosos" y la colocación en un orden y orientación conjunto. Es un
avance con potenciales aplicaciones en la Nanoelectrónica. Otra
creación de Seeman (con colegas de la Universidad de Nanjing de
China) es una "línea de montaje de ADN." Por este trabajo, Seeman
compartió el Premio Kavli de Nanociencia en 2010.
2010 IBM utiliza una punta de silicio que mide sólo unos pocos
nanómetros en su ápice (similar a las puntas utilizadas en
microscopios de fuerza atómica) para cincelar el material de un
sustrato y crear un mapa completo a nanoescala 3D del mundo de un
tamaño de una milésima parte de un grano de sal y lo hizo en 2
minutos y 23 segundos. Esta actividad demuestra una metodología
patrón poderosa para generar patrones y estructuras a nanoescala tan
pequeñas como de un tamaño de 15 nanómetros con una gran
reducción de costos, abriendo nuevas perspectivas para campos como
la electrónica, la optoelectrónica y la medicina.
2013 Investigadores de la Universidad de Stanford desarrollan el
primer equipo de nanotubos de carbono.
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Definición de Nanotecnología
La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y
aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la
materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano
escala.
Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas,
demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la
nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos
con propiedades únicas, cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que
tendrían un gran impacto en la industria, la medicina, etc.
Estas nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón,
o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden introducirnos en una
nueva era, tal como señala Charles Vest (ex-presidente del MIT). Los avances
nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con
multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y
social.
La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y
sus aportaciones a la "nanotecnología molecular", esto es, la construcción
de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros
componentes moleculares. Desde entonces Eric Drexler, se le considera uno de los
mayores visionarios sobre este tema. Ya en 1986, en su libro "Engines of
creation" introdujo las promesas y peligros de la manipulación molecular. Actualmente
preside el Foresight Institute.
El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nobel de
Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos
y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los
ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y
conseguir velocidades asombrosas.
Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una segunda
revolución industrial en el siglo XXI tal como anunció hace unos años, Charles Vest.
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Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con
propiedades extraordinarias (desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con
solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones informáticas con componentes
increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir
células cancerígenas en las partes más dedicadas del cuerpo humano como el cerebro,
entre otras muchas aplicaciones.
Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los
grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo.
Nanociencia
La Nanociencia es un área emergente de la ciencia que se ocupa del estudio de los
materiales de muy pequeñas dimensiones.
No puede denominarse química, física o biología dado que los científicos de este
campo están estudiando un campo dimensional muy pequeño para una mejor
comprensión del mundo que nos rodea.
El prefijo "nano" proviene del latín "nanus" de significado "enano". En ciencia y
tecnología "nano" quiere decir 10 elevado a -9.
Esto es: 1 nanómetro = 0,000000001 metros, es decir, un nanómetro es la
millonésima parte de un metro, lo que equivale a un tamaño decenas de miles de
veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
También: 1 milímetro = 1.000.000 nanómetros.
Una definición de nanociencia es aquella que se ocupa del estudio de los objetos
cuyo tamaño es desde cientos a décimas de nanómetros.
Hay varias razones por las que la Nanociencia se ha convertido en un importante
campo científico con entidad propia. Una es la disponibilidad de nuevos instrumentos
capaces de "ver" y "tocar" a esta escala dimensional. A principios de los ochenta fue
inventado en Suiza (IBM-Zurich) uno de los microscopios capaz de "ver" átomos. Unos
pocos años más tarde el Atomic Force Microscope fue inventado incrementando las
capacidades y tipos de materiales que podían ser investigados. En la actualidad hay un
gran número de instrumentos que ayudan a los científicos en el reino de lo nano.
8
En respuesta a estas nuevas posibilidades los científicos han tomado conciencia de
potencial futuro de la actividad investigadora en estos campos. La mayor parte de los
países han institucionalizado iniciativas para promover la nanociencia y la nanotecnología,
en sus universidades y laboratorios. Con los recientes aumentos en los fondos destinados
a este tipo de investigación muchos científicos están llevando a cabo programas de
investigación y la cantidad de descubrimientos y avances científicos se han incrementado
de forma muy importante.
Una de las características que hacen especialmente singular a esta tecnología es
que numerosas propiedades físicas y químicas (elasticidad, color, conductividad eléctrica,
reactividad química,...) de la materia cambian a escala nanométrica, con un
comportamiento diferente a como lo hacen a escala macroscópica.
Nanomedicina
Una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances
tecnológicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándola como rama de
la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del
cuerpo y al nivel celular o molecular.
Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una auténtica
revolución, especialmente: monitorización (imágenes), reparación de tejidos, control de la
evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistemas biológicos humanos;
diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud,
administración de medicamentos a las células, etc. Todos ellos constituirían nuevos
avances tecnológicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y
asistencial.
La descripción de algunos últimos avances científicos lleva a lo que hace poco
sería considerado ciencia ficción dentro de la Medicina. Biosensores, nuevas formas de
administrar medicamentos más directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales
para injertos, entre otras, son algunos de los avances en lo que se trabaja en la actualidad
en multitud de laboratorios de los centro de nanotecnología en todo el mundo.
La Nasa impulsa actualmente programas para el diseño de un prototipo de célula
artificial.
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La nanomedicina se convierte así en una rama fundamental de las prometedoras
aplicaciones de la nanociencia. Probablemente una de las de mayor alcance para el ser
humano. No son pocos los que alertan de riesgos no despreciables que pueden estar
ligados a estos avances.
Nanomáquinas
La nanotecnología intenta minimizar la fabricación con un potencial ahorro de
costes, materias primas, energía, etc. De aquí que aparezca una nueva generación de
máquinas según sus átomos. Algunas de esta nueva generación de máquinas tendrán un
gran impacto potencial en relación con la salud, prevención de enfermedades, etc.
Se trata de un mero campo futurista de la investigación sujeta a la construcción de
un "Ensamblador", esto es, una máquina de construcción que manipula y construye con
los átomos o las moléculas individuales. Uno de los primeros retos de la investigación a
largo plazo de la nanotecnología es la reproducción de un ensamblador en sí mismo
reprogramable. Éste sería un dispositivo que puede hacer una copia completa de sí
mismo a partir de las materias primas y energías dadas. Una arquitectura compleja, pero
no imposible de alcanzar para la nanociencia desde una perspectiva teórica.
Las nanomáquinas constituirían, según expertos, una segunda revolución industrial
para la humanidad y la concepción de una vida muy distinta y en un entorno (ciudad
futura) muy diferente. Las implicaciones sociales, empresariales y políticas tendrían un
largo alcance. Todo esto sin mencionar otros efectos de la nanotecnología relacionados
con cuestiones militares o de defensa en general. Lo "nano" abriría la puerta a potenciales
riesgos o peligros de una entidad desconocida. En todo caso interesa subrayar su
significado para la nanociencia como un paso de gigantes en sus múltiples aplicaciones
en beneficio de la humanidad.
La nanotecnología a nivel mundial
A nivel internacional, EEUU, Corea, Alemania, Japón y China son los países que
más han desarrollado iniciativas agresivas en términos de financiación, educación y
organización de la investigación en nanotecnología. Ejemplos como la National Science
Foundation en EEUU que ha lanzado el plan NNI (National Nanotechnology Initiative) por
el cual se destinan casi 1000 millones de dólares para fomentar, en los próximos cuatro
10
años, la investigación multidisciplinar con objetivos a largo plazo en el área de la
Nanociencia y Nanoingeniería, o en países como Corea la iniciativa fundamentalmente
tiene base industrial (por ejemplo la empresa Samsung dedica más de 500 personas a
desarrollos basados en Nanotecnología en un centro de investigación creado
recientemente).
Por otra parte, en Europa, de forma más modesta, a través de las diferentes
ediciones de los Programa Marco se han dispuesto estrategias para potenciar la
nanotecnología como uno de los elementos impulsores de la economía. Podemos
encontrar ejemplos en Alemania donde el Ministerio de Investigación y Tecnología
(MBFT) estableció ya en 1998 seis centros nacionales de competencia en
Nanotecnología, y con actuaciones similares en Francia o Reino Unido.
La Unión Europea ha lanzado la iniciativa NID (Nanotechnology Information
Devices), dentro del plan IST (Information Society Technologies) y con más orientación
hacia el desarrollo de la Nanoelectrónica.
El volumen de mercado de la nanotecnología a nivel mundial alcanzó los $147
billones en el 2007 y se espera que crezca hasta el trillón1 de dólares (americano) e
incluso alcanzar los 3 trillones de dólares en el 20152.
Los EEUU constituyeron el mayor mercado para la nanotecnología (40%) en 2007,
seguido de Europa (31%). Ambas regiones esperan alcanzar el 35% del mercado mundial
para el 2015.
En términos de ventas globales producción y materiales alcanza el 55%,
electrónica y TI el 23%. Alrededor de 2 millones de trabajadores calificados en
nanotecnología se necesitarán a nivel internacional en el 2015, de los cuales el 50% se
espera que se creen en los EEUU y sólo un 25% en Europa.
Aplicaciones Potenciales
1 Fuente: National Science Foundation estimates see Red Herring (2001): “The Biotech Boom: the view from here”.
2 Fuente: Lux Research Inc. (2009):“Nanomaterials of the Market Q1 2009: Cleantech’s Dollar Investments, Penny Returns”.
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Las dimensiones económicas de los mercados futuros de las diferentes
nanotecnologías están más que justificadas si consideramos la gran variedad de sectores
de aplicación que tienen las mismas. Principalmente se está investigando en:
• Diseño nuevos materiales (nanomateriales)
• Aplicación de la Nanotecnología a la electrónica (nanoelectrónica)
• Medicina (nanobiotecnologia) (nanomedicina) (nanorobótica)
• Energía, para el desarrollo de fuentes menos contaminantes y con una mayor eficiencia
energética.
Apoyos institucionales al desarrollo de la nanotecnología
El progreso en las investigaciones sobre los diferentes aspectos de la
nanotecnología va a depender fuertemente de la implicación de los países que la
identifiquen como oportunidad de fortalecer su economía y por lo tanto, estén dispuestos
a impulsarla.
Europa presenta una dicotomía en el desarrollo de actividades enmarcadas en el mundo
de la nanotecnología. Por una parte, fue consciente muy pronto del potencial de la
nanotecnología por lo que ha conseguido desarrollar una amplia base de conocimientos
en nanociencias y consecuentemente cuenta con algunos de los expertos más
destacados en este campo.
Por otro lado, durante el periodo de 1997-1999, a la UE le correspondía el 32 % de
las publicaciones mundiales, en comparación con el 24 % de los EE.UU. y el 12 % de
Japón, en términos de patentes a la UE le corresponde el 36 % del total mundial, en
comparación con el 42 % de los EE.UU., lo cual viene a manifestar la dificultad que existe
a la hora de transformar los resultados de la I+D en aplicaciones susceptibles de alcanzar
el mercado.
En cualquier caso el nivel de financiación pública de la I+D3 sobre nanotecnología
en
Europa ha pasado de alrededor de 200 millones de euros en el año 1997 al
presente nivel de alrededor de 1.500 millones de euros, de los que aproximadamente dos
tercios corresponden a programas nacionales y regionales. 3 Las siglas I+D, significan Investigación y Desarrollo.
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Es importante evaluar el valor del gasto público absoluto en nanotecnología por ser
uno de los factores que marca una distancia entre la UE y sus competidores.
Durante 2008, la inversión a través de fuentes públicas en Europa en investigación
de nanotecnología fue de $2.6 billones de dólares (aproximadamente un 30% del total
mundial) comparado con los $1.6 billones que se invirtieron en EEUU casi $2.8 billones en
Asia4.
En Reino Unido, Francia y Alemania disponen de programas muy consolidados de
inversión pública en nanotecnología lo que ha facilitado el impulso de esa tecnología en
esos países.
Adicionalmente el 7º Programa Marco proporciona cerca de 500 millones de euros
anualmente para inversiones en Nanociencia, Nanotecnología, Materiales y nuevas
Tecnologías de la Producción (con el acrónimo NMP).
En Europa alrededor de 240 centros de investigación y 800 empresas se dedican a
la investigación y desarrollo (I+D) de la nanotecnología5.
Estos datos son comparables con los planes del US National Nanotechnology
Initiative (NNI) de mantener la inversión en esta área:
• 2008: $1,549 millones (efectiva)
• 2009: $1,654 millones (estimados)
• 2010: $1,636 millones solicitados
En cuanto a la inversión privada en I+D cabe decir que en Europa no alcanza los
$1.7 billones comparados con los $2.7 billones invertidos en EEUU o los $2.8 billones en
Asia.
En este aspecto Europa tiene que revisar sus políticas de colaboración para
mejorar las cifras a partir del actual 7º Programa Marco de forma que convierta la
excelencia en investigación en elementos, servicios y capacidad laboral de alto valor
añadido, así como posiciones competitivas en los sectores industriales en crecimiento.
4 Lux Research Inc.(2009): “Nanomaterials of the Market Q1 2009: Cleantech’s Dollar Investments, Penny Returns”5 Conseil Economique et Social France (2008) "Les nanotechnologies" and AFSSET (2008):"Les nanomatériaux: sécurité au travail"
13
En Gran Bretaña, el gobierno subvencionó más de 100 millones de libras esterlinas
por año la investigación en nanotecnología y ha abierto 23 nuevos centros de
comercialización para la nueva tecnología que producen más de 1300 empresas.
Recientemente por iniciativa de la Gran Bretaña ha puesto en marcha un comité técnico
ISO en Nanotecnología.
En el caso de Japón, se incluyó la nanotecnología entre sus prioridades de
investigación en el año 2001. Los niveles de financiación anunciados se han
incrementado considerablemente y han superado el gasto federal de los EE.UU., al pasar
de 400 millones de dólares en el año 2001 a alrededor de 800 millones en el año 2003
con un aumento lineal del 20% del gasto.
Corea del Sur se ha embarcado en un ambicioso programa decenal dotado con
aproximadamente 2.000 millones de dólares de financiación pública mientras que
Taiwán ha comprometido aproximadamente 600 millones de dólares de fondos
públicos para un programa de seis años.
China dedica cada vez más recursos a la nanotecnología, lo que es particularmente
significativo si se tiene en cuenta su poder adquisitivo. El porcentaje de las publicaciones
a nivel mundial correspondiente a China aumenta rápidamente, con un índice de
crecimiento del 200% a finales de los años noventa, y se está equiparando con los de la
UE y EE.UU. El mercado de nanotecnología chino superó los $1,827 millones en el 2005
y está proyectado que supere los $4,000 millones en el 2010. En Nanoalimentación, las
inversiones que se esperan son de $20.4 billones en el 2010 con un ritmo de aceleración
del 30,94% anualmente.
Muchos otros países y regiones prestan cada vez mayor atención a la
nanotecnología, entre los que podemos señalar: Australia, Canadá, India, Israel,
Latinoamérica,
Malasia, Nueva Zelanda, Filipinas, Singapur, Sudáfrica y Tailandia.
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Avances tecnológicos que cambiarán el mundo
Estamos en la sociedad del conocimiento y algunos grandes avances, nuevos
inventos y descubrimientos progresarán exponencialmente. Las universidades más
prestigiosas como el MIT (Technology Review) ya identifican "lo último" y más nuevo en
tecnología e investigación.
La biología (biotecnología), nanotecnología e infotecnología tienen y tendrán un
protagonismo importante en los últimos progresos y adelantos alcanzados. En pocos
años, la innovación tecnológica puede hacer posible hasta una segunda revolución
industrial con la construcción de nanomáquinas. Las presentamos las novedades
científicas más importantes a nuestros usuarios, desde la mecatrónica a las redes de
sensores.
Las diez tecnologías avanzadas que cambiarán el mundo (según el MIT)
Redes de sensores sin cables.
Ingeniería inyectable de tejidos.
Nano moléculas solares.
Mecatrónica.
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Sistemas informáticos Grid.
Imágenes moleculares.
Litografía Nanoimpresión.
Software fiable.
Glucómicas.
Criptografía Quantum.
La humanidad está dando pasos agigantados en relación con otras épocas
pasadas. Clonación, nanotecnología, biotecnología absorben astronómicos presupuestos
con retos que se resuelven en invenciones que rozan algunas aportaciones de la ciencia
ficción.
Hasta la Química, la Nanomedicina y los físicos tendrán que administrar nuevas
invenciones que, pese a decisivos avances científicos y tecnológicos, pueden poner en
peligro a la humanidad.
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Bibliografía
Euroresidentes (s.f). ¿Qué es la Nanotecnología? Recuperado el 16 de junio de
2015, de
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm
Parque científico, tecnológico y empresarial de la Universidad Jaume I de Castellón
(2009). Situación de la nanotecnología en la comunidad valenciana. Recuperado el
17 de junio de 2015, de
http://www.cierval.es/fileadmin/user_upload/publicaciones/informes/
nanotecnologia.pdf
