Creatividad al servicio del futuro

El nuevo impulso de la nanotecnociencia

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El efecto loto. Las propiedades autolimpiantes de las hojas de distintas especies de plantas se basan en su carácter superhidrófobo. El agua es repelida por la superficie de las hojas, y esta repulsión se debe a una combinación de una superficie microestructurada constituida por las células de las hojas, células que, a su vez, están cubiertas por cristales de cera nanométricos. Estos cristales de cera hacen que la superficie de las hojas repela el agua, y esta propiedad se ve incrementada por la rugosidad de la superficie. Ambos aspectos son fundamentales: superficie repelente al agua y rugosidad a escala micro y nanométrica. Esta propiedad permite que, con una inclinación mínima de la hoja, una gota de agua se desplace sobre la superficie y, en ese proceso, arrastre las partículas de suciedad que están depositadas sobre su superficie. Basándose en la compresión de este efecto, se han desarrollado materiales que permiten la producción de recubrimientos autolimpiables. Estos materiales se pueden incorporar a una pintura para fachadas o a tejidos. / A. Marshall, Stanford University, Viz Lab Image Collection, NISE Network

Creativity at the Service of Future Progress: New Boom in Nanotechnoscience.
Currently, a host of research-project applications contain the prefix nano. However, this could be more-closely related to a new industrial explosion than with the emergence of new conceptual proposals. Society has also been touched by the euphoria that, in some cases, could be called a “craze”- but proposals from the most cautious sectors are far from science fiction. Among these we find Biomimetics, which takes as a reference point the solutions that living beings have adopted during the evolutionary process. By uniting these technical and academic visions we generate a third more realistic view of these pet hates. Perhaps this is an alternative that provides collective genius creatively and possibly sustainably at the service of future developments.

Han pasado diez años desde que entramos en el siglo XXI. Es un intervalo corto de tiempo pero, a la vez, lo suficientemente largo como para poder revisar las esperanzas y las ilusiones que pusimos en juego en aquel momento. Podemos evocar lo que sucedió en la ciencia y el arte en la primera década del siglo pasado. En los dos ámbitos se jugó a la evolución y a la revolución. Planck y Einstein son dos de los grandes nombres de la ciencia de esa década. El vertiginoso cambio en el arte estuvo representado por nombres tan conocidos como Picasso, Braque, Apollinaire, Matisse, Marinet­ti… Fue el gran preludio de los grandes avances del conocimiento, del advenimiento de las vanguardias artísticas, de los contundentes cambios sociales que se vivieron en las décadas posteriores.

Nanohistoria: entre la tecnología y la ciencia

A finales del siglo XX los términos nanociencia y nanotecnología irrumpieron en los medios de comunicación. Desde entonces, la nanotecnociencia se ha convertido en una de las áreas más desarrolladas y promocionadas en los entornos económicos y políticos. La nanociencia puede definirse como el estudio de fenómenos y la manipulación de materiales a escalas atómica, molecular y macromolecular. La nanotecnología, por otra parte, es el diseño, caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas mediante el control de la forma y tamaño a escala nanométrica.

Desde el nacimiento de la nanotecnociencia se ha ido construyendo una versión oficial de sus características, de sus ámbitos de trabajo, incluso de su historia. Los hitos de la nanociencia comienzan usualmente con Feynman y su charla de 1959: «Hay mucho espacio ahí abajo» («There’s plenty of room at the bottom»); con el uso del término nanotecnología por el profesor Taniguchi, de la Universidad de Tokio, en 1974; con la invención de las microscopias de sonda en el año 1981; y con el desarrollo de los fulerenos y los nanotubos de carbono en 1985 y 1991.

«Desde finales del siglo XX, la nanotecnociencia es una de las áreas más desarrolladas y promocionadas en los entornos económicos y políticos»

Esta historia oficial de la nanotecnociencia, sin embargo, quizá olvide muchos otros datos. Como Orwell nos advertía: «Quien controla el pasado, controla el futuro.» Debemos recordar que Faraday, en el siglo XIX, sintetizó nanopartículas de oro en su laboratorio. Las microscopias electrónicas, desarrolladas a partir de 1931, son también técnicas fundamentales de la nanotecnociencia. La charla de Feynman, siendo una de las referencias más usadas a la hora de hablar de esta área, en su momento no tuvo repercusión alguna; fue redescubierta por Conrad Schneiker en 1985 e incorporada poco después a la historia oficial. Y, aunque se señala que esta área es intrínsecamente interdisciplinar, lo cierto es que es complicado encontrar grupos de trabajo mixtos, donde biólogos, físicos, químicos… trabajen realmente codo con codo. Se ha sugerido que esta diferencia entre el discurso oficial y este otro discurso que va surgiendo gracias al trabajo de los historiadores de la ciencia y la tecnología podría estar basada en los distintos intereses de las compañías privadas –tecnológicos– y de los entornos académicos –científicos–. Pero hoy en día las universidades cada vez se alejan más de ese antiguo y quizá obsoleto esplendor académico y se acercan más al resplandor dorado de la gestión comercial y empresarial.

De nanomanías y nanofobias

En este principio de milenio, la nanotecnología se manifiesta como uno de los vehículos existentes más potentes para reestructurar los modelos económicos. Este progreso está basado sólidamente en el conocimiento científico preexistente, aunque la nanociencia actual también se aprovecha de la emergencia de estas nuevas tecnologías para desarrollar nuevos conocimientos e hitos científicos. Sin embargo, hay algo diferente que está apareciendo y que se llama también nanotecnología: un movimiento social basado en paralelismos, aproximaciones y esperanzas. En ciencias sociales, el entusiasmo popular por un conjunto de esperanzas poco razonables y mal definidas se denomina a menudo manía. Estamos hablando, pues, de la nanomanía. Este movimiento nació en 1986, cuando Eric Drexler publicó el libro Engines of creation (“Motores de la creación”). En él fabuló sobre lo que sería posible si se pudieran crear ensambladores nanométricos autorreplicantes. Drexler supuso que, en el futuro, sería posible construir nanorrobots capaces de fabricar átomo a átomo cualquier objeto o dispositivo macroscópico.

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El pie del dragón y de otros reptiles, como el gecónido de las imágenes, es un ejemplo de funcionalidad ligada a una nanoestructura. La capacidad que tienen los dragones de escalar paredes verticales o incluso de permanecer anclados en los techos, sosteniendo todo su peso, está relacionada con la estructura en forma de microfilamentos de sus pies. Cada uno de estos filamentos se divide entre 100 y 1.000 espátulas de dimensiones nanométricas. Esta forma natural de adhesión se podría reproducir para construir trajes o botas especiales que facilitasen la escalada o los anclajes firmes, lo cual podría ser de gran ventaja en los paseos espaciales. / Foto de l’esquerra: A. Dhinojwala, University of Akron, Viz Lab Image Collection, NISE Network. Foto de la dreta: C. Mathisen, FEI Company, Viz Lab Image Collection, NISE Network

Mucha gente ha llegado a la conclusión de que estos ensambladores nanométricos autorreplicantes no solo son teóricamente posibles, sino que se van a poder producir en un futuro cercano. Esta esperanza de la nanomanía ha dado lugar a una reacción en forma de alerta, de nanofobia: el miedo a todo tipo de horribles males que pueden salir de la caja de Pandora de la nanotecnociencia. El mal que más se conoce es el de la plaga gris. ¿Qué sucedería si esos ensambladores escaparan de nuestro control? Podrían dedicarse a autopropagarse peligrosamente. Se especula con posibles accidentes o incluso con usos malintencionados: de la misma forma que la gente crea gusanos y virus informáticos, podría haber personas que decidieran crear una plaga de este tipo.

«Hay algo diferente que está apareciendo y que se llama también nanotecnología: un movimiento social basado en paralelismos, aproximaciones y esperanzas»

Sin embargo, desde el entorno científico existen dudas de que estos nanoensambladores artificiales puedan ser una realidad, incluso a largo plazo. Uno de los investigadores críticos respecto a estas aplicaciones es Smalley, premio Nobel de química por el descubrimiento de los fulerenos. Lo que Smalley apunta es que hay problemas inherentes que hacen que esos nanoensambladores artificiales sean físicamente imposibles. Sin embargo, las ideas de Drexler se inspiraron en un sistema real de ensambladores nanoscópicos y autorreplicantes: los propios organismos biológicos. Estos sistemas se pueden definir como un conjunto de nanomáquinas que se autoensamblan, y que manipulan o producen otras estructuras nanométricas. Sea o no posible la construcción de futuros nanorrobots nanoensambladores, la realidad es que nosotros mismos, a nivel celular y desde un punto de vista biomolecular, somos un ejemplo viviente de este tipo de mecanismos autorreplicantes. Pero, además, los seres vivos han empleado las propiedades de los materiales nanoestructurados para encontrar soluciones a distintos problemas.

Biomimética: inspirándose en la naturaleza

La naturaleza ha diseñado materiales y estructuras que generan variabilidad a través de mutaciones y recombinaciones y, después, ha seleccionado los que han sido más útiles en el entorno biológico en el que se desarrollaron. Por ejemplo, durante millones de años los organismos han estado utilizando y optimizando materiales basados en biominerales que tienen propiedades excepcionales. Tenemos microesqueletos, bioimanes, dientes, caparazones, huesos… Algunos investigadores, basándose en estas observaciones, introdujeron el término biomimética, la comprensión de las soluciones que la naturaleza ha encontrado para resolver sus problemas, y la comprensión de cómo esas soluciones pueden ser fuente de inspiración para resolver nuestros problemas tecnológicos. La biomimética, por tanto, se puede considerar como la transferencia de tecnología desde la naturaleza al hombre.

La mariposa Morpho menelaus es una especie nativa de América Central y Sudamérica. Los elementos que constituyen las alas de esta mariposa se organizan en nanoestructuras periódicas. La luz interacciona con estas nanoestructuras de forma que únicamente se reflejan las longitudes de onda del color azul. Se produce una coloración asociada a la nanoestructura del material y no a sus constituyentes químicos. En los laboratorios de investigación se están diseñando cristales fotónicos artificiales que simulan esta interacción materia-luz. Ya se han construido posibles candidatos de dispositivos para la ingeniería de computación o la nanoóptica, así como para nuevas aplicaciones industriales, como pinturas y tintes de color cambiante. / Imatge de l’esquerra: Wikimedia Commons. Imatge de la dreta: S. Yoshioka, Osaka University, Viz Lab Image Collection, NISE.

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El arte actual no es ajeno a las nuevas tecnologías y los conceptos que surgen en la nanotecnociencia. Victoria Vesna y James Gimzewski han utilizado la propia mariposa morfo azul (arriba) para construir la instalación artística Blue Morph que se ve en la imagen de la izquierda. La metamorfosis entre oruga y mariposa que se produce en la crisálida se expresa como una metáfora de una nanofábrica natural. Los cambios biológicos que generan la nanoestructura de las alas durante la metamorfosis aparecen en picos de actividad repentinos, similares a los cambios que hacen tambalearse a las bolsas monetarias. / Dani Caparrós

En la década de 1970 se realizó en el Jardín Botánico de Berlín un estudio sistemático de las características superficiales de las hojas de distintas plantas, observándolas mediante microscopia electrónica de barrido. La metodología experimental consistía en recoger las hojas y prepararlas de tal forma que pudieran ser estudiadas mediante la técnica de microscopia. Esta preparación requería la limpieza de las hojas. La observación que hicieron fue, primero, que las hojas de ciertas plantas apenas necesitaban ser limpiadas y, segundo, que las hojas de esas plantas tenían una superficie muy rugosa. Se había descubierto el efecto loto: basado en la capacidad autolimpiante de las hojas de Nelumbo nucifera. Este descubrimiento ha permitido desarrollar superficies autolimpiables.

«La nanomanía ha dado lugar a una reacción en forma de alerta, de nanofobia: el miedo a todo tipo de horribles males que pueden salir de la caja de Pandora de la nanotecnociencia»

También existen relaciones entre las características de algunos insectos y otros animales y su nanoestructura. Por ejemplo, ¿cómo se sostienen los dragones en paredes verticales? ¿Cómo pueden andar sobre superficies horizontales boca abajo? Los pies del dragón están recubiertos con infinidad de pelos muy finos, y cada uno de ellos se ramifica al final en multitud de filamentos con forma de espátula, que tienen dimensiones nanométricas. Estas estructuras se adaptan así a la rugosidad de la superficie, de forma que la superficie total de contacto de los pies de los dragones es, comparativamente, mucho mayor que la de animales que no tienen estas nanoestructuras.

El color de las alas de las mariposas y de los caparazones de algunos escarabajos no está basado en los pigmentos. En su superficie existen infinidad de diminutas escamas nanoestructuradas que manipulan la luz. En el caso de la mariposa Morpho menelaus, el orden de las nanoestructuras de esas escamas hace que la luz reflejada por las alas sea azul, mientras que el desorden en el caso de las escamas de los escarabajos del género Cyphochilus hace que la luz refleje totalmente: son de un color blanco perfecto.

Tenemos, por tanto, una inmensa área interdisciplinar en la que convergen la biología, la física, la química, la ciencia y la ingeniería de los materiales, una ciencia híbrida en la que poner a prueba nuestros conocimientos, nuestras técnicas de caracterización y nuestra creatividad para responder mejor a los retos del futuro.

Bibliografía

Baird, D. et al. (eds.), 2005. Discovering the nanoscale. IOS Press. Amsterdam.

Forbes, P., 2005. The Gecko’s Foot: Bio-inspiration - Engineering New Materials and Devices from Nature. Fourth Estate Ltd. Londres.

Kogon, B., 2009. Nanotecnologia: què és i com ens afectarà? Informe científic per a la presa de decisions. Fundació Catalana per a la Recerca i la Innovació. Barcelona.

Martín-Gago, J. A. et al., 2008. Unidad Didáctica Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Fundación Española de Ciencia y Tecnología. Madrid.

© Mètode 2010 - 65. Nano - Número 65. Primavera 2010
Instituto de Ciencia de los Materiales. Parque Científico de la Universitat de València.

Instituto de Ciencia de los Materiales, Parque Científico, Universitat de València.