1) Porque
es adecuada para describir el tamaño de los constituyentes elementales de la
materia y de la vida. El radio de un átomo es del orden de décimas de nm, por
lo que el tamaño de las moléculas es del orden del nm: la de glucosa, por
ejemplo, mide 1 nm de largo. Los ribosomas también miden 1 nm aproximadamente,
el diámetro de la doble hélice del ADN es de unos 2 nm, un anticuerpo mide unos
10 nm, un virus una centena de nm y las bacterias son de varios centenares de
nm.
2) Porque
los avances en instrumentación permiten ahora visualizar y manipular esas
entidades. Los microscopios electrónicos (desarrollados a partir de 1930) y los
microscopios de sonda de barrido (surgidos en los años 80) permiten
caracterizar los nanoobjetos [1]. Algunos de estos últimos, como el microscopio
de efecto túnel y el de fuerzas atómicas, pueden emplearse para coger átomos y
moléculas de una superficie y trasladarlos de un sitio a otro: se habla entonces
de nanomanipulación. Además, gracias a varias
técnicas de nanolitografía (óptica, electrónica, por iones…) y a
diversos métodos de fabricación (síntesis química, electroquímica, sol-gel,
epitaxia de haces moleculares, ablación láser, pulverización catódica…), es
posible fabricar una gran variedad de nanomateriales.
Siendo rigurosos,
deberíamos diferenciar entre los términos mencionados, nanociencia y
nanotecnología, en función de que estemos aludiendo a investigación básica o
aplicada. Así, la nanociencia puede definirse como el estudio de los fenómenos
fundamentales a escala atómica, molecular y macromolecular, donde las
propiedades difieren significativamente de aquellas que se manifiestan a escala
macroscópica. Por su parte, la nanotecnología hace referencia al diseño, la
fabricación, la caracterización y la aplicación de estructuras, dispositivos y
sistemas mediante el control de la forma y el tamaño a escala nanométrica [2].
El interés por ambas disciplinas se debe a que permiten obtener nuevos materiales
y nuevos dispositivos que manifiestan propiedades novedosas o que consiguen
realizar nuevas funciones. Sin embargo, la pregunta básica que el lector puede
estarse planteando es: ¿por qué? Es decir: ¿por qué los objetos o sistemas de
escala nanométrica se comportan de forma distinta a como lo hacen los del mundo
macroscópico al que estamos acostumbrados?
En primer lugar, se
debe a la importancia que adquieren las superficies de esos objetos o sistemas.
Los átomos de la superficie están enlazados de modo distinto a como lo hacen
los del interior (de un modo naif, podemos decir que están sujetos de diversa
forma y por ello son más susceptibles a cambios) y además están en contacto con
el entorno. Muchas propiedades dependen de cuál es la proporción de átomos que
están en la superficie, como por ejemplo la reactividad química con el medio
que los rodea. Imaginemos un cubo de Rubik en el nanomundo, donde cada uno de
los 27 cubitos de colores que lo constituyen fuese un átomo. Pues bien: de esos
27 átomos, 26 de ellos estarían en la superficie, y solo 1, el del centro del
cubo, estaría en su interior. Podemos afirmar por tanto que la relación
superficie/volumen es de 26/27=0.96. Imaginemos ahora un dado macroscópico, con
aristas de 1 cm en las que en cada una de ellas hay colocados 10 millones de
átomos (asumo para el ejemplo que cada átomo ocupa un nanómetro cúbico de
volumen). El lector puede comprobar que ese dado está formado por 1021
átomos (un uno seguido de veintiún ceros), de los cuales “solo” 6x1014
(un seis seguido de catorce ceros) están en la superficie. Por tanto, en ese
dado la relación superficie/volumen es de apenas 0,0000006. ¿Cuál será entonces
más reactivo, el nanocubo de Rubik o el dado de un centímetro cúbico? O dicho
de otro modo: si el lector fuese la persona responsable de compras de una
empresa que necesita un determinado catalizador para sus procesos (un
catalizador es una sustancia que acelera una reacción química estando en
contacto con sus reactivos pero sin participar en ella), ¿cómo querría que se
lo suministrasen, en forma de nanocubos o en forma de dados?
Fenómenos
sorprendentes asociados a efectos superficiales en la nanoescala podemos
encontrarlos en la naturaleza. La salamanquesa puede caminar por paredes y
techos porque las terminaciones de sus patas contienen fibras de tamaño
nanométrico muy juntas entre sí a modo de tapiz: cada fibra interacciona de
forma atractiva (técnicamente: por fuerzas de Van der Waals) con la superficie
por la que se desplaza, y al ser tan alto el número de fibras existentes, el
efecto global consigue vencer a la gravedad. En los laboratorios se desea
replicar este comportamiento, es decir, se intenta sintetizar materiales
“bioinspirados” en esas patas que contengan nanofibras y que presenten súper-adhesión:
lo que Spiderman consigue en los cómics o en las películas puede que no esté
tan lejos…
Pero además, el
pequeño tamaño de los nano-objetos ofrece otras ventajas. En componentes
electrónicos, menor tamaño implica que los portadores de carga eléctrica
(electrones o huecos) deben recorrer menores distancias, lo que se traduce no
solo en más rapidez sino también en mayor eficiencia, pues la probabilidad de
que en su camino se encuentren con un defecto es lógicamente menor. Y por
supuesto, al disminuir el tamaño cobran importancia los fenómenos cuánticos, y
aunque su explicación se escapa al alcance de este capítulo, cabe señalar que
algunas de las aplicaciones que ya usamos en nuestra vida diaria hacen uso de
ellos. Por ejemplo, las cabezas lectoras de los discos duros de ordenador
actuales emplean el efecto de la magneto-resistencia túnel: este fenómeno se da
en multicapas de unos pocos átomos de espesor en forma de sándwich, donde “el
pan” son electrodos magnéticos y “el relleno” una lámina no metálica, cuya
resistencia eléctrica depende del estado magnético relativo entre esos
electrodos (imanaciones paralelas o antiparalelas).
Este campo, el de las
tecnologías de la información y las comunicaciones, es el primero donde los
avances en nanociencia han conseguido ya plasmarse en diversas aplicaciones
[3]. Las memorias magnéticas de nuestros ordenadores tienen cada vez mayor
capacidad, esto es, permiten almacenar más información en menos espacio físico.
Para ello, se logran fabricar nuevos materiales que contienen nanoimanes más
pequeños en los que la información guardada en código binario en forma de
estados magnéticos (polo norte-polo sur para los “unos”, polo sur-polo norte
para los “ceros”) se mantiene estable. La incesante miniaturización de los transistores
es la que posibilita que tengamos memorias flash o USB que podemos llevar
cómodamente en nuestros bolsillos. Los avances en fotónica permiten incrementar
cada año la capacidad de almacenamiento óptico de datos y la velocidad de las
telecomunicaciones por fibra óptica. Y a más largo plazo, se espera que la
computación cuántica multiplique exponencialmente las capacidades de cálculo
actuales.
También son
relevantes las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la
energía, para lograr un mayor aprovechamiento
y un menor impacto medioambiental. Por ejemplo, en lo que atañe a la conversión
de luz en energía eléctrica, han aparecido en los últimos años dos nuevas
familias fotovoltaicas, las células solares sensibilizadas con colorante y las
células basadas en perovskitas, que son alternativas muy prometedoras frente a
los paneles solares de silicio convencionales, y donde la nanoestructuración de
los materiales se traduce en una mejora de la eficiencia. Otro caso
significativo de esto son los nanomateriales termoeléctricos, que permiten
transformar eficazmente en electricidad el calor residual de diversos procesos
o dispositivos, como el de los tubos de escape de los vehículos con motor de
combustión. Es importante señalar que diversos gases contaminantes, como el
dióxido de carbono, pueden capturarse y almacenarse empleando nanomateriales
porosos. Y además, se investiga en procesos que logren la fotosíntesis
artificial, es decir, la conversión potencial de ese dióxido de carbono a
metanol u otros productos químicos de valor añadido, empleando para ello la luz
del sol y un fotocatalizador semiconductor nanoestructurado.
Asimismo, la
nanotecnología está ofreciendo soluciones en otras áreas de gran interés social
como son las ciencias de la vida y la biotecnología. Ya existen en el mercado
cremas de protección solar que emplean nanopartículas de dióxido de titanio
para filtrar la radiación ultravioleta. Y en el caso de implantes ortopédicos,
se están analizando diversos recubrimientos nanoestructurados y biocompatibles
con propiedades antibacterianas, que paliarían notablemente los problemas de
infección y rechazo. Cuando además se emplean estrategias de
“funcionalización”, esto es, de dotar a las nanoestructuras de nuevas funciones
complementándolas con otras entidades, las posibilidades se amplían. En la
lucha contra el cáncer, hay planteadas diversas rutas basadas en nanopartículas
que se funcionalizan para que se adhieran a las células cancerígenas, por ejemplo,
acoplándoles un anticuerpo que se une específicamente a una proteína que solo
existe en dichas células. Mediante la aplicación de un agente externo, como
puede ser luz infrarroja en el caso de nanopartículas plasmónicas (de metal
noble) o un campo magnético alterno si las nanopartículas son magnéticas, se
puede conseguir un calentamiento muy localizado que provoque la apoptosis o
muerte celular programada: son los denominados tratamientos por hipertermia.
También se investiga en el suministro dirigido de fármacos, en el que las
nanopartículas hacen de portadoras de medicamentos (es decir: se funcionalizan
previamente para llevar fármacos adheridos) que se administran localmente, en
la zona del organismo que es necesario curar, mediante la activación de un
determinado mecanismo: un cambio en el pH, un calentamiento, etc.
Por último, conviene
señalar que también se investiga acerca de los posibles riesgos derivados de la
fabricación y el uso de los nanomateriales. Aunque éstos se fabrican en su gran
mayoría empleando sustancias autorizadas por la normativa vigente, en principio
inocuas para los seres vivos y el medioambiente, es cierto que su pequeño
tamaño puede dotarles de alguna propiedad perjudicial que no posean en la
escala macroscópica. Por ello, se trabaja en nanoseguridad en cuatro temáticas
principales: la clasificación de los nanomateriales (por su morfología, por su
composición química, por su complejidad y funcionalidad, por su afinidad a
entidades biológicas), la exposición y transformación de los mismos (cómo se
liberan de los productos de que forman parte y cómo se modifican a lo largo de
su ciclo de vida, incluyendo su posible reciclaje), toxicología y ecotoxicología
(a qué organismos pueden afectar, a partir de qué umbrales, qué alteraciones
pueden producir, cómo se eliminan del organismo), y por último la predicción de
riesgos (identificación y estimación de los riesgos, implementación de
herramientas de control, confección de una base de datos común sobre
nanomateriales y riesgos asociados). En la Unión Europea, diversos grupos de
trabajo que se ocupan de estos temas han creado el Cluter en Nanoseguridad, que
se presenta como un foro donde discutir e informar al público general de modo
responsable [4].
En definitiva, tras
esta breve panorámica de aplicaciones en diversos campos con gran interés
social y económico como son las tecnologías de la información, el
aprovechamiento energético y las ciencias de la vida, confío en que el lector
quede convencido de la importancia que los materiales y dispositivos en la
nanoescala tienen actualmente, que se incrementará de forma notable en años
venideros.
Notas:
[1] El Premio Nobel
de 1986 reconoció estos descubrimientos: la mitad fue para Ernst Ruska,
inventor del microscopio electrónico, y la otra fue compartida entre Gerd
Binnig y Heinrich Rohrer, inventores del microscopio de efecto túnel.
[2] Definiciones
adaptadas de la Royal Society (http://www.nanotec.org.uk/).
[3] De hecho, cuando
en 2007 el francés Albert Fert y el alemán Peter Grünberg recibieron el Premio
Nobel por haber descubierto la magneto-resistencia gigante, antecedente de la
magneto-resistencia túnel, la Real Academia Sueca de Ciencias afirmó que este
descubrimiento era “una de las primeras aplicaciones reales del prometedor
campo de la nanotecnología”.
[4] http://www.nanosafetycluster.eu/
Bibliografía:
“Nanosciences: the invisible revolution”, Christian Joachim y Laurence
Plévert, World Scientific (2009).
“La nanotecnología”,
Pedro Serena, Los Libros de la Catarata (2010).
“Nanosafety
in Europe 2015-2025: Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and
Nanotechnology Innovations”, elaborado por diversos científicos del Finnish
Institute of Occupational Health y disponible en: http://www.ttl.fi/en/publications/Electronic_publications/Nanosafety_in_europe_2015-2025/Documents/nanosafety_2015-2025.pdf
José Miguel García Martín
Doctor en Ciencias Físicas
Científico Titular del CSIC
Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC)
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