La revolución de lo pequeño

Mini-revolution: Half a Century of Nanotechnology.
Nanoscience has progressed over the last 50 years from a scattered set of basic but outstanding breakthroughs to hundreds of research groups world-wide, continuously announcing the discovery of novel nanomaterials and fascinating nanodevices. Nanotechnology is becoming real; in fact, many of these advances have become part of our daily life. This article describes the basic features characterizing current research in nanotechnology and its main application sectors. In addition, this study also covers other issues like funding or public perception of this multidisciplinary field.

Esta imagen ha sido obtenida mediante microscopia de efecto túnel (STM) y muestra una superficie de oro recubierta de dos tipos de moléculas con estructura plana: di-indeno-perileno (DIP) y ftalocianina de cobre (CuPc). Dicha estructura ordenada se ha logrado usando técnicas de epitaxia de haces moleculares (MBE). Las moléculas se ordenan espontáneamente (se autoensamblan) en hileras alternantes siguiendo orientaciones bien definidas. Este es un ejemplo de tecnología masiva de tipo bottom-up que algún día permitirá la fabricación a gran escala de dispositivos. El autor de esta imagen, titulada (Nano)-blossoms in the dark, es D. García de Oteyza, del Instituto Max Planck de Investigación en Materiales (Sttutgart, Alemania). Dicha imagen fue finalista del concurso internacional SPMAGE07. / D. García de Oteyza

El prefijo nano (que proviene de la palabra griega que significa “pequeño”) equivale a la milmillonésima parte de la unidad de medida a la que acompaña. De esta forma, un nanómetro (1 nm) es una longitud equivalente a la millonésima parte de un milímetro. De forma arbitraria se define la llamada nanoescala como el rango de longitudes o tamaños comprendido entre 1 nm y 100 nm. En la nanoescala nos encontramos con átomos, moléculas, proteínas, virus, cadenas de ácido desoxirribonucleico (ADN), nanotubos de carbono, nanopartículas… Todos ellos son los nanoobjetos de interés para la nanociencia y la nanotecnología.

El término nanociencia hace referencia a las investigaciones destinadas a comprender la estructura y propiedades de materiales y objetos que presentan tamaños característicos propios de la nanoescala. La nanotecnología parte de esos conocimientos para generar materiales, estructuras y dispositivos con nuevas propiedades debidas a su tamaño nanométrico. El prefijo nano también se usa con disciplinas ya existentes, cuando se quiere enfatizar que se orientan a estudiar fenómenos en la nanoescala. De esta forma se habla de nanoelectrónica, nanoquímica, nanofotónica, nanobiotecnología, etc.

La nanociencia y la nanotecnología se han desarrollado de una manera relativamente silenciosa hasta la década de los noventa. Ha transcurrido casi medio siglo desde el visionario discurso de R. Feynman, que permitió soñar con entender y dominar la materia a escala nanométrica. El propio término nanotecnología ya ha cumplido 35 años, desde que fue acuñado por N. Taniguchi en 1974. En las últimas dos décadas, los denominados microscopios de proximidad, inventados por H. Rohrer y G. Binnig, se han convertido en herramientas habituales para observar y mover nanoobjetos. Los nanotubos de carbono, grandes protagonistas de la nanociencia, los descubrió en 1991 el investigador japonés S. Iijima. Ahora, cuando finaliza la primera década del siglo xx, somos conscientes del largo camino recorrido.

El impulso dado a las nanotecnologías ha sido más evidente durante los últimos diez años, debido a los ingentes recursos financieros que los gobiernos y empresas de los países más desarrollados han invertido para fomentar la investigación en nanotecnología y para transferirla al sector productivo. Existe la convicción generalizada de que este nuevo saber permitirá asentar un nuevo modelo económico, que quizás sea la puerta al tan anhelado desarrollo sostenible. Tampoco hay que olvidar otro factor clave: la nanotecnología generará un negocio que previsiblemente alcanzará la cifra de dos billones de euros en 2015.

De arriba abajo, de abajo arriba

Uno de los mayores problemas de las nanotecnologías es la dificultad de transferirlas a una escala industrial. Esa incorporación a las industrias se puede hacer de dos maneras diferentes. Por un lado existen procesos de tipo descendente o top-down (de arriba hacia abajo), en los que se parte de sistemas grandes para, mediante técnicas de ataque, corte, pulido, litografía, etc, obtener sistemas con partes nanométricas. Esta aproximación, por ejemplo, es la que ha permitido un incremento incesante de la densidad de transistores que se integran en una oblea de silicio. Por otro lado, la nanotecnología ofrece otra alternativa, la denominada ascendente o bottom-up (de abajo hacia arriba), en la que se parte de pequeños elementos (átomos, moléculas, cadenas de ADN, nanoestructuras…) para construir complejos sistemas capaces de realizar diversas funciones. El único sistema que funciona completamente siguiendo este tipo de procedimientos ascendentes es la vida, siendo las estructuras biológicas y sus mecanismos de funcionamiento los ejemplos a imitar en el diseño de tecnologías bottom-up.

Los microscopios de fuerzas atómicas son unas poderosas herramientas para observar y modificar muestras biológicas en la nanoescala. En esta imagen se muestran filamentos del péptido beta-amiloide, involucrado en la enfermedad de Alzheimer, depositado sobre mica. Estas observaciones pueden ser efectuadas en medios líquidos, por lo que abren la puerta al estudio de procesos biológicos en tiempo real. El autor de esta imagen, titulada Venis of Coral, es F. Mantegazza, de la Universidad de Milán Bicocca (Italia). Dicha imagen ha resultado premiada en el concurso internacional SPMAGE09. / F. Mantegazza

La nanotecnología es un espacio de convergencia multidisciplinar de químicos, biólogos, físicos e ingenieros. De dicha convergencia se esperan planteamientos antes insospechados que proporcionen nuevas soluciones a problemas formulados en un gran número de sectores de aplicación. A continuación se detallan algunas propuestas de base nanotecnológica para algunos de dichos sectores.

Biotecnología y medicina

En estas áreas se están desarrollando nuevas técnicas de observación de fenómenos biológicos gracias a equipos como los microscopios de fuerzas atómicas. Además se están implantando nuevas vías de diagnóstico basadas en el uso de nanopartículas funcionalizadas (es decir, recubiertas de un material que les confiere nuevas propiedades como la de detectar el foco de la enfermedad). Estas nanopartículas, que se usan como marcadores ópticos o magnéticos para la detección temprana de enfermedades, en algún caso también pueden actuar como elemento terapéutico, destruyendo los tejidos enfermos a los que se han adherido. La diagnosis de enfermedades se podrá beneficiar del desarrollo de sensores nanoelectrónicos que realizarán un preciso seguimiento de nuestro estado de salud. Diferentes dispositivos nanoelectrónicos también se usarán para restaurar capacidades ópticas y auditivas de pacientes con pérdida de vista o de audición. También existe una fuerte investigación destinada a desarrollar sistemas capaces de dosificar la liberación de fármacos en el momento y lugar adecuados. Finalmente, los nanomateriales biocompatibles ya se emplean en la fabricación de prótesis más resistentes.

Energía y medio ambiente

Sin duda alguna estos temas han cobrado importancia debido a las evidencias del cambio climático y a las medidas de contención de este que implican la disminución de las emisiones de dióxido de carbono, la necesidad de acudir a fuentes renovables de energía, y la optimización del uso de las fuentes convencionales de energía. Otros temas, como facilitar el acceso generalizado a recursos hídricos y el control y la remediación de la contaminación, también son prioritarios en el camino hacia el desarrollo sostenible global. En el ámbito de la energía, los catalizadores nanoporosos o nanoparticulados seguirán siendo piezas fundamentales en la obtención de derivados del petróleo y en un sinfín de procesos químicos industriales. Los materiales nanoestructurados serán aplicados en células de combustible, en producción de hidrógeno y en baterías alcalinas de nueva generación. Los paneles solares aumentarán su eficiencia mediante el uso de materiales nanoestructurados (ya estén basados en silicio o en otros semiconductores orgánicos o inorgánicos). La energía eólica podrá ser más eficiente gracias a los materiales nanocompuestos (nanocomposites), que permitirán fabricar aerogeneradores de mayores dimensiones. En cuanto a la gestión de recursos hídricos, las nanotecnologías mejorarán las técnicas actuales de desalación, depuración y potabilización de agua. La detección de la contaminación se podrá efectuar de forma más rápida y eficiente gracias al uso de redes de nanosensores.

Los fulerenos, cuyo representante más conocido es el C₆₀, son moléculas formadas a base de carbono que se proponen para ser usadas como elementos rectificadores en los circuitos electrónicos del futuro. La imagen obtenida mediante microscopia STM muestra pares y trímeros de moléculas de C₆₀ atrapadas en una estructura porosa de gran estabilidad térmica, con una morfología de tipo panal fabricada con un derivado del perileno. La estructura regular de agujeros hexagonales proporciona lugares de anclaje donde poder depositar y fijar otras moléculas. Esta imagen, titulada C₆₀ trapped within a nano-porous network, fue obtenida por M. Störh, de la Universidad de Basilea (Suiza), y fue imagen finalista del concurso internacional SPMAGE07. / M. Störh

Tecnologías de la información y las comunicaciones

Estas tecnologías han sido pioneras en todo lo relacionado con la miniaturización, de forma que tanto la densidad de transistores en un procesador como la de bits en un sistema de almacenamiento de datos han aumentado varios órdenes de magnitud en las cuatro últimas décadas. Se puede decir que hace aproximadamente diez años la fabricación de dispositivos electrónicos entró en el ámbito de la nanotecnología. Se espera que este ritmo siga manteniéndose en tanto en cuanto el silicio se pueda seguir utilizando. Sin embargo, cuando las propiedades del silicio no puedan exprimirse más, se necesitarán alternativas que proporcionen las mismas prestaciones y que tengan costes similares. Sea cual sea la alternativa que se lleve a la práctica, estamos razonablemente seguros de que estará basada en los desarrollos nanotecnológicos que ahora se plantean en los laboratorios. Entre ellos podemos destacar los basados en el uso de moléculas y nanotubos de carbono como elementos constitutivos de los procesadores y las memorias del futuro. Tampoco podemos olvidar el desarrollo de las técnicas nanofotónicas para el procesado de la información. En estos casos la nanotecnología se empleará para la fabricación, con precisión nanométrica, de estructuras capaces de manipular la luz.

Industrias tradicionales

Aquí nos referimos a las nanotecnologías que se están comenzando a aplicar en sectores como la construcción, la fabricación de productos textiles, la automoción, la industria cosmética, etc. En la mayor parte de ellos, la nanotecnología aparece como suministrador de nuevos materiales que conferirán un mayor valor añadido a los productos. Por ejemplo, los nanotubos de carbono ya se utilizan como refuerzo en materiales de construcción, en algunas piezas de vehículos o en material deportivo. Distintas nanopartículas hidrófobas ya se incorporan en materiales para lograr superficies que no se ensucien ni se empañen. Se incorporan nanopartículas de plata, con propiedades bactericidas, en productos textiles o en filtros para equipos de aire acondicionado. En la formulación de pinturas y barnices se incluyen nanopartículas para aumentar la resistencia a pequeñas ralladuras. Las industrias tradicionales se beneficiarán de los nanosensores, que, incluidos en distintos materiales, permitirán conocer variables tanto del entorno (temperatura, humedad, etc.) como del propio material (grado de fatiga, aparición de defectos, etc.). Finalmente hay que mencionar que diversos materiales nanoporosos ya se emplean en la industria cosmética para dispensar sustancias, y que en este sector también se utilizan nanopartículas como bloqueante de radiación ultravioleta tanto en maquillajes como en cremas protectoras.

Esta imagen muestra una estructura ordenada de nanoesferas de poliestireno de 200 nm de diámetro, obtenida por autoensamblado a partir de una disolución coloidal. Esta estructura forma lo que se llama un cristal fotónico, que puede ser usado para controlar y manipular la luz, y será pieza clave en el desarrollo de los futuros computadores ópticos. En la imagen se observan algunos defectos en la estructura cristalina bidimensional. Esta imagen se titula Aesthetic imperfections, y fue presentada por D. Danzebrik, del instituto PTB de Alemania, al concurso internacional SPMAGE09. / D. Danzebrik

Euforia, miedo, precaución y control del riesgo

Con tantas aplicaciones en marcha o en perspectiva, es lógico esperar suculentos beneficios para aquellas empresas que lideren la aplicación de las nanotecnologías. Sin embargo, la llegada de las aplicaciones está condicionada por la percepción de la población sobre la nanotecnología. A lo largo de la última década se ha pasado de tener una visión positiva y esperanzadora de la nanotecnología a una situación de cierta incertidumbre sobre los posibles impactos. Este cambio de percepción se debe a la actividad de diversos grupos y organizaciones que han dado la voz de alarma sobre la proliferación de nanoproductos en el mercado y al desconocimiento existente sobre el impacto de estos en la salud de trabajadores y consumidores o en el medio ambiente. En diversos foros se ha llegado a proponer una moratoria para la comercialización de nanoproductos.

El miedo a las nanotecnologías puede retraer las inversiones y retrasar la llegada de la tan prometida revolución industrial del siglo XXI. La reacción de los gobiernos y las empresas ha sido relativamente rápida, se han puesto en marcha proyectos para estudiar el impacto real de las nanotecnologías sobre el medio ambiente, los operarios que las utilicen y los usuarios finales. Todos estos estudios son el germen de una nueva disciplina: la nanoecotoxicología. Por otro lado, se está poniendo énfasis en la aplicación del principio de precaución para minimizar el posible riesgo existente en laboratorios o centros de producción. Sin embargo, es bastante complejo gestionar un riesgo que es de una magnitud y consecuencias desconocidas. Todos los aspectos relacionados con la toma de decisiones en este nuevo contexto están propiciando los estudios en nanoética. También hay que mencionar que se ha constatado la necesidad de mejorar la formación e información sobre este tema, de forma que muchos gobiernos plantean serias iniciativas para la elaboración de contenidos educativos y materiales divulgativos accesibles a la población en prensa, museos, televisión, etc.

Esta imagen AFM muestra la topografía, en presencia de humedad, de las fibras de un hidrogel crecido sobre mica a partir de calixareno y NaBr. Las alturas máximas observadas son de unos 50 nm. Este tipo de materiales se ha propuesto para ser usado como sensores químicos y como sistemas para la liberación controlada de fármacos. Esta imagen fue obtenida por T. Becker, de la Universidad Tecnológica Curtin (Perth, Australia), y con el título Hydrogel Network fue finalista del concurso internacional SPMAGE09. / T. Becker

Por todo lo dicho, es obvio que la transversalidad de las nanociencias y las nanotecnologías trasciende las disciplinas meramente experimentales y se engarza fuertemente con la seguridad laboral, el impacto ambiental, los aspectos sociológicos y culturales, los aspectos éticos, la aparición de nuevas cuestiones legales, etc.

Mirando hacia adelante

Nadie pone en duda el papel que tendrá la nanotecnología en nuestro futuro a medio y largo plazo, por lo que es imperativo estar suficientemente preparados para ayudar a construir este nuevo paradigma científico-técnico y coliderar la transferencia a los sectores productivos y a la sociedad. Se necesita una actitud decidida para seguir invirtiendo en ambiciosos proyectos y promover mecanismos de transferencia eficientes y profesionalizados. De lo contrario, continuaremos generando una nanociencia competitiva pero seguiremos aumentando nuestro déficit comercial en productos de base tecnológica. Es cierto que la actual coyuntura económica no invita al optimismo, pero es precisamente ahora cuando se debe mantener el impulso inversor en temas punteros, como la nanociencia y la nanotecnología, y cuando se debe llevar a cabo una optimización de los recursos existentes. Tampoco se debe descuidar la formación en nanotecnología en todos los niveles educativos, desde la primaria al postgrado, poniendo en marcha programas similares a los ya existentes en otros países. A fin de cuentas la sociedad debe ser beneficiaria y cómplice del desarrollo de la nanotecnología.