La nanotecnología: El mundo de las máquinas a escala nanométrica

© Antonio José Acosta Jiménez, 2019.

© de esta edición digital: RBA Libros, S.A., 2019.

Diagonal, 189 - 08018 Barcelona.

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REF.: ODBO633

ISBN: 9788491875260

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Índice

Introducción

Evolución de la nanotecnología y relevancia en la actualidad

Efectos y comportamientos propios de la nanoescala

Nanoestructuras y nanomateriales

Herramientas y métodos de fabricación

Aplicaciones de la nanotecnología

El futuro y los límites de la nanotecnología

Bibliografía

Introducción

La tecnología ha acompañado desde siempre al género humano y lo ha ayudado decididamente a dominar su entorno. La evolución científico-tecnológica nos está llevando hoy en día a cotas de conocimiento y recursos impensables hace unos años, cuyos beneficios todos disfrutamos a diario. Tras cada revolución tecnológica, la humanidad sube un escalón en su evolución, alcanzando cotas de bienestar cada vez mayores. Pese a que ya haya comenzado a disfrutarla, posiblemente el lector es ajeno a que, en este momento, la humanidad está subiendo el peldaño que nos permitirá controlar también el mundo invisible a través de la nanotecnología: la ingeniería del mundo atómico y molecular.

Las dimensiones estimadas del universo observable son aproximadamente 1,37·10²⁶ m. Si consideramos el radio clásico del electrón (3·10–15 m) como la magnitud más pequeña de la que tiene sentido hablar, todo el universo conocido se describe en 42 órdenes de magnitud. El ojo humano es capaz de atisbar a simple vista desde 10–4 m hasta galaxias próximas (2·10²² m), es decir, unos 27 órdenes de magnitud. De los 15 órdenes de magnitud que no podemos observar a simple vista, 11 de ellos están en la micro y nanoescala. Por este motivo siempre al ser humano le ha fascinado lo grande, por inmenso e inabarcable, y lo pequeño por inaccesible y desconocido. El nanomundo nos parece algo inaccesible y remoto, pues no podemos verlo a simple vista, pero es igualmente fascinante y de posibilidades insospechadas. Sorprendentemente, se parece muy poco al mundo macroscópico en el que vivimos. A pequeña escala, las propiedades de los materiales cambian de manera ostensible: sustancias inertes se convierten en agresivas, opacas en transparentes, sólidos en líquidos, aislantes en conductores y casi todo cambia de color. Teniendo en cuenta que son los mismos átomos los que forman las estructuras que sustentan la vida o las que forman una roca, está claro que tan fundamental como la composición, es la estructuración. Así pues, la manipulación de los componentes de la materia, átomos y moléculas, con el fin de modificar estructuras existentes y crear estructuras nuevas, puede traer enormes beneficios. Y ese es el fin último de la nanotecnología: ofrecer soluciones simples a grandes problemas de la humanidad mediante la manipulación controlada del nanomundo.

Atendiendo a la etimología de la palabra «nanotecnología», está formada por el prefijo de origen griego nano (νάνος), que significa «enano», y tecnología, cuyo significado es entendible para todos. El prefijo nano indica 10–9 en la escala del Sistema Internacional de Unidades. Así, nanotecnología formalmente significa «tecnología en la escala de los nanómetros o nanoescala» e indica precisamente eso, todas las tareas de estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de todo tipo de artefactos y sistemas funcionales que se realizan por intervención humana en la escala de los nanómetros. Incluye también todos los procedimientos, técnicas y metodologías, así como las posibles aplicaciones en todos los ámbitos de la ciencia y la tecnología.

El desarrollo moderno de la nanotecnología es muy reciente, pues hasta el último cuarto del siglo XX no se han desarrollado técnicas de visión y manipulación de átomos. El término «nanotecnología» no se acuñó hasta 1974, y ha sido en las tres últimas décadas cuando la evolución vertiginosa de la nanotecnología está ofreciendo productos y resultados que, o están ya incorporados en productos industriales y de consumo diario, o bien se encuentran en fase de desarrollo en laboratorios de investigación diseminados por el mundo.

En paralelo al desarrollo científico-técnico, el concepto de nanotecnología se va extendiendo en nuestra sociedad, que le da el carácter de «última tecnología» o «tecnología avanzada» sin tener muy claro en qué términos se usa ni qué significa exactamente. Es más, en ocasiones tras este término se esconden efectos o fenómenos no bien comprendidos o explicados. En cualquier caso, basta añadir el prefijo «nano» a un proceso o producto convencional para proporcionarle un valor añadido o un halo de misterio y efectividad, al amparo de lo invisible. La terminología científica añade el prefijo «nano» a un producto si tiene dimensiones muy pequeñas (a un transistor, un tubo, un hilo o una partícula, de dimensiones muy pequeñas, se les llama nanotransistor, nanotubo, nanohilo o nanopartícula). Estas no son simplemente estructuras pequeñas, sino que la reducción en la escala también las hace muy diferentes.

Para entender bien el alcance de la nanotecnología, es imprescindible saber en qué lugar de la escala de tamaños nos movemos. Ya se ha dicho que «nano» indica 10–9 en la escala del Sistema Internacional de Unidades. Por tanto, 1 nm (un nanómetro) equivale a 0,000000001 m, es decir, la milmillonésima parte de un metro, la millonésima parte de un milímetro, o la milésima parte de una micra. Para entenderlo mejor, basta decir que 1 nm es la dimensión de una molécula pequeña y solo entre 2 y 10 veces el diámetro de un átomo. Dicho de otra forma, 1 nm es a una manzana lo que la manzana es al planeta Tierra. Estamos hablando, por tanto, de dimensiones atómicas, si bien por nanométrico se entiende todo aquello que tiene dimensiones de entre 1 nm y 100 nm. El mundo por debajo del nanómetro se conoce como subnanométrico, y por encima de los 100 nm como submicrométrico. Existe, sin embargo, cierta controversia sobre dónde está la frontera real entre el mundo nanométrico y el submicrométrico. Más que el límite de las dimensiones en sí, son las propiedades y la naturaleza del objeto las que le dan o no el carácter nanotecnológico.

La nanotecnología ha encontrado numerosos nichos de aplicación en dominios muy diferentes. Podría pensarse que, al ser las soluciones nanotecnológicas muy pequeñas, las aplicaciones serán necesariamente pequeñas. Sin embargo, las propiedades de los productos nanotecnológicos se han mostrado extensibles al mundo macroscópico, razón por la que el dominio de aplicación no está vinculado al tamaño y hay aplicaciones nanotecnológicas por doquier. La nanotecnología ha convertido la ciencia de materiales y la electrónica en los nanomateriales y la nanoelectrónica, campos que, por su carácter transversal, tienen aplicaciones directas en todos los dominios de la tecnología, allá donde se necesiten materiales más ligeros y resistentes (transporte, construcción, etc.) y electrónica de última generación (sistemas inteligentes). Por la importancia e impacto que las soluciones nanotecnológicas tienen en la sociedad, cabe destacar las aplicaciones en biomedicina (diagnóstico y terapia inteligentes, nuevos fármacos e implantes, eliminación de patógenos, células y tejidos artificiales, terapia génica y celular, instrumental de precisión), computación y comunicaciones (nuevas generaciones de ordenadores y smartphones, almacenamiento de datos, internet de las cosas), y generación y almacenamiento de energía (energías limpias, pilas de combustible), donde la nanotecnología está llamada a proporcionar soluciones innovadoras y rompedoras. No obstante hay aplicaciones en sectores tan diversos como la arquitectura (materiales autorreparables, vidrios y pinturas antihumedad, antipolvo, antigrafitis y antisuciedad), el de alimentación (mejora de calidad y seguridad alimentarias con nanobiosensores, nuevos envases y alimentos), el agropecuario (fertilizantes, fitosanitarios, detección de plagas), el textil (tejidos inteligentes, autolimpiables, antiolor, antimanchas, reguladores de temperatura, ignífugos), el deportivo (raquetas o pelotas de golf), el medioambiental (materiales y procesos no contaminantes, depuración y desalinización de agua, saneamiento de acuíferos y suelos, detección de gases tóxicos), el militar (armas nanotecnológicas, sistemas de defensa inteligente), el de transportes (materiales antirrayadura, iluminación), etc. En todos ellos se ofrecen productos de gran relación calidad-coste, resistencia y prestaciones, a los que no se puede llegar desde la tecnología convencional.

La disminución en las dimensiones de los sistemas hasta la escala atómica, así como la confluencia de las distintas áreas de aplicación (medicina, ingenierías) con las ciencias básicas (física, química, biología), dotan a la nanotecnología de un carácter fuertemente interdisciplinar, en el que participan expertos con distinta formación y perspectiva, lo que ha enriquecido enormemente su desarrollo. La evolución de la física electrónica permitió proporcionar primero soluciones microelectrónicas (desde la década de 1970), que pasaron luego a ser nanoelectrónicas (ambas sustentan la actual sociedad de la información y las comunicaciones). La física de estado sólido está evolucionando hacia los nanomateriales. La biología, por su lado, ha evolucionado desde la biología celular y molecular hasta la biología funcional (estudio de las causas a nivel del organismo individual, que explica cómo los fenómenos vitales se encadenan e integran en la constitución de esas estructuras). Finalmente, la química también ha confluido en la escala nanométrica, evolucionando durante las últimas décadas desde la química de polímeros hasta la química supramolecular (basada en interacciones entre moléculas), que contempla la ingeniería y el autoensamblaje molecular. Por tanto, actualmente convergen en la nanotecnología los nanomateriales, la nanoelectrónica, la biología funcional y la química supramolecular, para generar productos y aplicaciones nanotecnológicas de naturaleza necesariamente híbrida. Piénsese, por ejemplo, en un nanotransistor cuya puerta (un nanotubo de carbono) esté recubierta por moléculas químicas (anticuerpos) que sean capaces de ensamblarse con moléculas características de ciertos tumores (antígenos), de forma que la conductividad eléctrica del transistor cambie cuando se detecten células tumorales: tendríamos un nanosensor biomédico que conjugaría aspectos físicos, electrónicos, químicos y biológicos. Más importante aún que esos productos son las ideas y expectativas que nos trae la convergencia en la escala nanométrica de las cuatro bases del conocimiento actual en biotecnología (genes), tecnología de la información y comunicaciones (bits), neurofisiología (neuronas) y física atómica (átomos). Aunar estos mundos en un mismo recinto está haciendo a la nanotecnología mover los pilares de la ciencia y la tecnología.

El objetivo del libro es posicionar al lector frente a este mundo con una visión amplia y crítica, que le permita ver dónde estamos ahora e imaginar dónde estaremos en un futuro próximo. Ofreceremos primero una visión de la vertiginosa y excitante evolución de la nanotecnología, su influencia científico-tecnológica en el resto de las disciplinas y el enorme impacto en la economía y sociedad actuales. Para entender claramente la razón de este éxito, es necesario conocer y entender los fenómenos y procesos físicos y químicos que tienen lugar en la nanoescala, mostrando para ello los efectos de la miniaturización de las estructuras, fundamentalmente la altísima relación entre la superficie y el volumen de las mismas, lo que les otorga propiedades únicas. Analizaremos también cómo la naturaleza explota la nanotecnología en su (nuestro) beneficio. Posteriormente se mostrarán los componentes básicos constitutivos de la nanotecnología: los nanomateriales y las nanoestructuras que conforman los ladrillos con los que se construyen las soluciones y productos existentes. Son productos y materiales con propiedades sorprendentes, como el grafeno, llamado a ser el material del futuro. La forma de trabajar en nanotecnología es necesariamente específica y peculiar, por lo que se describirán las herramientas que se usan (microscopios de efecto túnel y de fuerza atómica) y las dos principales metodologías de fabricación: de arriba abajo (miniaturización de estructuras) y de abajo arriba (construcción átomo a átomo). Las aplicaciones constituyen un contenido importante del libro, dada la gran cantidad de aplicaciones, nos centraremos en aquellas donde la nanotecnología