Nanotecnología: el camino y los campos

La “hoja de ruta”

Un estudio  sobre la Iniciativa Nanotecnológica emprendida por los Estados Unidos de América (Roco: NNI: past, present, future; 2007),  identificó cuatro etapas evolutivas de los prototipos industriales y de la comercialización  de nanoproductos durante el lapso 2000-2020. En los siguientes párrafos numerados se hace una síntesis de ese “mapa del camino”.

1. Productos de primera generación: bienes que se comercializan desde aproximadamente el año 2000 y que son estructuras nanométricas pasivas utilizadas para configurar propiedades de la materia a escala normal sin que su comportamiento varíe en el tiempo; son partículas que se utilizan como elementos de  dispersión y contacto que están presentes en aerosoles, recubrimientos, compuestos reforzados, etcétera.

1. Productos de segunda generación: se trata de estructuras activas con fines electrónicos, magnéticos y biológicos las cuales se integran a componentes y sistemas y dispositivos de tamaño micro. Se comercializan aproximadamente desde 2005,  y son de dos tipos: unas, las estructuras biológicas que se encuentran presentes en medicamentos  y en biodispositivos, tales como tejidos y músculos artificiales y, otras, las físico-químicas que operan en transistores, amplificadores y otros dispositivos electrónicos.

1. Productos de tercera generación: son artículos que se están incorporando a la canasta de los consumidores durante el actual lustro 2010-2015. Se trata de sistemas tridimensionales  utilizados en bioensamblaje, en dispositivos de  robots, en sistemas de ingeniería supramolecular, en la fabricación de tejidos artificiales, en el uso de fotoelectrones para transmitir información, así como en procesos de ensamblado de nanosistemas mecánico-eléctricos (NEMS). Habrá también productos que servirán como plataformas de convergencia entre la nanotecnología, la biotecnología, la informática y las ciencias del cerebro o cognitivas.

1. Productos de cuarta generación: se trata de productos que estarán debutando en los mercados del 2015 en adelante, tales como sistemas moleculares que permitirán fabricar máquinas y herramientas a escala nanométrica, dispositivos interfaces hombre-máquina en tejidos y sistema nervioso, así como estructuras biológicas con fines médicos y agrícolas.

Además de esta visión por etapas podemos revisar brevemente los principales campos de desarrollo, a fin de tener una idea más cercana de lo que son los procesos y productos nanos.

De acuerdo a la Real Sociedad y Academia de Ingeniería del Reino Unido (Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties; 2004) son cuatro los grandes campos en los que se agrupa el desarrollo de las nanodisciplinas: 1) Nanomateriales; 2) Nanometrología; 3) Electrónica, Optoelectrónica y Tecnologías de la Información y Comunicación; 4) Bionanotecnología y nanomedicina.

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Nano (1D+2D+3D)

Los nanomateriales constituyen una de las áreas de mayor importancia y de las primeras en ser investigadas. Los hay de una nanodimensión (grosor), de dos nanodimensiones (grosor y altura) y de tres nanodimensiones (grosor, altura y longitud).

Los de una dimensión por lo general son recubrimientos, sustancias en forma de “películas” o capas para proteger materiales y superficies; se utilizan en la industria química, en la ingeniería y en la electrónica desde hace décadas.

Los nanotubos de carbono, nanotubos inorgánicos, nano cables, biopolímeros, son materiales de dos dimensiones nanométricas a los cuales podemos representar mentalmente como si fueran popotes diminutamente angostos (en nanómetros) pero de gran longitud (en milímetros). Estos nanoproductos bidimensionales podrán ser llevados a los mercados en un mediano plazo.

Las nanopartículas de tres dimensiones -a las que podemos representar mentalmente como invisibles granos de polvo- han despuntado de manera notoria en su uso durante los últimos años, pues se encuentran presentes en cosméticos, protectores de piel, lentes para sol, materiales para la construcción, ventanas repelentes al agua y al polvo. En el transcurso de la presente década se utilizarán en pinturas, anticontaminantes de tierra y agua, catalizadores de hidrógeno para generar combustible, en pantallas de televisores, computadoras y monitores de todo tipo,  en baterías (“pilas”), así como en aditivos para combustibles.

Nanoscopios

En lo que se refiere a la nanometrología, que consiste en el estudio de la medición de las dimensiones y las fuerzas a escala nanométrica, un paso decisivo fue la invención durante los años ochenta del siglo XX de los microscopios de Efecto Túnel y de Fuerza Atómica (STM y AFM).

El Microscopio de Efecto Túnel (o “atunelado”) permite ver a escala nanométrica de una manera indirecta, mediante la representación del objeto en una pantalla de computadora y no mediante una ampliación de la imagen del objeto a través del paso de su luz reflejada a través de unos lentes (como sucede con los microscopios ordinarios). Para ello el STM utiliza una fina “aguja” eléctricamente conductora, que escanea la superficie del objeto a una distancia de 10 nanómetros. El flujo de electrones que va de la aguja a la superficie mantiene constante esa distancia. Si la superficie sube, aquella también lo hace, si baja, también desciende. De este modo las vibraciones de la aguja permiten trazar gráficamente la imagen de la superficie en la pantalla o monitor.

Lo decisivo que aporta este instrumento es que además de permitir la observación de estructuras de escala atómica, permite moverlas y ensamblarlas del modo siguiente: al incrementar el voltaje que corre por la aguja del microscopio, se logra que los átomos se adhieran –uno a uno- a la punta de la misma; por el contrario, al descender el voltaje, el átomo se “suelta” con lo cual puede ser reubicado de sitio. Con ese procedimiento en 1989 se “levantaron” 35 átomos de xenón (un gas inerte) para ser colocados sobre una superficie de cristal de níquel, formando un logotipo de menos de 3 nm. con las letras IBM. Los científicos Berd Binnig y Heinrich Rohrer, creadores del STM, obtuvieron en 1986 el premio Nobel de Física.

El Microscopio de Fuerza Atómica opera de acuerdo a un principio semejante: una aguja va tocando y “leyendo” una determinada superficie a la que reproduce en una imagen en pantalla. Este tipo de microscopio tiene la ventaja de que permite trabajar con materiales que no son altamente conductores de electricidad, es decir con células, tejidos y material biológico en general, lo cual amplia considerablemente el rango de sus aplicaciones en la medicina, la salud y la genética.

Nanotransistores y nanomedicina

Es en las áreas de la electrónica, de la información y de la computación, donde la nanotecnología ha tenido un desarrollo más notable, como ya se comentó en anterior colaboración. Su aplicación ha impulsado la expansión de las capacidades de memoria  y de velocidad en el procesamiento de la información con el consiguiente cumplimiento de la “Ley de Moore”, la cual establece un ritmo aproximado de año y medio/dos años para duplicar la capacidad y velocidad de desempeño de los circuitos. Lo anterior está asociado al gran salto en la productividad que hizo posible una reducción de más de mil veces en los costos de producción de un transistor en el lapso transcurrido entre fines de los años sesenta y los primeros del siglo XXI.

La nanomedicina parece ser  otra de las áreas más prometedores en el mediano y largo plazo, específicamente en lo referente a detección, diagnosis y administración de medicamentos, implantes de prótesis y procesamiento de imágenes médicas.

En este campo se prevé que la nanotecnología, confluyendo con la biotecnología, la robótica y la neurología, abrirá en el largo plazo la posibilidad de trascender un conjunto de limitaciones físicas y mentales del ser humano, permitiéndole a las personas  ser más saludables, más fuertes, más inteligentes, más capaces, más longevas, etcétera. De hecho la  nanomedicina tendrá repercusiones trascendentales en las condiciones -materiales y mentales- de existencia de los individuos, en los años y en la calidad de vida de las personas, así como en la reproducción de la especie humana, la cual podrá ser genéticamente diseñada. Se considera incluso que será posible trascender nuestra condición de seres biológicamente programados para morir.  

Estos  sensibles y  polémicos  aspectos de las repercusiones nanotecnológicas -y que impactarán tanto en la ética como en la política, en la filosofía como en la psicología-  se abordarán en una colaboración futura.

En la actualidad se utilizan nanopartículas de óxido de plata en productos antibacteriales, así como también se hace uso rutinario de  moléculas de ácido desoxirribonucleico (DNA) para el análisis en laboratorios de genes y proteínas. En esta área, por supuesto, la aplicación de los conocimientos y descubrimientos es más lenta que en otros campos ya que las regulaciones establecen  estudios y años de pruebas para validar el uso de los nuevos medicamentos y métodos clínicos.  

Hecho este recuento de evolución y áreas, en la siguiente colaboración se verá el por qué el dominio nanotecnológico es considerado  estratégico por los gobiernos, los ejércitos, los centros de investigación y las grandes empresas en el mundo.