domingo, 30 de octubre de 2022

Nanociencia y Nanotecnología - José Miguel García Martín

 ¿Qué son la nanociencia y la nanotecnología? ¿Cómo afectarán a nuestras vidas?
(Por José Miguel García Martín)

(Noviembre 2016)


En griego antiguo, el término nanoz significaba “enano”. En ciencia, desde mediados del siglo XX, el prefijo “nano” se emplea para designar la milmillonésima parte de una unidad, de modo que el nanómetro equivale a 0,000000001 metros. Para el lector profano, esta sucesión de ceros terminada en un uno puede que signifique poco, así que trataremos de dar cuenta con unos ejemplos de lo pequeña que es esa distancia. Podemos empezar cogiendo una regla decimal, como esa que llevan los niños y las niñas a la escuela: la separación entre dos rayitas pequeñas es un milímetro (1 mm), y si fuésemos capaces de dividir ese espacio en un millón de partes iguales, tendríamos un nanómetro (1 nm). Otra forma de obtenerlo sería arrancándonos un pelo de la cabeza: el grosor de ese pelo es del orden de una décima de milímetro (0,1 mm), así que bastaría trocearlo en cien mil partes iguales para tener 1 nm… ¿Por qué esa ínfima distancia ha cobrado tanta importancia en nuestros días, donde “nanociencia” y “nanotecnología” son términos que leemos en los periódicos o escuchamos en los telediarios con cierta frecuencia? Pues por un doble motivo:

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)






Se doctoró en 1999 en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid. Estuvo tres años como postdoc en el Laboratorio de Física del Estado Sólido (Univ. París Sur, Francia), con una beca individual Marie Curie. Se incorporó en 2003 al Instituto de Microelectrónica de Madrid (CSIC) y en 2006 pasó a ser Científico Titular. En 2014 recibió el Premio IDEA2-Madrid del Consorcio M+Vision formado por la Comunidad de Madrid y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Se dedica al ámbito de la nanotecnología, en concreto a la fabricación (mediante técnicas de deposición física) y al estudio de nanoestructuras magnéticas y de recubrimientos nanoestructurados para diversas aplicaciones (ópticas, antibacterianas). Ha dirigido proyectos de investigación nacionales e internacionales, siendo co-autor de más de 70 artículos científicos y de 2 patentes. Ha impartido más de 20 conferencias invitadas y ha participado en diversas actividades de divulgación (talleres, artículos, premios de fotografía científica).