1

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Enseñanza de Nanociencia y Nanotecnología con un

enfoque STEM

Ivonne Rosales Chávez1, Laura Saldivar Tanaka2, Mónica Anzaldo Montoya3

1Facultad de Química, UNAM, 2Egresada de El Colegio de México, 3Conacyt-El Colegio de San Luis, A.C.

2

3

Dra. Laura Saldívar Tanaka

•Lic. en Biología, UNAM; Maestra en Ciencia Cornell University

•Investigadora independiente

Temas de investigación: Política pública en materia ambiental y de ciencia ytecnología; regulación de riesgos tecnológicos, con énfasis en nanotecnología;desarrollo alternativo y sustentable; manejo comunitario de recursosnaturales; gobernanza ambiental; métodos participativos (diagnóstico,planeación, ordenamiento y evaluación); género y desarrollo; educaciónambiental; producción y promoción de la agroecología.

Asociaciones: Comité Técnico de Normalización Nacional en Nanotecnología(CTNNN); Redes temática CONACYT Nanociencia y Nanotecnología yConvergencia

• Licenciada en Relaciones Internacionales (UDLAP) y Doctora en Desarrollo Científico y Tecnológico para la Sociedad por el CINVESTAV

• Investigadora CONACYT-El Colegio de San Luis

• Temas: estudios sociales de la CyT, políticas de CTI, gobernanza de las nanotecnologías, soberanía alimentaria y conocimientos científicos.

• Miembro de la Red Latinoamericana de Es. Sociales de las NT y Comité Técnico Nacional en Nanotecnologias (CTNNN)

4El Colegio de San Luis

5

Dra. Ivonne Rosales Chávez

• Lic. Química y Dr. en Ciencia e Ingeniería de Materiales

• Catedrático UNAM

Temas de investigación: Arqueometría, cristalografía & Relacionescristalográficas grupo-subgrupo, nanociencia, especialización en técnicas deanálisis de superficie como MEB – MSB-MFA

Asociaciones: International Union of Crystallography, CTNNN – Comité deNormalización Internacional Espejo de la ISO, Red Temática de Nanociencias yNanotecnología de México

6

nanociencia & nanotecnología

7

Crema facial

1. ¿Por qué presentan dichaspropiedades?

2. ¿De qué están hechos?

Átomo Molécula Virus Bacteria Célula Línea Pelota de tenis

Imagen adaptada de:

¿Qué es la nanoescala?

Nanomateriales

9

Microscopio electrónico

de transmisión

Microscopio electrónico

de barrido con electrones

Microscopio de fuerza atómica

Átomo Molécula Virus Bacteria Célula Línea Pelota de tenis

Imagen adaptada de:

¿Qué es la nanoescala?

Nanomateriales

1 nm =1 x10-9 m

doi: dx.doi.org/10.21521/mw.6046

Mucha, A & Janecsek, M

11

SARS-COV280-220 nm

2020

SARS-COV280-220 nm

2020Virus

12

Vírus gripe aviar, H5N1

Nanociencia

Ciencia interdisciplinaria:Física-Química-Biología-Ingeniería...

13

La nanotecnología permite realizar el diseño y fabricación deestructuras o materiales en la nanoescala con múltiples aplicacionesa partir de moléculas, partículas, etc.

• medicina• ingeniería• ciencia de los materiales • ciencia de la computación• biología• virología

Nanotecnología

Bottom up

Top down

Nanomateriales

14

Vírus Covid-19

• vacunas • desinfectantes • diagnósticos

15

Recubrimiento de TiO2 nanométrico que neutraliza odescompone compuestos orgánicos volátiles y óxido denitrógeno que hay en el aire contaminado, permitiendo laautolimpieza de la superficie

TiO O

https://modelosparametricos.wordpress.com

Edifícios come smog

16

Crema facial

1. ¿Por qué presentan dichaspropiedades?

2. ¿De qué están hechos?

17

Tabla periódica de

los elementos químicos

Dmitri Mendeléyev

18

Construyendo bloques para la nanotecnología del mañana

19

Hidrógeno - H

Calcio - Ca

Carbono - C

Oxígeno - O

Nitrógeno - N

Cloro - Cl

Idea basada en el trabajo “Chemistry with Lego” desarrollado por Riccardo Bonomi y proyectos educativos del Edgerton Center del MIT

LEGO

20

Base

O8

N7

C6

F9

He2

Ne10

IVA VA VIA VIIA

VIIIAX Y

Regla del octeto

Valencia (química)

Electrones implicados en elenlace con otros átomos

21

Agua

OH

HOH

H

OH

H

OHH

OHH

OHH

Molécula de agua, H2O

H O H

22

Sal

Na Cl

Molécula de agua, NaCl

Na Cl

23

1-D nanotubos

C6

carbono

Ti22

titanio2-D película delgada

0-D nanopartículas

Nanoestructuras

3-D nanocristales

24

Uso de anticuerpos como constructores de nanotecnología

Estructuras con dimensiones nanométricas (1x10-9 m)

25

Estructuras y moléculas de tamaño nanométriconaturales, incidentales o sintetizadas

Enlace iónico compuestos

Enlace covalentemoléculas

NaCl

Nanomateriales

26

nanociencia & nanotecnología

27

Productos en los principales sectores:

Electrónica: 1925

Medicina: 1065

Construcción: 838

Cosméticos: 828

Textil: 765

Automotriz: 628

Ambiental: 547

•8879 productos

Fig. Principales NM usados en productos por sector industrial

https://product.statnano.com/

Aplicaciones

Desinfección y control de propagaciónSuperficies auto desinfectantes, con materiales que contienen polimeros con NP de metales como cobre, plata y zinc

Productos desinfectantes que contienen NM, aparentemente menos tóxicos y mas eficientes que los existentes. •Nano-plata: antibacterial y antiviral HIV •Nano-cobre: efectivo contra el virus HuCoV229E

NMs en equipo de protección personal (PPE):• Mascarillas• Filtros de aire • Textiles para los uniformes de protección• Equipo para rastrear contagio

Aplicaciones Vs. COVID-19

NM con propiedades antivirales y antimicrobianas, matan o inactivan bacterias, hongos y levaduras

Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406 https://product.statnano.com/industry/medicine

Diagnostico y monitoreo

Pruebas de diagnoticos altamente específicos, sensibles y rápidos, utilizan la NT y los NM.

•NP de oro o grafenos con anticuerpos como indicadores.

•NP de oro en bio-sensores

Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406

Los nano-biosensores son una alternativa a los equipos de laboratorio, para análisis clínicos y ambientales

https://media1.picsearch.com/is?vxzpvnicTs9D8kwzYaHD_CXqBp0scA2PeV3458lHsG4&height=181

https://media5.picsearch.com/is?uJgiA95zKITctEOguRYGdaK-lgimL0yv66ngLHAagHA&height=253

Aplicaciones Vs. COVID-19

31

Diagnostico y monitoreo

Pruebas de diagnoticos altamente específicos, sensibles y rápidos, utilizan la NT y los NM.

•NP de oro o grafenos con anticuerpos como indicadores.

•NP de oro en bio-sensores

Aplicaciones Vs. COVID-19

Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406

Los nano-biosensores son una alternativa a los equipos de laboratorio, para análisis clínicos y ambientales

https://media1.picsearch.com/is?vxzpvnicTs9D8kwzYaHD_CXqBp0scA2PeV3458lHsG4&height=181

https://media5.picsearch.com/is?uJgiA95zKITctEOguRYGdaK-lgimL0yv66ngLHAagHA&height=253

Weiss, 2020 ASCnano 14, 6383−6406

Ataque y desactivación del SARS-CoC-2 en pacientes- Farmacos con NMs en aerosoles que puedan penetrar en los pulmones ya infectados. Vacunas suministradas por nano-portadores no toxicos ni inmunogénicos y que evadan a los fagocitos.

Fig. NM para neutralizar virus y elaborar vacunas e inmuno moduladoresSuprimir la respuesta inmunológicaLa NT puede ser usados para regular la respuesta inmunológica: 1.Suministrando inmunosupresores a celulas y organos específicos.

2.Nano-herramientas diseñadas explicitamente para modular el sistema inmunológico

Aplicaciones Vs. COVID-19

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Necesidad de estudios que prueben su innocuidad

Convergencia Equipos multi e interdisciplinarios e internacionales que buscan soluciones a esta crisis que nos afecta a todos, sin embargo es escencial llevar a cabo estudios de:

•Nano-eco-toxicidad. Los NMs suelen tener propiedades nuevas respecto a sus homologos de mayor tamaño, se aglomeran y agregan y pueden acumularse y biodegradarse de forma diferente.

•Aspectos Eticos, Legales, Sociales y Ambientales (ELSA). • Nano Bio dilemas éticos;• Costos de la investigación en NC y NT es muy costosa• Posibles efectos medio ambientales, poco estudiados sobre los efectos que la industria NT

pueda tener a lo largo de su ciclo de vida, desde la extracción hasta la disposición de desechos.

Necesario asegurar que no existan efectos no deseados y se desarrolle bajo la lógica de una ciencia y tecnología e innovación responsables (RCTI)

Rip 2011; Kjølberg K.L & Roger Strand 2011; Stilgoe et al. 2013

34

Ejemplos de lecciones tardías de avisos tempranos:. Benceno. Clorofluorocarbonos. Plomo en gasolina. Mercurio - Enfermedad de Minamata. Humo del cigarro. DDT. PCB. Cambio climático. Asbesto. Organismos Genéticametne Modificados. Radiación de celulares. Nanotecnología

NP Ag – Bactericida - daño en invertebrados acuáticos•¿Podría crear más resistencia a antibiótico?•¿Podría llegar a cuerpos de agua y afectar bacterias benévolas? •¿Qué otros efectos a la salud puede tener?

NTC – Parecido a las fibras de asbesto, daño mitocondrial, ADN, estrés oxidativo.

TiO2_ Traspasa la piel y las membranas celulares,

potencialmente inflamatorio, induce estrés oxidativo

Otras NPs y grafeno – inflamación, citotoxicidad, estrés oxidativo, daño ADN, mitocondria y pared celular.¿Pueden tener efectos similares a otras partículas ultra finas si se liberan en al aire?

Avisos tempranos

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Necesidad de regulaciones que nos protejan de posibles efectos no deseados

Enfoques de cómo se debería de regular:Nueva regulación – Especifica tipo “Nano-Act”, “Ley de nanoseguridad”Incremental – Modificar lo existente

Regulación existente nanoespecífica:Obligatoria / dura: Regulación Europea:

• Reglamento de químicos (REACH) • Etiquetado en Reglamentos de cosméticos, información alimentara, biocidas.

Voluntaria / suave : registros, etiquetado voluntarios, códigos de conducta, sistemas de manejo de riesgo, estándares técnicos •Unión Europea, Code of conduct for responsible nanosciences and nanotechnologies research•México: Normas mexicanas técnicas (NMx) •Normas ISO TC-229, 81 publicadas •Guías OCD – métodos de prueba y evaluación del riesgo a la salud y el ambiente

Tipos: Reactivo vs. Preventivo vs. Precautorio Saldívar, 2018, 2019, 2020

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Necesidad de utilizar un enfoque precautorio

Incertidumbre respecto a los efectos de los NMs.

El Principio de Precaución ayuda a tomar decisiones políticas en situaciones de gran incertidumbre.

1. Evaluación del riesgo objetiva y por expertos

2. Gestión del riesgosubjetiva, normativa,

respuesta política

SRU, 2011; Gee, 2013; Hansen, et al, 2013

Razones para llamar al PP•Datos de toxicidad/ecotoxicidad intrínseca•Novedad (es decir, baja relación conocimiento/ignorancia)•Persistencia ecológica o biológica•Potencial de bioacumulación•Amplio rango espacial en el entorno (potencial para la dispersión global).•Gravedad de los peligros potenciales•Irreversibilidad de peligros potenciales•Pruebas análogas de peligros conocidos•Distribución no equitativa de los impactos peligrosos en regiones, personas y generaciones particulares•Disponibilidad de alternativas factibles

Medidas bajo el PP:•Aumentar estudios sobre posibles riesgos $•Informar al público (etiquetado, educación)•Promover la participación de otros sectores en la toma de decisiones•Limitar liberación al ambiente•Limitar exposición a los consumidores•Limitar exposición laboral•Negar autorizaciones•Moratoria•Prohibición

37

El contrato social de la ciencia y la tecnología es un acuerdo tácito a través del cual la sociedad sostiene el

apoyo a la investigación científica a cambio de innovaciones que beneficien a la colectividad

38

El contrato social de la ciencia y la sociedad

Fuente: Traducido de Guston, 2000

Política

Ciencia

Recursos Públicos

Innovaciones

0.557

2.141

4.528

0.354 0.393 0.388 0.398 0.369 0.398 0.444 0.48 0.495 0.471 0.421 0.425 0.435 0.43 0.388 0.328 0.313

2.379

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

ARG CHN EU28 JPN KOR MEX OECD USA

Fuente: Elaboración propia con datos de OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020

Intensidad del gasto en I+D: Porcentaje del PIB, 2000-2018

MEX

OCDE

Gasto en I+ D por sector en países de la OCDE, 2007-18

71% del total del gasto en I+D en los países miembros de la

OCDE proviene del sector industrial

Fuente: elaboración propia con base en RICYT, http://www.ricyt.org/category/indicadores/

Gasto en I+D en México, 2017

En Mx, durante el periodo 2012-2018, 13% del

gasto en I+D se destinó a apoyar al Programas de

Estímulos a la Innovación (empresas)

Fuente: OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020

Direccionalidad del gasto en I+D de los países de la OCDE, 1990-2018

Fuente: OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020

Implicaciones de la política científica

Los recursos a la I+D no están necesariamente

orientados a temas apremiantes de interés social.

En general, las I+D del sector privado priorida temas

de interés corporativos o de actores cercanos.

La PCTI permite establecer prioridades de

investigación nacionales y locales

La PCTI puede orientar las agendas de investigación

individuales

Disponer recursos en temas de investigación

desplazados (undoing science)

Generar una política de análisis de riesgos derivados

de las tecnociencias42

• A partir de la década de los 80-90’s el

contrato social entre la ciencia y la

sociedad comienza a cuestionarse….

Expertos, riesgo y democracia

Encuesta realizada en 2007 a nanotecnólogos y público en general muestra la diversidad de puntos de vista sobre los efectos sociales de las NT.

43Scheufele, D. “Scientists worry about some risks more than the public” Nature Nanotechnol. 2,

732–734 (2007).

¿Es la evaluación de las nanotecnologías una tarea solo de los expertos?

La evaluación de las NT es un asunto técnico pero sobre todo político y cultural, por lo cual, las decisiones deben tomarse en lo posible, en procesos democráticos.

Los expertos no son electos y se presenta el problema de muchas manos.

Sarewitz (2015) Science can’t solve it, Nature.

Se ha puesto atención en cómo los

científicos pueden comunicar sus ideas a la

sociedad, pero se discute poco acerca de

cómo hacer que la ciencia escuche a la

sociedad.

¿Politizar las nanotecnologías?

• La politización implica cuestionar las relaciones de poder previamente incuestionadas y ausentes de la esfera política.

• Se politiza aquello que requiere discutirse en la arena pública, generalmente para dar cuenta de las injusticias.

• Significa revelar conflictos latentes o crear nuevos conflictos en la toma de decisiones políticas (Brown, 2009)

45Brown (2009) Three Ways to Politicize Bioethics, The American Journal of Bioethics

Nanotecnología en la Agricultura y Alimentación

NANOALIMENTOSTodo alimento cultivado, producido, procesado o envasado mediante el empleo de técnicas o herramientas nanotecnológicas, o al cual se

le han agregado nanomateriales manufacturados” (Joseph y Morrison, 2006)

AGRICULTURA

PESTICIDAS

Productos químicos de nueva generación

que se utilizan para la protección de

cultivos en la agricultura.

Los plaguicidas se encapsulan mediante

nanopartículas para minimizar las dosis de

plaguicida que se utilizan en el cultivo y obtener

el máximo efecto con una acción más específica

de los plaguicidas

FERTILIZANTES

Productos químicos que proporcionar a las

plantas nutrientes esenciales que no

encuentran en el suelo.

La liberación controlada de NF puede aumentar

significativamente la eficiencia del uso de

nutrientes

ALIMENTACIÓN

ENCAPSULACIÓN Y

ENTREGA DE

NUTRIENTES EN LOS

ALIMENTOS

Las nanopartículas se utilizan para encapsular o

encerrar vitaminas u otros nutrientes y llevarlos a

través del estómago directamente al intestino para

ser absorbidos por el torrente sanguíneo. Esto

significa que no se descomponen en el estómago

y, por lo tanto, el cuerpo puede utilizarlos para

mejorar la salud.

Aumentar las propiedades nutricionales de los

alimentos.

Mejorar la biodisponibilidad de sustancias en el

organismo

Suplementos alimenticios

EMPAQUETAMIENTO

DE ALIMENTOS

Desarrollo de contenedores / envases de

alimentos que eliminan los gérmenes que

hacen que los alimentos se desprendan.

Se desarrollan envases con propiedades

antimicrobianas.

Mejorar la inocuidad de los alimentos

Aumentar el tiempo de conservación de

alimentos

Fuente: con base en Peters, et al., (2014) 46

47

• +600 productos

• + 200 Compañías

• Países: India, UK, Alemania, Estados Unidos, Brasil

• Mercados importantes:

fertilizantes, medicamentos veterinarios, alimento para animales en el sector pecuario, reguladores del crecimiento de las plantas, suplementos alimenticios, empaquetado de alimentos.

Fuente: Nanotechnology products data base

Aplicaciones de las NT en la Agricultura y Alimentación

Régimen Agroalimentario Corporativo (McMichael, 2009; 2015)

48

Soberanía Alimentaria

¿Qué está en juego?

¿Cómo GOBERNAR las nanotecnologías para impulsar un sistema agroalimentario que apoye la soberanía

alimentaria?

DERECHO de los pueblos a la tierra, a los mercados, alimentos sanos, culturalmente apropiados y producidos localmente

Agradecemos su atención

Ivonne Rosales Chávez-FQ-UNAM

ivonne.rosales.ch@química.unam.mx

Laura Saldívar Tanaka-Egresada COLMEX

lsaldivar@colmex.mx

Mónica Anzaldo Montoya-CONACYT-COLSAN

monica.anzaldo@colsan.edu.mx

49

50

http://www.mi2g.co.uk/cgi/mi2g/frameset.php?pageid=http%3A//www.mi2g.co.uk/cgi/mi2g/press/110210.php

https://www.openpr.com/news/587032/flexible-thin-film-and-printed-battery-market-analysis-and-industry-forecasts-2014-2022.html

https://www.nano4life.ec/

https://alonetog3ther.wordpress.com/2019/08/27/review-innisfree-blueberry-rebalancing-watery-sun-cream-spf45-pa/

https://www.ecomundo.eu/en/blog/nanomaterials-in-cosmetics

https://uwaterloo.ca/tsinghua-uwaterloo-joint-research-centre-micro-nano-energy-environmental-technology/tsinghua-waterloo-joint-forum-advances-energy-and/

https://www.youtube.com/watch?v=8RKjzYW5Bhg

https://www.youtube.com/watch?v=8RKjzYW5Bhghttps://edgerton.mit.edu/k-12/teacher-resources/k-12-curriculum/atoms-molecules/understanding-air

https://tenor.com/es/ver/bricks-lego-fixing-gif-13642468

Referencias

• https://product.statnano.com/• Weiss (2020) Toward Nanotechnology-Enabled Approaches against the COVID-19 Pandemic. ASCnano 14,

6383−6406 • Kjølberg K.L & Roger Strand (2011) Conversations About Responsible Nanoresearch. Nanoethics 5:99–113• Rip (2011) . (2011). The past and future of RRI. Life Sciences, Society and Policy 10: 17• Stilgoe et al., (2013) Developing a framework for responsible innovation. Research Policy 42 1568- 1580.• Saldívar-Tanaka, L. (2019). Regulando la nanotecnología. MundoNano. Vol. 12, No. 22, enero-junio: 1e– 21e.

http://dx.doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2019.22.63140• Saldívar-Tanaka, L. (2020). Regulación blanda, normas técnicas y armonización regulatoria• internacional, para la nanotecnología. MundoNano. 13 (24): 1e-27e enero–junio.

https://doi.org/10.22201/ceiich.24485691e.2020.24.69621• Saldívar-Tanaka, Laura (2019) “Regulando lo invisible. Necesidad del principio de precaución en la política de

nanotecnología en México”. Tesis doctorado CEDUA El Colegio de México, 310p.• Gee D. (2013). More or less precaution?. In: European Environmental Agency (EEA). Late lessons from early

warnings: science, precaution, innovation. EEA Report No 1/2013. 764p.• German Advisory Council on the Environment (SRU, 2011). Precautionary Strategies for managing nanomaterials.

Chapter 7: Conclusions and Recommendations. June: 1-40.• Hansen S. F., Maynard A., Baun A., Tickner, J.A. & Bowman D. M. (2013a). Nanotechnology — early lessons from

early warnings. En: EEA (2013). Late lessons from early warnings: science,precaution, innovation. EEA Report No 1/2013: 530-559.

Referencias

Referencias

Guston, David (2000) Between Politics and Science: Assuring the Integrity and Productivity of Research (Cambridge U. Press)

OECD Main Science and Technology Indicators Database, Feb 2020

Sarewitz, D. (2015). CRISPR: Science can't solve it. Nature, 522(7557), 413-414.

Scheufele, D. “Scientists worry about some risks more than the public” Nature Nanotechnol. 2, 732–734 (2007).

https://statnano.com/