¿Qué es la NANOTECNOLOGÍA?

Física de Hoy

Nanotecnología
Para conocer qué es la Nanotecnología, empecemos por aclarar el significado del prefijo:
"nano" - éste hace referencia a la milmillonésima parte de un metro. Un átomo es la quinta parte de esa medida, es decir, cinco átomos puestos en línea suman un nanometro.
Pues bien, todos los materiales, dispositivos, instrumental, etc., que entren en esa escala, desde 5 a 50 ó 100 átomos es lo que se conoce con el nombre de Nanotecnología.

¿Qué es exactamente la nano tecnología y cuál su momento de nacimiento?

Empezando por el final, yo me remitiría a una conferencia impartida en 1959 por uno de los grandes físicos del siglo pasado, el maravilloso teórico y divulgador Richard Feynman. Por aquél entonces, Feynman ya predijo que había un montón de espacio al fondo (el título original de la conferencia fue “There’s plenty of room at the bottom”) y auguraba una gran cantidad de nuevos descubrimientos, si se pudiera fabricar materiales de dimensiones atómicas o moleculares. Hubo que esperar varios años para que el avance en las técnicas experimentales, culminado en los años 80 con la aparición de la Microscopía Túnel de Barrido (STM) o de Fuerza Atómica (AFM), hiciera posible primero observar los materiales a escala atómica y, después, manipular átomos individuales.
Ahora, con respecto a qué es la Nanotecnología, empecemos por aclarar el significado del prefijo “nano”: éste hace referencia a la milmillonésima parte de un metro. Para hacernos idea de a qué escala nos referimos, pensemos que un átomo es la quinta parte de esa medida, es decir, cinco átomos puestos en línea suman un nanometro. Bien, pues todos los materiales, dispositivos, instrumental, etc., que entren en esa escala, desde 5 a 50 ó 100 átomos es lo que llamamos Nanotecnología.

¿Y algo de ese tamaño merece el "nombre" de material? ¿no es puro humo?...
Sin dudas, siguen siendo materiales y tienen su comportamiento específico... sólo que puede ser muy sorprendente. A esa escala las propiedades de los materiales cambian. Desde el color, que viene determinado por unas longitudes de onda demasiado grandes para estos tamaños, hasta propiedades como la conductividad, magnetismo, etc. que, a esa escala, pueden comportarse de modo muy diferente al que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico. Esto, en cierto modo, podría parecer un problema: imaginemos que partes de un material, con unas propiedades conocidas que, sin embargo, cambian completamente a escala nanométrica. ¡Pues es un despiste! Un material cualquiera, a escala óptica, tiene, pongamos cuatrillones de átomos que, juntos, interaccionan y dan como resultado unas determinadas cualidades del material. Cuando esa cifra la reducimos a unos pocos cientos, el salto afecta a la esencia misma del material. En definitiva, las propiedades dependen del tamaño.

¿Qué significa poder intervenir a ese tamaño, usando ese instrumental al que se ha hecho referencia al principio?
Algo fundamental es que esta tecnología abre la posibilidad de creación de materiales a medida, a través de la manipulación de sus átomos. Y cuando digo manipulación lo digo en sentido estricto: conociendo las propiedades de los átomos, estos se pueden organizar de una determinada manera, uno a uno, como un LEGO, lo que da como resultado materiales de condiciones predeterminadas, que además no tienen por qué existir en la naturaleza. No obstante, a un nivel muy práctico, todavía, salvo excepciones, no se ha introducido la nanotecnología dentro de las fábricas, en una cadena de producción industrial, aunque, como digo, hay ya algunos resultados que sí resultan relativamente asequibles.

¿Cómo por ejemplo?
Pues, por ejemplo, en EEUU, para las luces de los estadios se utiliza una aplicación muy específica de esta tecnología, lo que se denomina tubos de carbono de tamaño nanométrico o nanotubos. En Japón, los paneles luminosos también se fabrican ya a partir de materiales semiconductores con nanoestructuras. Como sabemos, las bombillas pierden una cantidad de energía enorme en forma de calor (alrededor del 80%, en una bombilla corriente y algo menos en las de tubo). La aplicación de esta tecnología vendría a representar un ahorro muy importante en ese aspecto. También se está investigando para incorporar la misma tecnología a las pantallas planas de los ordenadores o televisores, por su buena capacidad como conductores y emisores de electrones, y un largo etcétera.

¿Cuáles son las dificultades para comercializar estos dispositivos?
En el momento actual, este campo se halla en un estadio que podríamos denominar pre-industrial, a nivel de demostración y diseño de prototipos.
EEUU tomó la iniciativa en este campo durante la última etapa del gobierno de Clinton, aprobando un presupuesto realmente importante para un programa denominado Iniciativa Nacional sobre Nanotecnología, cuyos resultados ya están apareciendo.
También la Unión Europea ha incluido la Nanotecnología como una de las áreas clave en su Sexto Programa Marco, iniciado recientemente y que marca las prioridades en investigación de los países europeos para los próximos años. Y evidentemente, también Japón destina importantes recursos a estos estudios. Todos estos saben que estas tecnologías tendrán una aplicación práctica dentro de pocos años, y que estarán presentes en todos los campos de las ciencias. A nivel español, hay bastantes grupos de investigación activos en estos temas, aunque todavía no mucha presencia de las empresas. Quizá no hayan percibido aún que esto no es ciencia-ficción. Esto es absolutamente real.
Es cierto que existen condicionantes de tipo social, cultural o económico que, al final, determinan el éxito o fracaso de una nueva tecnología. Sin embargo, las posibilidades que actualmente se adivinan para este tipo de materiales hacen pensar que serán realmente imparables. Se ha hablado ya de la Tercera Revolución Industrial.

¿Es una tecnología muy cara?
Desde el punto de vista de la investigación yo diría que no es de las más caras, ni mucho menos. En lo que respecta a la fabricación industrial, falta todavía bastante para llegar al nivel de rentabilidad, pero se apunta a una producción realmente masiva y con unos costos de producción muy bajos. Este aspecto económico es algo muy distintivo en la Nanotecnología: por la poca energía que consumen los dispositivos derivados y por la facilidad para situarlos en cualquier punto, se espera que acaben estando presentes en todos los objetos y materiales que nos rodean cotidianamente. Los análisis indican que estas tecnologías pueden llegar a revolucionar la economía, los sistemas de producción y los niveles de vida en un futuro inmediato.

Creo que antes mencionaste algunas aplicaciones: sustituir iluminación a gran escala, en las pantallas de los ordenadores, ¿podrías citar más ejemplos?...
Todo lo que uno pueda imaginar. Desde dispositivos nanométricos instalados en la ropa, que, por ejemplo, detecten cambios de temperatura y, entonces, las cualidades del tejido se adapten, o detecten lluvia e igual, pase de comportarse de modo impermeable a permeable o cambien de color en función de la luz..... Otro ejemplo práctico, que es real y que ya se ha experimentado, es un plástico que se auto-regenera cuando se rompe. Su composición nanométrica está formada por esferitas de dos tipos: unas que contienen en su interior una resina y otras que contienen el catalizador correspondiente. Pues bien, cuando se quiebra el plástico también se quiebran estas esferitas cuyos contenidos se mezclan igual que un pegamento epoxy. Piensa en la fatiga de los materiales que se utilizan en la aviación, por ejemplo, y encontrarás una aplicación bastante evidente....
Otro ejemplo: dentro de un medicamento, un dispositivo que dosifique su administración controlando que el vertido se realice en un lugar localizado dentro del sistema circulatorio. También en el caso de la Medicina, se espera poder producir sistemas que reparen lesiones (como tumores cancerosos) en los puntos específicos afectados del organismo, o sensores que detecten con gran sensibilidad y precisión la existencia de determinadas moléculas. Todo esto involucra a las ciencias Química y Bioquímica, Biología Molecular y Física y a las tecnologías de la Ingeniería Electrónica y de Proteínas. No obstante, el ejemplo más significativo está increíblemente extendido ya hoy en día: las cabezas lectoras de los discos duros actuales, que tienen un elemento sensor de un espesor nanométrico (de unas pocas capas atómicas). Esta tecnología ha permitido incrementar enormemente la densidad de almacenamiento de datos. En nuestro departamento, por ejemplo, trabajamos precisamente en esta línea, entre otras: aumentar la capacidad de los discos duros, ordenadores y otros dispositivos en un factor entre 100 y 1000 veces.

¿Con qué instalaciones se cuenta para investigar en estas tecnologías?
Bueno, la UAM tiene una infraestructura razonablemente buena a nivel europeo. A nivel español estamos en el pequeño grupo de las universidades con mejor dotación. Este campus se construyó a principios de los años 70, con un modelo inspirado en la imagen de las principales universidades europeas y norteamericanas, con un profesorado muy joven, y ha tenido siempre una fuerte tradición investigadora. En cuanto a instalaciones específicas, son muchas para citarlas aquí. Hay muchos grupos llevando a cabo investigación en diferentes campos, y cada uno de ellos tiene su instrumental propio, incluyendo microscopios de efecto túnel, difractómetros, magnetómetros, criostatos para muy bajas temperaturas, etc. Pero también hay que resaltar que la propia Universidad posee varios equipos para uso común: un centro de computación científica, microscopios electrónicos, sistemas de nanolitografía e incluso un acelerador de iones de los más modernos del mundo, en la actualidad.

Juan J. De Miguel
Profesor Titular en el Departamento de Física de la Materia Condensada.
Imparte la asignatura de Física II en Ingeniería Informática y los cursos de doctorado de Sistemas de Baja Dimensionalidad y Nanoestructuras y Auto-ensamblaje y Auto-organización.