Y yo quiero ser…Nanotecnólogo
(Por
José Miguel García-Martín)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Durante la
segunda guerra mundial y los posteriores años de guerra fría, la ciencia
ficción experimentó una época dorada. En sus diversas manifestaciones (cómic,
literatura y cine), se convirtió en una poderosa herramienta para plasmar las
esperanzas y los miedos asociados al desarrollo tecnológico en una época de
grandes transformaciones. La miniaturización fue uno de los temas que más
calado tuvieron, sobre todo a partir de la novela “El hombre menguante” de Richard Matheson, publicada en 1956, de su
adaptación cinematográfica por Jack Arnold un año después, y de la película
“Viaje alucinante” de Richard Fleischer en 1966, que también dio pie a un libro
de igual título de Isaac Asimov. Fue así, con la ciencia ficción de la era
dorada, como empecé a entusiasmarme en mi adolescencia a finales de los años
ochenta con la idea de trabajar con objetos a una escala minúscula. Y no sería
hasta unos años después, cuando ya estudiaba Ciencias Físicas en la Universidad
Complutense, que conocí la Conferencia visionaria que impartió Richard Feynman
a finales de 1959: “Hay mucho sitio al fondo” [1]. En ella, el físico
estadounidense ya anticipaba la manipulación atómica ("arrange
the atoms the way we want"), discutía el almacenamiento en la nanoescala
proponiendo guardar los 24 tomos de la Enciclopedia Británica en un objeto del
tamaño de la cabeza de un alfiler, e incluso apuntaba la posibilidad de emplear
nanodispositivos para la medicina (“swallow the surgeon”). Inauguraba así, de
forma ilusionante, la nanotecnología, es decir, el diseño, la fabricación y la
aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas mediante el control de la forma,
el tamaño y la composición a escala nanométrica.
Cabe preguntarse si la nanotecnología es un nuevo campo del
conocimiento. En la naturaleza podemos encontrar ejemplos de nanoentidades que
juegan un papel importante en la adaptación de especies a su entorno, como por
ejemplo sucede en las alas de las cigarras, que están formadas por nanopilares (de
proteínas, quitina y ceras) que le confieren dos importantes propiedades:
hidrofobicidad y efecto antibacteriano [2]. Y el ser humano lleva cientos de
años produciendo materiales en los que nanoobjetos provocan interesantes
propiedades, como sucede en las cerámicas fabricadas en Persia en el siglo X
durante la Dinastia Abasí, que presentan un efecto iridiscente producido por
nanopartículas de plata precipitadas durante el proceso de cocción [3]. Sin
embargo, lo que ha sucedido en las últimas décadas es que se han desarrollado
herramientas que permiten visualizar esos objetos en la nanoescala, comprender
los fenómenos a que dan lugar, y por último fabricarlos de forma controlada
para optimizar la propiedad deseada. La nanotecnología ha sido posible gracias
a los avances instrumentales, por lo que el nanotecnólogo debe seguirlos de
cerca.
Los nanoobjetos pueden analizarse gracias a los microscopios
electrónicos, desarrollados desde finales de los años 20 del siglo pasado, y
los microscopios de sonda de barrido o SPM, surgidos en los años 80 [4]. Entre
los primeros hay que distinguir entre los microscopios electrónicos de barrido
o SEM (que trabajan con los electrones reflejados y/o re-emitidos y con
voltajes típicos entre 1 y 30 kV) y los de transmisión o TEM (que emplean
electrones que atraviesan la muestra y voltaje entre 100 y 300 kV). Entre los
segundos, primero surgió el microscopio de efecto túnel o STM (que sólo podía
emplearse con muestras conductoras), luego el microscopio de fuerzas atómicas o
AFM, y posteriormente diversas variantes: el microscopio de fuerzas magnéticas Fig. 1. (MFM), el de fuerzas electrostáticas (EFM), el de fricción (SFFM), el de
potencial superficial (KPFM), el de campo cercano (SNOM), etc. Combinando las
técnicas de microscopía electrónica con las de sonda de barrido y con las
nuevas técnicas de microscopía óptica de súper-resolución, no sólo se puede
estudiar la morfología de los materiales en la nanoescala, sino que se tiene
acceso a la composición química, a la estructura cristalina, y a la medida de
diversas propiedades: electrónicas, magnéticas, mecánicas, ópticas…
En cuanto a la fabricación de nanoestructuras, cabe distinguir
dos aproximaciones denominadas descendente y ascendente:
-Por un
lado, al igual que un escultor emplea cincel y martillo para sacar formas de un
bloque de piedra, en la vía descendente (top-down)
se emplean diversas herramientas para miniaturizar o moldear desde lo
macroscópico. Las técnicas más empleadas en la aproximación descendente son la molienda,
el ataque por iones, y diversos tipos de litografía: por luz ultravioleta (se
usan longitudes de onda más cortas para hacer cosas cada vez más pequeñas, hoy
en día ya se emplea el ultra-violeta extremo), por electrones, por haz de
iones, o por nanoimpresión.
-Por otro,
a semejanza del aficionado a Lego que construye casitas uniendo pequeñas
piezas, en la vía ascendente (bottom-up)
se ensamblan nanoentidades (átomos, moléculas), ya sea de forma forzada, ya
mediante procesos de autoensamblado. En lo que respecta a la aproximación
ascendente, las técnicas más conocidas son la síntesis química, la síntesis electroquímica,
la manipulación por SPM, los procesos sol-gel, y las diversas técnicas de condensación
desde fase vapor: la deposición química de vapor (CVD), la deposición de capas
atómicas (ALD), la epitaxia de haces moleculares (MBE), la ablación láser
(PLD), y la pulverización catódica (sputtering).
Todo este conjunto de técnicas permite fabricar de forma
controlada diversas nanoestructuras que podemos clasificar por el número de
dimensiones que poseen en la nanoescala:
-Con una
dimensión, el espesor, se preparan láminas delgadas y ultra-delgadas. Los
discos duros de ordenador o los paneles fotovoltaicos son ejemplos de este tipo
de láminas, en muchos casos formados por varias capas de composición y
espesores distintos (y entonces se las denomina “multicapas”).
-Con dos
dimensiones se fabrican nanotubos, nanohilos, nanopilares y biopolímeros. Por
ejemplo, los nanotubos de carbono son ligeros y muy resistentes, por lo que ya
se emplean en la fabricación de raquetas de tenis y palos de golf y se está
investigando su uso en materiales para aeronáutica.
-Con las
tres dimensiones nanométricas se producen fulerenos, nanopartículas, puntos
cuánticos, dendrímeros y liposomas. A modo ilustrativo, cabe mencionar que
estos últimos son esferas que se emplean como transportadoras de medicamentos
en diversas terapias contra el cáncer.
Conviene
asimismo señalar que todos estos materiales pueden ser susceptibles de “funcionalización”, esto es, de ser modificados en su
superficie e incluso combinarse para dotarles de nuevas funciones o conseguir
una mejora de alguna de sus propiedades. Así, las nanopartículas suelen
recubrirse con surfactantes para impedir que se aglomeren. Y en los sensores de
gases basados en la resonancia de plasmón de una lámina delgada de oro, ésta se
funcionaliza con una capa porosa (por ejemplo formada por nanopilares de
dióxido de titanio) que capta las especies que se desea detectar.
Como acabamos de ver en los ejemplos anteriores, la
nanotecnología ya tiene aplicación hoy en día en tres grandes sectores: tecnologías
de la información y las comunicaciones, energía y medioambiente, ciencias de la
salud y biotecnología [5,6]. Y en ocasiones, un mismo tipo de nanoestructuras
puede ser útil en todos ellos. Por ejemplo, nanoestructuras con propiedades
antibacterianas pueden emplearse en dispositivos de reconocimiento de huella
para impedir la propagación de infecciones en un centro de trabajo, en
dispositivos de tratamiento de aguas y en implantes medicinales.
En mi caso particular, he llegado a trabajar en nanotecnología
desde la Física, esto es, desde el estudio de las entidades elementales de
materia que podemos manipular (los átomos) y de sus diversas interacciones.
Pero puede llegarse a la nanotecnología desde otros campos del saber. Tanto el
desarrollo instrumental como los materiales que forman las nanoestructuras
pueden abarcarse desde la Ingeniería. Dado que en los sistemas nanométricos
cobran especial importancia las superficies y las intercaras donde comienzan
las reacciones, la Química también es una buena base desde la que construir una
carrera profesional en nanotecnología. Como también lo son la Biología, la
Farmacia y la Medicina, puesto que esos sistemas van a relacionarse con entidades biológicas de unos pocos nanómetros
(moléculas orgánicas), de centenares de nm (virus y bacterias) e incluso de
miles de nm (células). Y tampoco hay que olvidar que la Informática y las
Matemáticas pueden proporcionarnos poderosas herramientas de cálculo para
modelizar las propiedades en la nanoescala. Llegamos así a un hecho indudable:
la nanotecnología es un campo eminentemente multidisciplinar. Por ello, el
nanotecnólogo no sólo debe informarse de los recientes avances en su campo de
especialización, sino que debe diversificar su atención, estar atento a los
descubrimientos en otras áreas y, en la medida de lo posible, asistir a
congresos que le permitan abarcar otras disciplinas. Asimismo, es necesario que
consiga crear una red de colaboración que pueda hacer frente a los distintos
retos científico-tecnológicos que encuentre en su labor investigadora, pues
será difícil que pueda resolver todos por sí solo. Y por último, pero no por
ello menos importante, debe ser consciente de los posibles riesgos que puedan
ocasionar la fabricación y el uso de los nanomateriales. La nanotecnología
puede mejorar el mundo en muchos aspectos, pero sólo si se trabaja en ella con
entusiasmo y responsabilidad.
Fig. 1. Imagen de un disco
duro de ordenador obtenida con un microscopio de fuerzas magnéticas (MFM). Los
rectángulos rojos o azules son los bits de información ("unos" o
"ceros").
Referencias:
[1] Richard Feynman: "There'sPlenty of Room at
the Bottom", conferencia impartida en Caltech el 29 de Diciembre de 1959,http://calteches.library.caltech.edu/47/2/1960Bottom.pdf
[2] E. P. Ivanovaet al., “Natural Bactericidal Surfaces:
Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings”, Small 16,
2489 (2012)
[3] D. Erhardt:
“Materials conservation, not-so-new technology”, Nature Materials 2, 509 (2003)
[4] El Premio Nobel de Física de 1986 reconoció estos
descubrimientos: fue compartido entre Ernst Ruska, que construyó el primer
microscopio electrónico de transmisión, y Gerd Binnig y Heinrich Rohrer,
co-inventores del microscopio de efecto túnel:
[5] Unos pocos ejemplos en: J.M. García Martín, “¿Qué
son la nanociencia y la nanotecnología? ¿Cómo afectarán a nuestras vidas?”, Capítulo
68 del Libro “CIENCIA, y además lo entiendo!!!” (Ed.: Q. Garrido Garrido):
http://divulgacioncientificadecientificos.blogspot.com.es/p/libro-book.html
http://divulgacioncientificadecientificos.blogspot.com.es/p/libro-book.html
[6] Y más ejemplos en este excelente ensayo
divulgativo: “La nanotecnología”, Pedro Serena, Los Libros de la Catarata
(2010)
José Miguel García-Martín
Doctor
en Ciencias Físicas
Investigador Científico, Instituto de Micro y
Nanotecnología, CSIC
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