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Filtros de grafeno para obtener agua dulce a partir de agua de mar
La creciente escasez de agua dulce y la concurrente búsqueda de mecanismos que permitan desalar agua de mar, han atraído recientemente la atención sobre el grafeno poroso como un prometedor material que sirva como filtro de sales.
Recientemente, varias técnicas han sido utilizadas para crear poros en grafeno, siendo el tamaño del poro una de las variables más importantes para generar filtros que sean efectivos. De esta forma, el grafeno se ha convertido en un material muy relevante en la búsqueda de maneras eficientes y costo-efectivas para la obtención de agua potable a partir de agua de mar para el consumo humano y la agricultura, en un escenario en el que el cambio climático exige respuestas tecnológicas de manera cada vez más rápida.
En este contexto, Walter Orellana, académico del Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad Andrés Bello y Raúl Guerreo-Avilés, egresado del programa de Magíster en Ciencias Físicas de la misma Universidad, decidieron estudiar cómo el tamaño y la forma de los poros en grafeno afecta el bloqueo de iones y a su vez contribuye al flujo de moléculas agua a través de ellos.
Para esto, los científicos estudiaron el transporte de los iones sodio y cloruro (Na+ y Cl–) a través de poros de 0,8 nanómetros de diámetro en grafeno. Para esto, se valieron de simulaciones computacionales que permite modelar el comportamiento de agua líquida y, de esta forma, poder generar modelos teóricos que permitan optimizar el diseño de los nuevos filtros de grafeno. El estudio ha sido publicado recientemente por la revista Physical Chemistry Chemical Physics, editada por la Royal Society of Chemistry.
Dinámica molecular y cálculos ab-initio
El trabajo de los investigadores de la UNAB se basó en dos aproximaciones que permiten modelar el comportamiento de átomos o moléculas.
Según el Dr. Orellana, “los cálculos ab-initio son aquellos que no consideran parámetros empíricos y se basan en la mecánica cuántica, que es el formalismo de la física que describe la interacción a nivel atómico. Los cálculos de dinámica molecular ab-initio permiten la descripción de sistemas moleculares considerando la temperatura del sistema. En nuestro caso, nosotros simulamos agua líquida a una temperatura de 27 grados Celsius.”
Estudios de esta naturaleza podrían tener un gran impacto en el diseño de los futuros filtros basados en grafeno poroso, debido a sus excelentes propiedades para el bloqueo de iones como cloro o sodio, permitiendo solo trasporte de moléculas de agua y, de esta forma, generar filtros que sean eficientes en la obtención de agua dulce desde agua de mar.
En efecto, el Dr. Orellana explica que “los sistemas de purificación, o desalinización de agua en nuestro caso, son de importancia fundamental debido a la escasez de agua potable en el mundo, particularmente en países con zonas desérticas como en el norte de Chile. El hecho de sacar agua del mar y transformarla en agua potable a bajo costo podría revertir este problema. Actualmente el proceso de desalinización se realiza mediante una tecnología llamada osmosis inversa y fundamentalmente requiere filtros que permitan el paso de moléculas de agua y eviten el paso de iones (cloro y sodio). Estos filtros son caros y el proceso requiere de mucha energía. Nosotros proponemos el uso de grafeno poroso para estos filtros, con tamaño de poro del orden de 1 nanómetro.”
La revolución del grafeno
El grafeno es un material laminar de carbono, el que al estar que apilado forma la estructura del grafito. Fueron los físicos André Geim y Konstantín Novosiólov los primeros en obtenerlo, usando una técnica basada en la extracción de algunas capas de grafito con una cinta adhesiva. El grafeno posee varias propiedades que lo han catapultado como un material revolucionario, principalmente porque conduce de manera eficiente la electricidad y el calor, es muy liviano y resistente. De hecho, Geim y Novosiólov obtuvieron el Premio Nobel de física en 2010 por sus experimentos con este material “El grafeno es un material bidimensional de carbono, con espesor de un átomo. Entre sus características más destacadas se incluye su alta resistencia y versatilidad”, explica el Dr. Orellana.
“Ya existen estudios experimentales que han mostrado la eficacia de membranas de grafeno poroso para la desalinización de agua. En estos, el filtro de grafeno fue concebido como parte de una tapa en un vaso de agua salada. Al invertir el vaso, comenzó a salir agua dulce con una eficiencia del 100% en el bloqueo de la sal y un flujo de moléculas agua altísimo, solo promovido por gravedad. En nuestro trabajo, hemos establecido el tamaño mínimo del poro y las barreras de energía requeridas para bloquear los iones, ratificando las estimaciones experimentales.”
¿Cómo funcionaría un sistema de esta naturaleza en la práctica? Para el Dr. Orellana, “estas membranas de grafeno podrían ser utilizadas en plantas de desalinización a una mayor eficiencia y bajo costo. También a una escala pequeña, lo que podría implicar el diseño de sistemas para una casa o incluso portátiles. El flujo de agua y bloqueo de iones en membranas nanoporosas de grafeno es mucho mayor que en las membranas convencionales de polímeros, utilizadas en plantas de desalinización”.
Este tipo de estudios teóricos permitirá refinar el diseño de los filtros de grafeno y abaratar sus costos de producción, ya que parte importante del ajuste del diseño se puede realizar en modelos teóricos, para luego pasar a los filtros reales.
Link al estudio: Energetics and diffusion of liquid water and hydrated ions through nanopores in graphene: ab initio molecular dynamics simulation. Raúl Guerrero-Avilés and Walter Orellana. Phys.Chem.Chem.Phys., 2017, 19, 20551
Producción de cerezas en Chile: comprendiendo el proceso de floración
Chile ha logrado posicionarse como el mayor exportador mundial de cerezas frescas y está en una posición de liderazgo absoluto como abastecedor de cerezas para el hemisferio norte en contra-estación (temporada del año contraria a la que producen los mercados importadores). Para garantizar una buena producción de cerezas, existen diversas variedades que son plantadas principalmente en la zona centro-sur de nuestro país, dependiendo de su requerimiento de frío necesario para su floración. (más…)
Dr. Eduardo Chamorro: Hacia un modelo de predicción de fenómenos químicos
El Dr. Eduardo Chamorro, profesor titular e investigador del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, trabaja en un proyecto teórico, el cual tiene como finalidad la obtención de un modelo matemático capaz de predecir fenómenos químicos de distintas naturalezas.
El académico de la Universidad Andrés Bello explica que “los modelos que se logren construir podrán ser aplicados a cualquier reacción química, por lo que su importancia radica en que prestarán gran utilidad al ser herramientas predictivas que permitirán ahorrar tiempo, recursos y trabajo en investigaciones científicas complejas”.
Como primer paso, el Dr. Chamorro establece que se debe diseñar el sistema que operará como predictor, para luego nutrirlo con información existente sobre reacciones químicas y factores que inciden en ellas. Asimismo, el modelo se prueba simulando reacciones, las cuales son contrastadas con experimentación.
La finalidad de este programa, que posee financiamiento de Conicyt, será conocer las reacciones de sistemas químicos de núcleos y electrones de manera global. Por ejemplo, si se disminuye o aumenta la energía.
Para ello, se dividen las reacciones en tres grandes áreas, las cuales corresponden a reacciones globales, que afectan a todo el sistema; locales, que afectan sólo a una parte del sistema; y no locales, que se producen en un área del sistema que causan un efecto en un sector diferente.
Finalmente, el Dr. Eduardo Chamorro explicó que “la realidad es mucho más compleja que cualquier teoría, por lo que estamos en permanentes pruebas del sistema creado. No obstante, la idea es lograr implementar un software que se pueda distribuir libremente a través de la web y que sirva como apoyo fundamental para aquellos grupos que hacen investigación de frontera”.
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Moving towards a predictive model for chemical phenomena
Dr. Eduardo Chamorro, full professor and researcher of the Chemistry Department of the Faculty of Exact Sciences at the Universidad Andrés Bello, is working on a research project to construct a mathematical model to predict chemical phenomena of different natures.
The UNAB investigator explains that, “The models that we construct could be applied to any type of chemical reaction, saving time and resources and acting as a valuable tool in complex scientific research”.
As a first step, Dr. Chamorro indicates that a system needs to be designed to operate predictively. Existing information on chemical reactions and influencing factors is then imputed into this system. Following this, the system is then run through test simulations of reactions, and the results are contrasted against experimental data.
The final goal of this model, which is being developed with the support of the National Commission for Technological and Scientific Investigations (Conicyt), is to comprehensively understand reactions within the chemical systems of nuclei and electrons.
This would include, for example, if energy increases or decreases. To achieve this, the reactions are classified into three large categories, where global reactions affect the whole system; local reactions affect only part of the system; and delocalized reactions occur in one area of the system but affect another.
Finally, Dr. Eduardo Chamorro explains that, “Reality is far more complex than any theory, and we are constantly testing the system. Nevertheless, the idea is to implement a freely distributed, web-based software that could receive fundamental feedback from groups working on cutting-edge research”.
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Dra. Carola Blázquez: Soluciones para la recolección de residuos en zonas rurales insulares
El aumento del volumen de los residuos domésticos generados y su impacto en el medio ambiente ha impulsado diversas investigaciones sobre el diseño y planificación de sistemas de recolección, potenciando el desarrollo de modelos y herramientas matemáticas que puedan apoyar de mejor manera dichas actividades.
Con el objeto de abordar esta problemática, la investigación “Diseño y planificación de un sistema de recolección de residuos sólidos domiciliarios rurales”, que cuenta con financiamiento Fondecyt, propone un nuevo enfoque, motivado por la situación que ocurre en las provincias de Chiloé y Palena.
“El problema estudiado no se puede abordar con los modelos existentes, por lo que se plantea un innovador enfoque integrador para el diseño de un sistema de recolección de residuos sólidos domiciliarios para un archipiélago utilizando una barcaza”, explica la doctora Carola Blázquez, investigadora del Departamento de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Andrés Bello (UNAB).
“Este proyecto tiene como objetivo desarrollar herramientas matemáticas para resolver los modelos de diseño y planificación en forma eficiente”, agrega.
En esa línea, el trabajo –en el que participa también el doctor Pablo Miranda, de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso– propone formular el problema como un modelo de programación lineal entera mixta, teniendo como objetivo minimizar los costos de operación e inversión del sistema, optimizando la selección de puntos de acopio a visitar en cada isla, la frecuencia de recolección en cada uno de estos, y la generación de rutas de recolección del sistema.
Según detalla la experta, la metodología propuesta está sujeta a un período máximo de tiempo entre visitas consecutivas en cada punto, con el fin de reducir la exposición de la población y del medioambiente a los residuos generados, y a su vez, cumplir con las restricciones y regulaciones ambientales. Además, el estudio evalúa dos estrategias para operar el sistema, contemplando el transporte de un compactador de residuos a bordo de una barcaza, versus el transporte de contenedores de basura.
Por último, el trabajo tiene también como objetivo diseñar e implementar un Sistema de Información Geográfica (SIG), con el fin de facilitar el proceso de toma de decisiones y asistir en la visualización y análisis de las metodologías propuestas y sus resultados.
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Solutions for waste collection on rural islands
The increased volume of domestic waste and its impact on the environment have driven diverse investigations on the design and planning of waste collection systems. In particular, advances are being made in the development of mathematical models and tools that support waste collection and management.
To tackle this challenge, the investigation “Design and planning of a solid waste collection system for rural households,” which is funded by Fondecyt, proposes a new solution for the particular situation of the Chiloé and Palena provinces.
“The problem under study cannot be handled by existing models; therefore we propose an innovative, integrative approach for undertaking the design of solid residential waste collection across an archipelago using a barge,” explains Dr. Carola Blázquez, investigator at the Department of Engineering Sciences of the Faculty of Engineering, Universidad Andrés Bello.
“The main goal of this project is to develop mathematical tools that can efficiently determine designs and planning”, adds Dr. Blázquez.
The project, in which Dr. Pablo Miranda from the Pontificia Universidad Católica de Valparaíso also participates, proposes representing this problem through a model of mixed integer linear programming. The goal is to minimize operating costs and system inversions, optimize the points and frequency of collection for every island, and to create system collection routes.
According to Dr. Blázquez, the proposed methodology is subject to a maximum period of time between consecutive visits at each collection point, with the aim of reducing population and environmental exposure to wastes. The methodology must also comply with environmental restrictions and regulations. Moreover, this investigation is evaluating two strategies for system operation, one in which a waste compactor is located onboard the barge and another in which the barge transports waste containers.
Finally, another goal of the project is to implement a geographic information system (GIS) to facilitate decision making and assist in the visualization and analysis of the proposed methodologies and project results.
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Dr. Andrés Bronfman: Hacia la reducción de los riesgos en el transporte de materiales peligrosos
Uno de los objetivos principales del transporte de carga es reducir los costos. Sin embargo, existe cierto tipo de insumos que obligan a tomar en cuenta un elemento adicional: la minimización del riesgo. Se trata del transporte de Materiales Peligrosos (MP), que involucra productos inflamables, corrosivos, explosivos o venenosos, y que generan riesgos para la población y el medio ambiente.
“La magnitud de los peligros dependerán del tamaño y densidad poblacional de la ciudad, su nivel de industrialización y el tipo de material transportado”, explica Andrés Bronfman, investigador del Centro de Transporte y Logística de la Universidad Andrés Bello (UNAB).
Aunque en las zonas urbanas es inevitable que la población pueda quedar expuesta, la mayor parte de ésta puede ser evacuada rápidamente ante una emergencia. No obstante, esto no ocurre con la población vulnerable, aquella que se
concentra en grandes cantidades en superficies pequeñas, como edificios; o que tiene dificultades para evacuar, como hospitales, asilos o colegios. “Es razonable, cuando se diseñan rutas para este tipo de transporte, dedicar especial atención a estos puntos”, recalca.
Ése es el objetivo de la investigación “Transporte de materiales peligrosos en zonas urbanas”, y que busca establecer metodologías que permitan disminuir las situaciones de inseguridad a las que se expone la población más vulnerable.
El equipo de trabajo –en el que participan también los académicos de la UNAB, Armin Lüer y Germán Paredes, y el Doctor Vladimir Marianov de la Pontificia Universidad Católica de Chile– ha logrado desarrollar nuevos estimadores de riesgo y su aplicación al diseño de rutas en la Región Metropolitana.
“Estos estimadores evitan sobre o subestimar el peligro, representan de mejor manera los intereses públicos en el problema de diseño de rutas, y permiten la búsqueda de la equidad entre ambos elementos”, detalla el experto.
Asimismo, para problemas de gran tamaño lograron desarrollar formulaciones y algoritmos que los redujeron a un tamaño manejable. Así, en sólo segundos, pueden resolver la dificultad del transporte de materiales peligrosos entre distintos centros de oferta y demanda, disminuyendo el riesgo impuesto a aquellos colegios con más de mil estudiantes insertos en la Región Metropolitana.
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Reducing risks in the transport of hazardous materials
One of the principal objectives in the transport of cargo is to reduce costs. However, certain types of shipments require the consideration of an additional element: minimizing risk. This applies to the transport of hazardous materials, which include flammable, corrosive, explosive, or poisonous products that are dangerous for
people and the environment.
“The degree of danger depends on the size and population density of a city, a city’s level of industrialization, and the material being transported,” explains Andrés Bronfman, investigator at Center of Logistics and Transport of the Faculty of Engineering, Universidad Andrés Bello.
Although exposure is inevitable in urban areas, much of the population can be quickly evacuated during an emergency. However, this is not the case with vulnerable subpopulations, or those in which a large amount of people are concentrated in small areas, such as in buildings, or when evacuation is difficult, such as with hospitals, nursing homes, and schools. “It is reasonable to give special attention to these points when designing routes for this type of transport,” emphasizes Bronfman.
This is the objective of the project entitled “The transport of hazardous materials in urban areas,” which aims to establish methodologies for decreasing the situations of uncertainty faced by the most vulnerable populations.
The research team, which includes Universidad Andrés Bello investigators Armin Lüer and Germán Paredes as well as Dr. Vladimir Marianov of the Pontificia Universidad Católica de Chile, has developed new risk estimators and determined how these can be applied in the design of transport routes in the Metropolitan Region.
“These estimators prevent the sub- or overestimation of danger, better represent public interests in route designs, and facilitate the search for a balance between these two elements”, details Bronfman.
Notably, the project developed manageable formulas and algorithms for largescale problems. Now, the difficulties of transporting hazardous materials between distinct points can be resolved in mere seconds, thus decreasing the risk of exposure for those schools with more than a thousand students in the Metropolitan Region.
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Dr. Walter Orellana: Nanotecnología para la purificación del agua
Los efectos del calentamiento global, la mala gestión de los recursos hídricos disponibles y el aumento de la población y la contaminación; han producido escasez de agua en ciertas regiones del mundo. Este fenómeno no sólo pone en peligro la vida de miles de especies en el planeta, sino que además propone un desafío mayor a la forma en que el ser humano ha planteado su vida.
Recogiendo este problema, el Dr. Walter Orellana, académico de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Andrés Bello, junto al alumno de postgrado Raúl Guerrero, trabajan en la utilización del grafeno para la desalinización y purificación del agua.
“El grafeno es hoy uno de los nanomateriales más importantes del mundo, ya que posee características que lo hace único. Es más fuerte que el acero, pero con un sexto de su peso y posee el ancho de un átomo”, explica el Dr. Orellana.
El objetivo del investigador es la creación de un tamiz para purificar a partir de láminas de grafeno nanoporoso, las que se usan como membrana. De esta forma, se podría utilizar la capacidad del grafeno de filtrar el agua, removiendo sales como iones de cloro y sodio, pero también puede eliminar elementos altamente tóxicos, como el arsénico, en condiciones estándar de presión y temperatura.
“Por medio de la simulación computacional cuántica se obtuvieron los primeros resultados. Éstos indican que poros de 1,3 nanómetros de diámetro serían efectivos para el bloqueo de iones en agua salada y a la vez permitirían el flujo adecuado de moléculas de agua, considerando el tamaño del poro, a presiones relativamente bajas”, expone el Dr. Walter Orellana.
De la misma forma, el académico de la Facultad de Ciencias Exactas destaca que esta investigación puede significar un aporte importante a la sociedad, ya que “permitirá enfrentar la escasez hídrica en el mundo, especialmente en el Norte de Chile, donde la falta de agua dulce y libre de contaminantes es un problema creciente”.
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Purifying water through nanotechnology
The effects of global warming, poor water resource management, a growing human population, and increased contamination have resulted in water shortages in certain regions of the world. This phenomenon not only endangers the existence of thousands of species across the planet, but will also greatly challenge the way in which humans live.
Addressing this problem, Dr. Walter Orellana –researcher for the Faculty of Exact Sciences at Universidad Andrés Bello– and the post-graduate student Raúl Guerrero, are working on using graphene to desalinize and purify water.
“Graphene is currently one of the most important nanomaterials in the world as it possesses unique characteristics. It is stronger than steel but has 1/6th of the weight and the width of one atom”, explains Dr. Orellana.
The research objective of Dr. Orellana is to create a purification sieve from layers of nanoporous graphene used as a membrane. This graphene-based sieve could then filter water under standardized conditions of pressure and temperature.
Importantly, water filtration through graphene would remove salts, such as chlorine and sodium ions, and eliminate highly toxic elements, such as arsenic.
“Through quantum computer simulations, we have obtained our first results. These indicate that pores 1.3 nanometers in diameter would effectively block saltwater ions while allowing an adequate flow of water molecules at relatively low pressures, taking into account the size of the pores”, explains Dr. Walter Orellana.
Likewise, Dr. Orellana highlights that the results of this research could be significant to society. “We would be able to face water shortages in the world; in Northern Chile, for example, where a lack of uncontaminated freshwater is a growing problem”.
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Dra. Lorena Varela: La importancia de la generación de neuronas en el cerebro adulto
La neurogénesis corresponde al proceso por el cual se producen nuevas neuronas en el cerebro. Si bien se encuentra más activa durante la gestación y la infancia, también se ha demostrado que en la edad adulta siguen produciéndose neuronas en zonas específicas del cerebro.
En este contexto, la Dra. Lorena Varela-Nallar, investigadora del Centro de Investigaciones Biomédicas (CIB) de la Universidad Andrés Bello, estudia los mecanismos que regulan la neurogénesis en el cerebro adulto, específicamente en la zona del hipocampo, estructura cerebral asociada al aprendizaje y memoria.
“En nuestro laboratorio estudiamos el papel que juega la vía de señalización WNT en las diferentes etapas de la neurogénesis hipocampal. Esta vía de señalización tiene diversas funciones durante el desarrollo del sistema nervioso y es también fundamental en el cerebro adulto”, explica la investigadora del CIB.
De la misma forma, la Dra. Varela-Nallar destaca que el trabajo que lidera ya ha logrado hitos fundamentales. “Hemos establecido nuevos componentes de la vía de señalización WNT que son relevantes para el proceso de diferenciación de células madres neuronales y para la migración de las nuevas neuronas en el giro dentado del hipocampo”.
Según plantea la investigadora, alteraciones en la neurogénesis adulta están asociadas a enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricas. Es por esto que el objetivo principal de este trabajo es establecer nuevos blancos moleculares que sean relevantes en este proceso.
“Una vez que identifiquemos nuevas moléculas involucradas, podremos intervenir mediante herramientas moleculares y farmacológicas para estudiar distintos aspectos de este proceso, así como también caracterizar en más detalles el papel que juega la vía de señalización WNT en el hipocampo adulto”.
Además, la Dra. Lorena Varela-Nallar expone que “hemos nuevos estímulos fisiológicos y farmacológicos capaces de estimular la neurogénesis en un modelo de la enfermedad de Alzheimer. Estos avances son de gran relevancia, ya que pueden ser la base para el diseño de futuras terapias”, destaca la académica de la Universidad Andrés Bello.
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The importance of neurogenesis in the adult brain
Neurogenesis is the process by which new neurons are produced in the brain. While this process is most active during gestation and infancy, adults continue to generate neurons in specific zones of the brain.
Dr. Lorena Varela-Nallar, researcher for the Center for Biomedical Research (CIB), Faculty of Biological Sciences at Universidad Andrés Bello, is studying the mechanisms that regulate neurogenesis in the adult brain.
Specifically, Dr. Varela-Nallar’s research is focused on the hippocampus, the brain structure associated with learning and memory.
“In our laboratory, we are studying the role played by the WNT signaling pathway in the different stages of hippocampal neurogenesis. This signaling pathway plays diverse roles during the development of the nervous system and is also fundamental in the adult brain,” explains Dr. Varela-Nallar.
Dr. Varela-Nallar highlights that this research has already resulted in fundamental milestones. “We have identified new components in the WNT signaling pathway that are relevant to the differentiation of neuronal stem cells and for the migration of new neurons in the dentate gyrus of the hippocampus”.
According to Dr. Varela-Nallar, alterations in adult neurogenesis are associated with neurodegenerative and neuropsychiatric diseases. Due to this, the primary objective of her group’s research is to identify new molecular targets that are relevant to neurogenesis.
“Once we identify new molecules involved [in neurogenesis], we will be able to intervene with molecular or pharmacological tools to study the distinct aspects of this process. Likewise, we will be able to characterize in greater detail the role that WNT signaling pathway plays in the adult hippocampus”.
Dr. Lorena Varela-Nallar concludes by saying, “We have developed new physiological and pharmacological stimuli able to promote neurogenesis in a model for Alzheimer’s disease. These advances are highly significant as they could act as the basis for designing future therapies”.
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¿Cómo la nanotecnología puede contribuir al desarrollo de la computación del 2050 y los nuevos desafíos del Big Data?
El desarrollo de la nanotecnología ha abierto un enorme abanico de posibilidades en la búsqueda de soluciones a los grandes problemas que enfrenta el ser humano y su entorno. En medicina, por ejemplo, las terapias basadas en nanopartículas han permitido mejorar la actividad de ciertos fármacos, reduciendo sus dosis y disminuyendo sus posibles reacciones adversas. Sin embargo, existe toda un área casi inexplorada de la bionanotecnología, aquella que se asocia a la computación. (más…)
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