Y yo quiero ser...Nanocientífico
(Por
Pedro A. Serena Domingo)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Una experiencia personal
Hace ya muchos
años que terminé la Licenciatura de Ciencias Físicas en la Universidad Autónoma
de Madrid, en la especialidad de Física Teórica, Sin embargo, al terminar estos
estudios surgió la posibilidad de realizar la tesis doctoral en el campo de la Física
de la Materia Condensada, abandonando la física de partículas y la cosmología,
fascinantes, por un mundo igual de fascinante pero quizás con menos “glamour”. Sin
embargo este cambio de rumbo tuvo lugar en el momento en el que los seres
humanos empezaron a desarrollar las primeras herramientas con las que mirar
directamente la estructura atómica de las superficies, los Microscopios de
Efecto Túnel (STM), herramientas que dieron lugar a otras muchas con las que se
pueden observar átomos y moléculas e incluso manipularlos. Estas herramientas
son los “ojos” con los que se empezaron a ver lo que ahora llamamos el nanomundo,
siendo fundamentales para el desarrollo de lo que hemos denominado nanociencia
y nanotecnología, de las que hablaré en este capítulo. Durante el doctorado y
la etapa postdoctoral mi carrera se orientó hacia el estudio computacional de
las propiedades electrónicas, magnéticas, y mecánicas de diversas
nanoestructuras, y más recientemente he trabajado en propiedades mecánicas de
virus o en la adsorción de proteínas sobre diversas superficies. Así es la
actividad en ciencia, en muchas ocasiones la curiosidad nos hace seguir unos
caminos a veces insospechados, pero siempre guiados por el ansia de entender
cómo está constituida y cómo funciona la naturaleza que nos rodea y de la que
formamos parte. Esta introducción tiene como propósito hacer reflexionar al lector
sobre la belleza de toda la ciencia, en cualquiera de sus disciplinas y la
continua interconexión de las mismas, y como el camino que se puede seguir
cuando uno se adentra en el conocimiento puede trazar rutas no previstas
inicialmente. En cualquier caso, investigar es una aventura en la que sobre
todo hay que ir pertrechado con grandes dosis de curiosidad, el deseo de
aprender, una pizca de paciencia, otra de perseverancia, y ganas de colaborar
con otros aventureros con los que nos encontramos continuamente y cuyos
descubrimientos pueden cambiar el mundo.
¿Qué es la nanociencia?
En la sección
anterior ha aparecido, sin presentación, el prefijo “nano” en varias ocasiones.
En ciencia, “nano” se asocia a algo pequeño, como “micro” o “pico”. Sin embargo
el prefijo “nano” hace referencia a la milmillonésima parte de algo (que se
puede expresar como 10-9 o 0,000000001). Cuando anteponemos el
prefijo “nano” a alguna unidad física podemos hablar de nanosegundos (ns) o
nanómetros (nm). En concreto estos últimos son las unidades en las que me
interesa detenerme un poco más. Un nanómetro es una longitud muy pequeña, en la
que podemos alinear 3-5 átomos. Un virus tiene un diámetro entre 25 y 400 nm.
Un cabello humano tiene un diámetro de unos 80.000 nm. Cuando hablamos de
nanociencia estamos hablando del conjunto de conocimientos y técnicas que los
seres humano hemos adquirido y que nos permiten comprender el “nanomundo” o la
“nanoescala”, refiriéndome con estos dos términos al conjunto de los
materiales, estructuras y las entidades que poseen tamaños, al menos en una de
sus tres dimensiones, inferiores a los 100 nanometros. Por tanto, la
nanociencia tiene como finalidad entender los fenómenos que ocurren en la
nanoescala, las propiedades de los materiales y las estructuras que tienen
tamaños nanométricos y cómo interactúan entre ellas o con entidades de mayor
tamaño.
Efectos de tamaño
La nanociencia,
que requiere desarrollar habilidades e instrumentos que permiten trabajar con
entidades muy pequeñas, es un campo apasionante porque cuando las partículas,
las estructuras y los objetos poseen tamaño nanométrico (y los podemos llamar
“nanopartículas”, “nanoestructuras” y “nanoobjetos”) presentan propiedades
notablemente diferentes de sus “hermanos mayores”. Por ejemplo, podemos
encontrarnos ante hechos fascinantes como el cambio de color, o de las
propiedades eléctricas o magnéticas, cuando el tamaño de los objetos decrece.
Estos cambios tienen su explicación en los denominados “efectos de tamaño” que
son de dos tipos: clásicos y cuánticos. ¿Cuánticos? Evidentemente, en la
nanoescala se trabajan con objetos de tamaños atómicos y moleculares, en los
que los efectos cuánticos se ponen continuamente de relieve. El nanomundo,
además de ser más pequeño es ciertamente diferente. La nanociencia se esfuerza
por entender estas diferencias, por entender que leyes siguen estos efectos de
tamaño, y proponer experimentos para poner a prueba estas leyes. Por otro lado,
para trabajar en el nanomundo y entenderlo se necesitan herramientas para observar
y medir sus propiedades, y con lo que aprendemos se desarrollan métodos para
fabricar nanoestructuras y nanoobjetos con las formas, tamaños y composición
que deseemos. Esto es, en resumen, lo que se hace en los laboratorios de los
centros de investigación: comprender y controlar el nanomundo.
Fig. 1. El carácter
multidisciplinar de la nanociencia y el carácter transversal de la
nanotecnología.
La nanociencia: punto de encuentro
En nanociencia
se trabaja con entidades muy básicas (átomos y pequeñas moléculas) que se van
uniendo entre sí para formar estructuras más complejas con más funcionalidades “bottom-up”
(visión “de abajo hacia arriba”). En otras ocasiones se parte de estructuras
con tamaños grandes y mediante diferentes técnicas se pueden dividir de forma
controlada hasta llegar a obtener nanoestructuras “top-down” (aproximación “de
arriba hacia abajo”). Lo que es cierto es que las unidades de trabajo (átomos y
moléculas) son las mismas para todos los científicos, independientemente de su
disciplina, por eso la nanotecnología “es de todos”, es multidisciplinar (Fig.
1). Cada disciplina aporta su propia jerga, sus propios métodos y técnicas, por
lo que en ocasiones trabajar en nanociencia es un tanto complicado porque se
mezclan ideas, conceptos, y vocabularios de diversas procedencia. Por ejemplo,
un grupo de química inorgánica puede sintetizar nanopartículas, otro grupo de
bioquímicos puede modificarlas para que sean capaces de detectar una
determinada proteína, otro grupo de físicos puede preparar un sustrato
conductor al que unir las nanopartículas con el fin de fabricar un sensor con
la ayuda de un equipo de ingenieros y, finalmente, un
grupo de biólogos y médicos puede someter el dispositivo a prueba con
experimentos específicos. Este carácter multidisciplinar es importante para las
personas interesadas en trabajar en nanociencia, pues se puede llegar a dicha
disciplina estudiando diferentes grados: física, química, biología, ingeniería,
etc.
Una rica fauna, una rica historia
Dado que la
nanociencia se refiere a la nanoescala, el tipo de estructuras y objetos que
son de interés en esta disciplina no están determinados por su composición o
forma. De esta forma nos encontramos con nanopartículas, nanohilos, nanotubos,
nanoláminas, etc. que pueden estar formadas por materiales metálicos,
cerámicos, orgánicos, semiconductores, etc. Además estas nanoestructuras pueden
combinarse entre sí para formar entidades más complejas. Parece evidente que la
“nanofauna” es muy extensa y compleja. Muchos de estos nanoobjetos han saltado
a la fama en los últimos años como ocurre con los fullerenos, los nanotubos de
carbono, o el grafeno. Por cierto, alguno de estos materiales han supuesto el
Premio Nobel para sus descubridores: el de Química en 1996 a R. Curl, H. Kroto
y R. Smalley, por el descubrimiento del C60 o fullereno, y el de
Física en 2010 a A. Geim y K. Novoselov, por descubrir el grafeno (verdadero
material revolucionario). Sin embargo la nanociencia no es una disciplina
reciente y a lo largo de los últimos 50 años se han venido realizando
aportaciones desde otras disciplinas que han permitido que la nanociencia se
vaya desarrollando. Se puede decir que las ideas fundamentales de la
nanociencia vieron la luz gracias a la conferencia de R. Feynman impartida a
finales de 1959. Por citar otro momento clave en la nanociencia se puede
mencionar también el descubrimiento de Microscopio de Efecto Túnel por parte de
H. Rohrer y G. Binnig (Premio Nobel de Física de 1986, junto con E. Ruska
descubridor del Microscopio Electrónico de Transmisión).
De la nanociencia a la nanotecnología
La nanociencia
tiene como fin entender y dominar las propiedades fascinantes de los
nanoobjetos, nanoestructuras o nanomateriales. Estas novedosas propiedades
permiten pensar en su aplicación en diferentes sectores de actividad económica.
Los nanotubos y el grafeno pueden usarse en electrónica gracias a sus fabulosas
propiedades electrónicas, pero también en construcción o aeronáutica gracias a
sus impresionantes propiedades mecánicas, las nanopartículas de diverso tipo se
utilizan en la fabricación de materiales, en cosmética, baterías, etc. Cuando
se pasa de pensar en entender el nanomundo a dominarlo para obtener
aplicaciones novedosas o rupturistas, la nanociencia da paso a la
nanotecnología. En realidad, se puede decir que no hay sector económico en el
que la nanotecnología no tenga impacto, como se pone de manifiesto en la Fig.
1. Este impacto en todos los sectores económicos (se habla de impacto
transversal y de nueva revolución industrial) es, sin duda alguna, lo que ha
hecho que los gobiernos y las empresas de todo el mundo hayan financiado cuantiosamente
muchos programas de investigación en nanociencia y nanotecnología. En otro
capítulo de este libro se profundiza más sobre la nanotecnología. La llegada de
la nanotecnología al mercado a su vez plantea nuevas incógnitas relacionadas
con la posible peligrosidad para las personas y para el medioambiente de
algunos nanomateriales, por lo que ha comenzado a desarrollar una nueva rama de
investigación, la nano-eco-toxicología, que tendrá gran importancia en los
próximos años.
Muchos son los caminos que llegan a la nanociencia
El camino
estándar para formarse en nanociencia es seguir un grado de química,
ingeniería, física, biología y medicina (adquiriendo las destrezas propias de
estos campos). Se debe mencionar que la Universidad Autónoma de Barcelona puso
en marcha hace varios años el Grado de Nanociencia y Nanotecnología, donde se
combinan conocimientos de física, química, biología y matemáticas.
Posteriormente se podría realizar un máster, de los muchos que se ofertan en
nuestro sistema universitario, en el que aparezcan contenidos más específicos
de nanociencia y nanotecnología. Posteriormente se puede realizar un doctorado
que siga profundizando en la comprensión del nanomundo. Hay cierta polémica
sobre qué tipo itinerario es mejor, con sus defensores y sus detractores para
cada opción (grado generalista o grado específico), pero lo cierto es que la
persona que quiera ser un nanocientífico seguro que llegará a su meta por
cualquier camino. Una vez finalizada la formación como doctor, se deben seguir
los caminos habituales para convertirse en un investigador consolidado bien en
el sector público o en sector privado. Para llegar a ser investigador se
requiere mucha vocación, paciencia, y perseverancia pero también estar al tanto
de las oportunidades (convocatorias, contratos laborales) que ofertan
universidades, gobiernos regionales o nacionales, y empresas. Por otro lado se
espera que la administración pública y las empresas, en el caso de España, inviertan
mucho más en educación, formación, investigación, generación de conocimiento y
su traslado a la sociedad. Sin esta inversión, bien planificada, será imposible
cambiar de modelo económico del que tanto se habla en foros económicos y
políticos, pero esto es otra historia sobre la que habría mucho que hablar y
que se escapa del contenido de este pequeño capítulo.
Referencias:
[1]
J.A. Martín-Gago, Elena Casero, Carlos Briones, Pedro A. Serena, “Unidad
Didáctica Nanociencia y Nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y
la tecnología del futuro.” Fundación Española de Ciencia y Tecnología (2008)
ISBN: 978-84-691-7266-7
[2]
Pedro A. Serena, “La Nanotecnología”, CSIC-La Catarata (2010), ISBN: 978-84-00-09169-9
[3]
José Ángel Martín-Gago; Pedro Serena Domingo; Carlos Briones Llorente; Elena
Casero Junquera, “El nanomundo en tus manos: Las claves de la Nanociencia y la
Nanotecnología”, Colección Drakontos, Editorial Crítica (2014). ISBN:
8498927196
[4]
Pedro A. Serena, J.K. Giraldo, N. Takeuchi, J.D. Tutor (coord), “Guía Didáctica
para la Educación de la Nanotecnología en Educación Secundaria” CYTED y Red
NANODYF (2014). Edición en CD. ISBN: 13 978-84-15413-33-2
[5]
Marta Bermejo y Pedro A. Serena, “Los riesgos de la Nanotecnología”, CSIC-La
Catarata (2017). ISBN: 978-84-00-10185-5
Pedro Amalio Serena Domingo
Doctor
en Ciencias Físicas
Investigador Científico,
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC)
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