Nanotecnología y nanociencia: hoy y mañana

Recientemente la investigación en materiales de escala mesoscópica a nanoscópica (es decir, en la dimensión de 100 a 0.5 nanómetros) ha adquirido un enorme impulso y está provocando un rápido desarrollo de campos interdisciplinares relacionados con la física, la química, la biología y varias ingenierías de aplicación. El término nanotecnología es un descriptor genérico para aquellas áreas de la ciencia y la tecnología donde las diminutas proporciones de las estructuras juegan un papel predominante. Estas investigaciones tienen gran importancia estratégica para el desarrollo de nuevos materiales altamente funcionales y para integrar materiales inorgánicos, orgánicos y biológicos en la materia viva. Nanociencia y nanotecnología están adquiriendo un protagonismo considerable en los ámbitos científico y tecnológico, y también, en cierto grado, en el dominio público. Un curso titulado Nanotecnología y Nanociencia organizado por la Universidad Internacional Menéndez Pelayo y celebrado recientemente en Valencia, ha reunido varios especialistas en diferentes campos científicos (física, química y biotecnología) que ofrecieron una visión muy actualizada de los últimos avances, así como interesantes prospectivas para el futuro. En este artículo trataremos de resumir de forma asequible las principales ideas presentadas en el curso, particularmente las que resultan de interés para los ciudadanos en general.

Sería muy deseable que la Comunidad Valenciana y España se incorporen de forma vigorosa a estos desarrollos

En primer lugar hay que indicar que el sufijo nano no conlleva ningún misterio especial. El nanómetro es una unidad de longitud que se obtiene al dividir 1 milímetro un millón de veces. Si dividimos el nanómetro, todavía más, por 10, obtenemos el angstrom, que es la escala del tamaño de un átomo. Por lo tanto la nanociencia consiste en el estudio de los fenómenos que se presentan en un sistema formado por un agregado de algunas decenas o centenares átomos. Estos agregados se pueden utilizar como componentes básicos para formar estructuras mucho mayores.

Se puede distinguir entre nanopartículas de materia dura (inorgánica), o los agregados de materia blanda que forman las piezas básicas de las estructuras vivas. La biotecnología sería la parte mojada de la nanotecnología. En la parte seca, la base de la nanotecnología es cualquier tipo de material (metal, cerámico, polímero, semiconductor, vidrio, compuestos) creado con componentes de nanoescala (agregados moleculares o nanopartículas, nanotubos, nanocapas, etc.) que a su vez se sintetizan a partir de átomos o moléculas.

La nanociencia surge del encuentro de dos tendencias históricas de la ciencia y la tecnología del siglo anterior. Una de ellas, la ascendente (bottom-up), consiste en formar materiales a partir de moléculas específicamente diseñadas. Este es el dominio convencional de la química. La tendencia inversa, la descendente (top-down) persigue reducir el tamaño de los dispositivos existentes. La miniaturización es un proceso bien conocido que ha llevado al desarrollo actual de la microelectrónica. En particular, la continua reducción de los sistemas de almacenamiento de memoria y transmisión de información sustenta el desarrollo espectacular de las capacidades de los ordenadores. La denominada ley de Moore que predice que el número de transistores en un chip se dobla cada 18 meses fue enunciada en 1959 y sigue siendo valida hoy en día.

El auge actual de la nanociencia proviene de algunos avances científicos obtenidos en la última década del siglo XX que permiten manipular la materia a escalas muy finas. Se han desarrollado nuevos instrumentos, como el microscopio de fuerza atómica, que resuelven y actúan sobre la materia en la escala del nanómetro. De este modo, donde los científicos tenían que conformarse con estudiar las propiedades estadísticas de las moléculas y las células vivas, ahora pueden investigar sus propiedades individuales, tratándolas una a una. La nanotecnología persigue el objetivo de construir al mayor nivel de refinamiento, de átomo en átomo, logrando la perfección molecular.

En el campo científico, las nanoestructuras han despertado enorme interés ya que proporcionan una amplia gama de nuevos fenómenos físicos. Dado que muchas propiedades físicas dependen de una longitud crítica es posible, y así se hace hoy en día, manipular las propiedades ópticas, eléctricas o mecánicas de los materiales mediante un control preciso del tamaño de sus componentes básicos. En el terreno práctico, el control sobre las propiedades puede dar lugar a una enorme variedad de nuevos dispositivos y materiales útiles. Muy probablemente será posible diseñar a propósito las propiedades de las nanoestructuras para que realicen funciones específicas en sistemas mejores, más rápidos, más pequeños y más baratos. Así pues, es muy probable que la nanotecnología llegue a afectar muchos aspectos de nuestras vidas: nuevos sistemas de iluminación basados en dispositivos de estado sólido (leds) de alta eficiencia que permitirán un ahorro considerable de energía (pues el 80% de la energía que utiliza una bombilla halógena se transforma en calor), la electrónica orgánica que permitirá desarrollar pantallas de plástico, plegables y flexibles y, porqué no, integrar el resto de los componentes de los actuales ordenadores portátiles en la propia pantalla; incluso el agua que bebemos y el aire que respiramos se verán afectados por la nanotecnología, ya que las nanoestructuras pueden crear sistemas de filtrado que capturen la mayoría de toxinas del aire o eliminen los contaminantes del agua que tomamos. Los dispositivos de nanoescala y las interfaces nano-bio-electrónicas pueden permitir la monitorización y el control de las actividades biológicas de las células vivas, y de redes multicelulares en vivo y en vitro, con medios eléctricos, electromecánicos, químicos u ópticos para obtener bio-señales que podrán utilizarse para el diagnóstico y tratamiento de pacientes a distancia.

En los últimos tiempos, miembros prominentes de la comunidad científica como Richard E. Smalley (premio Nobel en 1996 por el descubimiento de nuevas nanoestructuras de carbono) han señalado el problema de la energía como el desafío principal que se plantea ahora para la ciencia y la tecnología. El consumo energético actual en el mundo (obviamente concentrado en los países más industrializados) exige unos 12 trillones de vatios. El 85% de esta energía proviene de la quema de combustibles fósiles. Esta situación, y su progresión creciente en el futuro, no puede mantenerse por las serias implicaciones de la desestabilización del sistema climático, y asimismo por limitaciones de los recursos de petróleo y las consecuentes tensiones sociales. Para el 2050 se requerirán quizás 3 veces más de energía, y al menos un 85% de esta debería producirse con una fuente limpia e inagotable, a partir de la luz solar. Esta necesidad constituye un desafío formidable, para abaratar unas 100 veces los dispositivos de conversión de energía solar en electricidad. La nanotecnología encuentra un campo enorme de actuación, no sólo en el desarrollo de nuevas células solares más baratas y eficientes, sino en toda la gama de materiales que contribuyen al transporte y consumo de energía (cables, vehículos, etc.).

En consecuencia, la nanociencia que se realiza ahora puede tener un enorme impacto en la tecnología y la sociedad del futuro. Quizás la llegada a la calle de estos desarrollos se haga manifiesta a partir de unos 10 años. En términos de mercado, se tratará de productos basados en conocimientos y procesos sofisticados, con un enorme valor añadido. En términos sociales, el valor de los conocimientos que resulten de las actuales investigaciones, puede ser incalculable. La nanotecnología puede tener la respuesta, en la medida en que haya respuesta, a muchas de nuestras necesidades materiales.

Es fácil entender que sería muy deseable que nuestro entorno inmediato, Comunidad Valenciana y España, se incorpore de forma vigorosa a estos desarrollos. No solamente mediante la producción de publicaciones científicas en estos temas más o menos de moda, sino con la realización de políticas de investigación efectivas que den lugar a centros que acumulen conocimientos científicos y desarrollos aplicados y produzcan auténticas innovaciones. En estos asuntos no conviene engañarse: la investigación, seria y competitiva, en nanotecnología, requiere instrumentación moderna y equipamientos costosos, es decir, la inversión de enormes cantidades de dinero, algo que ya se produce desde hace algunos años, sin titubeos, en EEUU y Japón. También será importante formar nuevas generaciones de investigadores con estilos de investigación no convencionales, que se acostumbren a salir de los confines de las disciplinas tradicionales para realizar proyectos ambiciosos con nanoestructuras y materiales funcionales avanzados, en donde la multidisciplinariedad será, sin duda, imprescindible.

En resumen, hay expectativas razonables de que a lo largo de la próxima década la nanociencia y la nanotecnología actual habrán madurado lo suficiente para hacer que todos estos avances científico-técnicos empiecen a tener aplicaciones prácticas que repercutirán en la economía y en muchos aspectos de nuestras vidas. Hemos de intentar coger este tren y apostar decididamente por la investigación, generando las estructuras y mecanismos necesarios que nos permita situarnos en los vagones de cabeza mediante la inversión adecuada en infraestructura material y en la formación de una nueva generación de científicos y tecnólogos. La innovación y el desarrollo made in València llegarán a continuación.

Juan Bisquert (Universidad Jaume I) y Bernabé Marí (Uiversidad Politécnica de Valencia) son catedráticos de Física Aplicada. Email: bisquert@uji.es