Resumen ejecutivo
- La nanotecnología es uno de los campos de investigación más activos y transversales de la ciencia moderna. CAS ha indexado aproximadamente 3 millones de revistas, patentes, prepublicaciones y actas de congresos publicadas desde 2003 que tratan temas a nanoescala, con aplicaciones que abarcan la administración de fármacos, el diagnóstico, la energía, la remediación ambiental y la electrónica.
- El comportamiento único de los materiales a nanoescala, que incluye relaciones superficie-volumen muy elevadas y propiedades de conductividad, ópticas y catalíticas ajustables, permite a los investigadores diseñar partículas para funciones específicas mediante el ajuste de su tamaño, forma y composición.
- Las áreas de aplicación de mayor crecimiento incluyen los nanogeneradores que recolectan energía para sensores vestibles, la catálisis para la reducción y captura de CO2, las vacunas basadas en nanopartículas que utilizan liposomas y otros transportadores, las nanoenzimas que imitan a las enzimas naturales y las biotintas que contienen nanopartículas para la bioimpresión 3D de tejidos y órganos.
- Entre los materiales emergentes, los MXenos (compuestos inorgánicos 2D adecuados para baterías y catálisis), los marcos orgánicos covalentes (catalizadores poliméricos porosos), las nanovesículas para la administración de fármacos y el diagnóstico por imagen, las nanopartículas de lignina para el transporte de fármacos y el biocarbón para la purificación del agua están experimentando un crecimiento notable en su producción científica.
Innovaciones en nanotecnología y ciencia de materiales
La nanociencia, el estudio de los materiales y fenómenos a escala nanométrica, es una disciplina emergente en la intersección de la física, la química, la biología y la ingeniería que tiene profundas implicaciones en muchos sectores. Las nanopartículas, aquellas que se encuentran entre 1 y 100 nm, están impulsando la investigación en este campo. Sus usos potenciales son tan variados que puede resultar difícil determinar dónde deben centrarse los esfuerzos de investigación o en qué campo podría producirse el próximo avance.
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Desde la administración de fármacos hasta la remediación ambiental, las posibles aplicaciones de los nanomateriales parecen infinitas. Esta amplitud plantea retos a los investigadores que tratan de comprender los descubrimientos más relevantes y las nuevas direcciones importantes. Para revelar las tendencias más significativas en la investigación en nanotecnología, aplicamos una novedosa combinación de procesamiento de lenguaje natural (PLN) y una extensa curación manual por parte de expertos en la materia a la CAS Content CollectionTM, el mayor repositorio de publicaciones científicas curado por humanos.
Esto nos permitió desarrollar visualizaciones únicas, denominadas CAS TrendScapeTM, de las tendencias y temas de investigación en nanotecnología. Con una comprensión más profunda de cómo evoluciona la nanotecnología, los investigadores pueden centrar sus esfuerzos, aprender de sus colegas y encontrar su próxima innovación más rápidamente.
Las ventajas de los nanomateriales
A nanoescala, los materiales exhiben propiedades y comportamientos únicos que son distintos de sus homólogos a gran escala o macroescala. Los investigadores pueden adaptar sus propiedades clave variando el tamaño, la forma y la composición para lograr funciones específicas o hacerlos adecuados para aplicaciones en electrónica, medicina, energía y remediación ambiental.
Por ejemplo, la elevada relación superficie-volumen de los nanomateriales mejora la actividad catalítica, la capacidad de almacenamiento de carga y la capacidad de almacenamiento de iones, que son importantes en las aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía. Al desarrollar nanomateriales, los investigadores pueden especificar su conductividad, actividad catalítica, propiedades ópticas, punto de fusión, banda prohibida y más. La capacidad de personalizar las propiedades, combinada con su pequeño tamaño, hace que los nanomateriales sean valiosos para aplicaciones biomédicas como la administración de fármacos y los sensores.
CAS TrendScape de nanomateriales
Dadas sus numerosas aplicaciones posibles, el volumen de publicaciones de investigación relacionadas con los nanomateriales es grande: nuestro análisis identificó 3 millones de revistas, patentes, prepublicaciones y actas de congresos publicadas desde 2003 que contienen temas a nanoescala. Dado este volumen, el análisis manual para encontrar tendencias sería desalentador. En su lugar, utilizamos el análisis de PLN para identificar de forma más rápida y eficiente los conceptos que crecen significativamente en la literatura y visualizarlos en los mapas CAS TrendScape.
El CAS TrendScape es una herramienta útil que ofrece a los lectores una visión panorámica del vasto campo de la nanociencia. Al organizar grandes cantidades de información en una jerarquía estructurada, proporciona una visión general visual y fácil de interpretar de este ámbito.
Para desarrollar estos mapas, nuestro primer paso fue simplificar el análisis de palabras clave reduciendo las variaciones de las palabras (piense en «bailar», «bailando» y «bailó», que son palabras distintas pero transmiten el mismo concepto). A continuación, utilizamos técnicas de preprocesamiento de texto de lematización y derivación (stemming) en el Natural Language Toolkit (NLTK) sobre todas las secuencias de palabras, conocidas como n-gramas, que contenían de dos a seis palabras procedentes del resumen y el título de todos los documentos. Además, solo tuvimos en cuenta las frases presentes en más de 100 documentos.
Este proceso redujo el campo a poco más de 300 000 frases candidatas. A partir de ahí, determinamos el número de documentos en los que aparecía cada frase anualmente y calculamos la tasa de crecimiento interanual de publicaciones para cada una. Una tasa de crecimiento de publicaciones elevada suele indicar que un tema está ganando interés o inversión.
Nuestro equipo de científicos se centró en las 20 000 frases con las tasas de publicación más altas promediadas entre 2020 y 2022 para realizar una evaluación manual exhaustiva. De este modo, pudimos analizar una gran cantidad de información y pasar de millones de documentos a una imagen clara de las áreas de investigación más activas. El resultado es la visualización CAS TrendScape de temas con sus correspondientes números de publicaciones (véanse las figuras 1, 2 y 4).
Nuevas aplicaciones de la nanotecnología
Nuestro análisis reveló varias aplicaciones importantes que destacan por su crecimiento relativo y volumen de publicaciones en los últimos años (véase la figura 2).
Un ejemplo son los nanogeneradores, que generan energía eléctrica a partir del movimiento mediante la separación de cargas que se produce cuando dos superficies interactúan o a través de la deformación. Su creciente frecuencia en la literatura parece estar impulsada por su capacidad para alimentar dispositivos portátiles como sensores.
También observamos que los nanomateriales se estudian en el contexto de la catálisis para reducir el CO2 a productos químicos útiles o para capturarlo y almacenarlo. La reducción de CO2 se lleva a cabo mediante procesos electrocatalíticos, fotocatalíticos y de catálisis térmica heterogénea.
Las ciencias de la vida y las aplicaciones biomédicas también han impulsado un crecimiento significativo en la nanotecnología, especialmente en vacunas, nanozimas y biotintas. Las vacunas basadas en nanopartículas son un área de investigación emergente que utiliza liposomas, nanogeles, micelas y otras nanopartículas como vehículos de administración de antígenos y adyuvantes. Las nanovacunas también pueden ser valiosas como formulaciones inmunoterapéuticas contra el cáncer.
Las nanozimas son nanoestructuras sintéticas que imitan a las enzimas naturales, pero su estabilidad, sus propiedades catalíticas ajustables y su capacidad de producción a gran escala ofrecen ventajas sobre sus homólogas naturales. Las biotintas que contienen nanopartículas pueden utilizarse en bioimpresión 3D, una emocionante gama de aplicaciones que incluye la creación de andamios para cultivos celulares y la impresión 3D de órganos. Estos casos de uso demuestran el inmenso potencial de las nanopartículas en la biomedicina.
Para visualizar mejor el interés por estas aplicaciones, las representamos gráficamente en función de sus tasas de crecimiento desde 2019 (véase la figura 3). Los conceptos de crecimiento más rápido se encuentran en la sección superior izquierda: se hace referencia a ellos en menos publicaciones, pero tienen una tasa de crecimiento elevada. La brecha entre el número relativamente bajo de publicaciones y el aumento aparentemente repentino y rápido de las mismas puede ser indicativo de su emergencia. Los conceptos más maduros con tasas de crecimiento más bajas se encuentran en la parte inferior derecha.
Materiales críticos en nanotecnología
Cuando examinamos con más detalle la rama de Materiales del CAS TrendScape, surgen varios conceptos clave (véase la figura 4).
Los MXenos son materiales inorgánicos 2D que despiertan un interés creciente debido a sus usos en electrocatálisis, fotocatalisis y baterías. Son muy adecuados para estas aplicaciones gracias a su gran superficie, su conductividad eléctrica y su capacidad para combinarse con otros materiales a nanoescala, como los nanotubos de carbono.
También observamos que las estructuras orgánicas covalentes (COF, por sus siglas en inglés) son materiales emergentes en la nanotecnología. Las COF son redes poliméricas porosas 2D y 3D formadas por uno o más monómeros unidos covalentemente que actúan como catalizadores. Dado que los catalizadores son una aplicación clave de la nanotecnología, tiene sentido que las COF experimenten un crecimiento complementario en este campo.
En relación con las aplicaciones biomédicas, observamos varios materiales que están surgiendo en la literatura. Las nanovesículas compuestas de lípidos, polímeros, proteínas o una combinación de ellos son un área de investigación activa para la administración de agentes terapéuticos o de contraste para imágenes.
Otros dos materiales naturales utilizados en nanopartículas están ganando terreno. El primero es la lignina, un polímero orgánico complejo presente en las células vegetales que aporta soporte estructural y rigidez. Las nanopartículas de lignina pueden emplearse como vehículos de administración de fármacos mediante la encapsulación de principios activos.
El segundo material natural es el biocarbón, que se obtiene mediante la pirólisis de biomasa. Su aplicación más destacada es la eliminación de contaminantes del agua, incluidos metales pesados y compuestos orgánicos. La capacidad de adsorción del biocarbón puede mejorarse modificándolo con metales u otros productos químicos.
Al igual que en nuestro análisis de aplicaciones, hemos representado los materiales en función de sus tasas de crecimiento para visualizar tanto los temas nuevos con un alto crecimiento como los más consolidados (véase la Figura 5).
Encontrar la información relevante
El futuro de la investigación en nanomateriales es extremadamente prometedor, y resulta evidente que aplicaciones que abarcan desde la energía hasta la medicina pueden beneficiarse de los avances en nanotecnología. Sin embargo, el volumen y la diversidad de la investigación en ciencia de materiales demuestran por qué es necesaria la combinación de tecnología y experiencia humana para identificar eficazmente tendencias e ideas emergentes.
El uso conjunto del procesamiento de lenguaje natural (PLN) y la curación humana es más eficiente y proporciona respuestas más pertinentes que cualquiera de estos métodos por separado. En un campo tan variado como la nanotecnología, la capacidad de filtrar el ruido y analizar millones de documentos es fundamental. La próxima aplicación o material revolucionario se oculta en el panorama de la investigación emergente, y CAS trabaja a diario con innovadores aplicando su experiencia en gestión del conocimiento y la tecnología más avanzada para descubrirlos.
Para más información, consulte el artículo de ACS OMEGA titulado "Nanoscience in Action: Unveiling Emerging Trends in Materials and Applications," y el artículo de ACS Applied Nano Materials titulado "Nanoscale Materials in Biomedical Applications of Sensors: Insights from a Comprehensive Landscape Analysis."
