Nanotecnolog¨ªa y nanociencia: hoy y ma?ana

Recientemente la investigaci¨®n en materiales de escala mesosc¨®pica a nanosc¨®pica (es decir, en la dimensi¨®n de 100 a 0.5 nan¨®metros) ha adquirido un enorme impulso y est¨¢ provocando un r¨¢pido desarrollo de campos interdisciplinares relacionados con la f¨ªsica, la qu¨ªmica, la biolog¨ªa y varias ingenier¨ªas de aplicaci¨®n. El t¨¦rmino nanotecnolog¨ªa es un descriptor gen¨¦rico para aquellas ¨¢reas de la ciencia y la tecnolog¨ªa donde las diminutas proporciones de las estructuras juegan un papel predominante. Estas investigaciones tienen gran importancia estrat¨¦gica para el desarrollo de nuevos materiales altamente funcionales y para integrar materiales inorg¨¢nicos, org¨¢nicos y biol¨®gicos en la materia viva. Nanociencia y nanotecnolog¨ªa est¨¢n adquiriendo un protagonismo considerable en los ¨¢mbitos cient¨ªfico y tecnol¨®gico, y tambi¨¦n, en cierto grado, en el dominio p¨²blico. Un curso titulado Nanotecnolog¨ªa y Nanociencia organizado por la Universidad Internacional Men¨¦ndez Pelayo y celebrado recientemente en Valencia, ha reunido varios especialistas en diferentes campos cient¨ªficos (f¨ªsica, qu¨ªmica y biotecnolog¨ªa) que ofrecieron una visi¨®n muy actualizada de los ¨²ltimos avances, as¨ª como interesantes prospectivas para el futuro. En este art¨ªculo trataremos de resumir de forma asequible las principales ideas presentadas en el curso, particularmente las que resultan de inter¨¦s para los ciudadanos en general.

Ser¨ªa muy deseable que la Comunidad Valenciana y Espa?a se incorporen de forma vigorosa a estos desarrollos

En primer lugar hay que indicar que el sufijo nano no conlleva ning¨²n misterio especial. El nan¨®metro es una unidad de longitud que se obtiene al dividir 1 mil¨ªmetro un mill¨®n de veces. Si dividimos el nan¨®metro, todav¨ªa m¨¢s, por 10, obtenemos el angstrom, que es la escala del tama?o de un ¨¢tomo. Por lo tanto la nanociencia consiste en el estudio de los fen¨®menos que se presentan en un sistema formado por un agregado de algunas decenas o centenares ¨¢tomos. Estos agregados se pueden utilizar como componentes b¨¢sicos para formar estructuras mucho mayores.

Se puede distinguir entre nanopart¨ªculas de materia dura (inorg¨¢nica), o los agregados de materia blanda que forman las piezas b¨¢sicas de las estructuras vivas. La biotecnolog¨ªa ser¨ªa la parte mojada de la nanotecnolog¨ªa. En la parte seca, la base de la nanotecnolog¨ªa es cualquier tipo de material (metal, cer¨¢mico, pol¨ªmero, semiconductor, vidrio, compuestos) creado con componentes de nanoescala (agregados moleculares o nanopart¨ªculas, nanotubos, nanocapas, etc.) que a su vez se sintetizan a partir de ¨¢tomos o mol¨¦culas.

La nanociencia surge del encuentro de dos tendencias hist¨®ricas de la ciencia y la tecnolog¨ªa del siglo anterior. Una de ellas, la ascendente (bottom-up), consiste en formar materiales a partir de mol¨¦culas espec¨ªficamente dise?adas. Este es el dominio convencional de la qu¨ªmica. La tendencia inversa, la descendente (top-down) persigue reducir el tama?o de los dispositivos existentes. La miniaturizaci¨®n es un proceso bien conocido que ha llevado al desarrollo actual de la microelectr¨®nica. En particular, la continua reducci¨®n de los sistemas de almacenamiento de memoria y transmisi¨®n de informaci¨®n sustenta el desarrollo espectacular de las capacidades de los ordenadores. La denominada ley de Moore que predice que el n¨²mero de transistores en un chip se dobla cada 18 meses fue enunciada en 1959 y sigue siendo valida hoy en d¨ªa.

El auge actual de la nanociencia proviene de algunos avances cient¨ªficos obtenidos en la ¨²ltima d¨¦cada del siglo XX que permiten manipular la materia a escalas muy finas. Se han desarrollado nuevos instrumentos, como el microscopio de fuerza at¨®mica, que resuelven y act¨²an sobre la materia en la escala del nan¨®metro. De este modo, donde los cient¨ªficos ten¨ªan que conformarse con estudiar las propiedades estad¨ªsticas de las mol¨¦culas y las c¨¦lulas vivas, ahora pueden investigar sus propiedades individuales, trat¨¢ndolas una a una. La nanotecnolog¨ªa persigue el objetivo de construir al mayor nivel de refinamiento, de ¨¢tomo en ¨¢tomo, logrando la perfecci¨®n molecular.

En el campo cient¨ªfico, las nanoestructuras han despertado enorme inter¨¦s ya que proporcionan una amplia gama de nuevos fen¨®menos f¨ªsicos. Dado que muchas propiedades f¨ªsicas dependen de una longitud cr¨ªtica es posible, y as¨ª se hace hoy en d¨ªa, manipular las propiedades ¨®pticas, el¨¦ctricas o mec¨¢nicas de los materiales mediante un control preciso del tama?o de sus componentes b¨¢sicos. En el terreno pr¨¢ctico, el control sobre las propiedades puede dar lugar a una enorme variedad de nuevos dispositivos y materiales ¨²tiles. Muy probablemente ser¨¢ posible dise?ar a prop¨®sito las propiedades de las nanoestructuras para que realicen funciones espec¨ªficas en sistemas mejores, m¨¢s r¨¢pidos, m¨¢s peque?os y m¨¢s baratos. As¨ª pues, es muy probable que la nanotecnolog¨ªa llegue a afectar muchos aspectos de nuestras vidas: nuevos sistemas de iluminaci¨®n basados en dispositivos de estado s¨®lido (leds) de alta eficiencia que permitir¨¢n un ahorro considerable de energ¨ªa (pues el 80% de la energ¨ªa que utiliza una bombilla hal¨®gena se transforma en calor), la electr¨®nica org¨¢nica que permitir¨¢ desarrollar pantallas de pl¨¢stico, plegables y flexibles y, porqu¨¦ no, integrar el resto de los componentes de los actuales ordenadores port¨¢tiles en la propia pantalla; incluso el agua que bebemos y el aire que respiramos se ver¨¢n afectados por la nanotecnolog¨ªa, ya que las nanoestructuras pueden crear sistemas de filtrado que capturen la mayor¨ªa de toxinas del aire o eliminen los contaminantes del agua que tomamos. Los dispositivos de nanoescala y las interfaces nano-bio-electr¨®nicas pueden permitir la monitorizaci¨®n y el control de las actividades biol¨®gicas de las c¨¦lulas vivas, y de redes multicelulares en vivo y en vitro, con medios el¨¦ctricos, electromec¨¢nicos, qu¨ªmicos u ¨®pticos para obtener bio-se?ales que podr¨¢n utilizarse para el diagn¨®stico y tratamiento de pacientes a distancia.

En los ¨²ltimos tiempos, miembros prominentes de la comunidad cient¨ªfica como Richard E. Smalley (premio Nobel en 1996 por el descubimiento de nuevas nanoestructuras de carbono) han se?alado el problema de la energ¨ªa como el desaf¨ªo principal que se plantea ahora para la ciencia y la tecnolog¨ªa. El consumo energ¨¦tico actual en el mundo (obviamente concentrado en los pa¨ªses m¨¢s industrializados) exige unos 12 trillones de vatios. El 85% de esta energ¨ªa proviene de la quema de combustibles f¨®siles. Esta situaci¨®n, y su progresi¨®n creciente en el futuro, no puede mantenerse por las serias implicaciones de la desestabilizaci¨®n del sistema clim¨¢tico, y asimismo por limitaciones de los recursos de petr¨®leo y las consecuentes tensiones sociales. Para el 2050 se requerir¨¢n quiz¨¢s 3 veces m¨¢s de energ¨ªa, y al menos un 85% de esta deber¨ªa producirse con una fuente limpia e inagotable, a partir de la luz solar. Esta necesidad constituye un desaf¨ªo formidable, para abaratar unas 100 veces los dispositivos de conversi¨®n de energ¨ªa solar en electricidad. La nanotecnolog¨ªa encuentra un campo enorme de actuaci¨®n, no s¨®lo en el desarrollo de nuevas c¨¦lulas solares m¨¢s baratas y eficientes, sino en toda la gama de materiales que contribuyen al transporte y consumo de energ¨ªa (cables, veh¨ªculos, etc.).

En consecuencia, la nanociencia que se realiza ahora puede tener un enorme impacto en la tecnolog¨ªa y la sociedad del futuro. Quiz¨¢s la llegada a la calle de estos desarrollos se haga manifiesta a partir de unos 10 a?os. En t¨¦rminos de mercado, se tratar¨¢ de productos basados en conocimientos y procesos sofisticados, con un enorme valor a?adido. En t¨¦rminos sociales, el valor de los conocimientos que resulten de las actuales investigaciones, puede ser incalculable. La nanotecnolog¨ªa puede tener la respuesta, en la medida en que haya respuesta, a muchas de nuestras necesidades materiales.

Es f¨¢cil entender que ser¨ªa muy deseable que nuestro entorno inmediato, Comunidad Valenciana y Espa?a, se incorpore de forma vigorosa a estos desarrollos. No solamente mediante la producci¨®n de publicaciones cient¨ªficas en estos temas m¨¢s o menos de moda, sino con la realizaci¨®n de pol¨ªticas de investigaci¨®n efectivas que den lugar a centros que acumulen conocimientos cient¨ªficos y desarrollos aplicados y produzcan aut¨¦nticas innovaciones. En estos asuntos no conviene enga?arse: la investigaci¨®n, seria y competitiva, en nanotecnolog¨ªa, requiere instrumentaci¨®n moderna y equipamientos costosos, es decir, la inversi¨®n de enormes cantidades de dinero, algo que ya se produce desde hace algunos a?os, sin titubeos, en EEUU y Jap¨®n. Tambi¨¦n ser¨¢ importante formar nuevas generaciones de investigadores con estilos de investigaci¨®n 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 ser¨¢, sin duda, imprescindible.

En resumen, hay expectativas razonables de que a lo largo de la pr¨®xima d¨¦cada la nanociencia y la nanotecnolog¨ªa actual habr¨¢n madurado lo suficiente para hacer que todos estos avances cient¨ªfico-t¨¦cnicos empiecen a tener aplicaciones pr¨¢cticas que repercutir¨¢n en la econom¨ªa y en muchos aspectos de nuestras vidas. Hemos de intentar coger este tren y apostar decididamente por la investigaci¨®n, generando las estructuras y mecanismos necesarios que nos permita situarnos en los vagones de cabeza mediante la inversi¨®n adecuada en infraestructura material y en la formaci¨®n de una nueva generaci¨®n de cient¨ªficos y tecn¨®logos. La innovaci¨®n y el desarrollo made in Val¨¨ncia llegar¨¢n a continuaci¨®n.

Juan Bisquert (Universidad Jaume I) y Bernab¨¦ Mar¨ª (Uiversidad Polit¨¦cnica de Valencia) son catedr¨¢ticos de F¨ªsica Aplicada. Email: bisquert@uji.es