Una revolució en petit

Mini-revolution: Half a Century of Nanotechnology.
Nanoscience has progressed over the last 50 years from a scattered set of basic but outstanding breakthroughs to hundreds of research groups world-wide, continuously announcing the discovery of novel nanomaterials and fascinating nanodevices. Nanotechnology is becoming real; in fact, many of these advances have become part of our daily life. This article describes the basic features characterizing current research in nanotechnology and its main application sectors. In addition, this study also covers other issues like funding or public perception of this multidisciplinary field.

El prefix nano (que prové de la paraula grega que significa “petit”) equival a la milmilionèsima part de la unitat de mesura a la qual acompanya. D’aquesta manera, un nanòmetre (1 nm) és una longitud equivalent a la milionèsima part d’un mil·límetre. De manera arbitrària es defineix l’anomenada nanoescala com el rang de longituds o grandàries comprès entre 1 nm i 100 nm. En la nanoescala ens trobem amb àtoms, molècules, proteïnes, virus, cadenes d’àcid desoxiribonucleic (ADN), nanotubs de carboni, nanopartícules… Tots ells són els nanoobjectes d’interès per a la nanociència i la nanotecnolègia.

Aquesta imatge ha estat obtinguda mitjançant microscòpia d’efecte túnel (STM) i mostra una superfície d’or recoberta de dos tipus de molècules amb estructura plana: di-perilè (DIP) i ftalocianina de coure (CuPc). Aquesta estructura ordenada s’ha aconseguit usant tècniques d’epitàxia de feixos moleculars (MBE). Les molècules s’ordenen espontàniament (s’autoassemblen) en fileres alternants seguint orientacions ben definides. Aquest és un exemple de tecnologia massiva de tipus bottom-up que algun dia permetrà la fabricació a gran escala de dispositius. L’autor d’aquesta imatge, titulada (Nano)-blossoms in the Dark, és D. García de Oteyza, de l’Institut Max Planck d’Investigació en Materials (Sttutgart, Alemanya). Aquesta imatge va ser finalista del concurs internacional SPMAGE07. / D. García de Oteyza

El terme nanociència fa referència a les investigacions destinades a comprendre l’estructura i propietats de materials i objectes que presenten grandàries característiques pròpies de la nanoescala. La nanotecnologia parteix d’aquests coneixements per generar materials, estructures i dispositius amb noves propietats degudes a unes dimensions nanomètriques. El prefix nano també es fa servir amb disciplines ja existents, quan es vol emfatitzar que s’orienten a estudiar fenòmens en la nanoescala. D’aquesta manera es parla de nanoelectrònica, nano­química, nanofotònica, nanobiotecnologia, etc.

La nanociència i la nanotecnologia s’han desenvolupat d’una manera relativament silenciosa fins a la dècada dels noranta. Ha transcorregut quasi mig segle des del visionari discurs de R. Feynman, que va permetre somiar d’entendre i dominar la matèria a escala nanomètrica. El mateix terme nanotecnologia ja ha fet 35 anys, des que va ser encunyat per N. Taniguchi el 1974. En les darreres dues dècades, els denominats microscopis de proximitat, inventats per H. Rohrer i G. Binnig, s’han convertit en eines habituals per a observar i moure nanoobjectes. Els nanotubs de car­­boni, grans protagonistes de la nanociència, els va descobrir el 1991 l’investigador japonès S. Iijima. Ara, a les acaballes de la primera dècada del segle xx, som conscients del llarg camí recorregut.

L’impuls donat a les nanotecnologies ha estat més evident durant els últims deu anys, gràcies als ingents recursos financers que els governs i empreses dels països més desenvolupats han invertit per fomentar la investigació en nanotecnologia i per transferir-la al sector productiu. Hi ha la convicció generalitzada que aquest nou saber permetrà consolidar un nou model econòmic, que potser serà la porta al tan anhelat des­envolupament sostenible. Tampoc no podem oblidar un altre factor clau: la nanotecnologia generarà un negoci que previsiblement assolirà la xifra de dos bilions d’euros el 2015.

De dalt cap avall, de baix cap amunt

Un dels pitjors problemes de les nanotecnologies és la dificultat de transferir-les a una escala industrial. Aquesta incorporació a les indústries es pot fer de dues maneres diferents. Per un costat hi ha processos de tipus descendent o top-down (de dalt cap avall), en què es parteix de sistemes grans per a, mitjançant tècniques d’atac, tall, polit, litografia, etc, obtenir sistemes amb parts nanomètriques. Aquesta aproximació, per exemple, és la que ha permès un increment incessant de la densitat de transistors que s’integren en una oblia de silici. D’altra banda, la nanotecnologia ofereix una altra alternativa, la denominada ascendent o bottom-up (de baix cap amunt), en la qual es parteix d’elements petits (àtoms, molècules, cadenes d’ADN, nanoestructures,…) per construir sistemes complexos capaços de realitzar diverses funcions. L’únic sistema que funciona completament seguint aquest tipus de procediments ascendents és la vida; les estructures biològiques i els seus mecanismes de funcionament són els exemples a imitar en el disseny de tecnologies bottom-up.

Els microscopis de forces atòmiques són unes poderoses eines per a observar i modificar mostres biològiques en la nanoescala. En aquesta imatge es mostren filaments del pèptid beta-amiloide, involucrat en la malaltia d’Alzheimer, dipositat sobre mica. Aquestes observacions poden ser efectuades en mitjans líquids, per la qual cosa obren la porta a l’estudi de processos biològics en temps real. L’autor d’aquesta imatge, titulada Venis of Coral, és F. Mantegazza, de la Universitat de Milà Bicocca (Itàlia). Aquesta imatge ha estat premiada en el concurs internacional SPMAGE09. / F. Mantegazza

La nanotecnologia és un espai de convergència multidisciplinària de químics, biòlegs, físics i enginyers. D’aquesta convergència s’esperen plantejaments abans insospitats que proporcionen noves solucions a problemes plantejats en un gran nombre de sectors d’aplicació. Tot seguit es detallen algunes propostes de base nanotecnològica per a alguns dels sectors esmentats.

Biotecnologia i medicina

En aquestes àrees es desenvolupen noves tècniques d’observació de fenòmens biològics gràcies a equips com els microscopis de forces atòmiques. A més es van implantant noves vies de diagnòstic basades en l’ús de nanopartícules funcionalizades (és a dir, recobertes d’un material que els confereix noves propietats com la de detectar el focus de la malaltia). Aquestes nanopartícules, que s’usen com a marcadors òptics o magnètics per a la detecció primerenca de malalties, en algun cas també poden actuar com a element terapèutic, destruint els teixits malalts a què s’han adherit. La diagnosi de malalties es podrà beneficiar del desenvolupament de sensors nanoelectrònics que realitzaran un seguiment precís del nostre estat de salut. Diferents dispositius nanoelectrònics també es faran servir per restaurar capacitats òptiques i auditives de pacients amb pèrdua de vista o d’audició. També hi ha una forta investigació destinada a desplegar sistemes capaços de dosificar l’alli­berament de fàrmacs en el moment i lloc adequats. Finalment, els nanomaterials biocompatibles ja s’aprofiten per fabricar pròtesis més resistents.

Energia i medi ambient

Sens dubte aquests temes han co­brat importància gràcies a les evidències del canvi climàtic i a les mesures de contenció d’aquest que impliquen la disminució de les emissions de diòxid de carboni, la necessitat d’acudir a fonts renovables d’energia i l’optimació de l’ús de les fonts convencionals d’energia. Altres temes, com facilitar l’accés generalitzat a recursos hídrics i el control i la remediació de la contaminació, també són prioritaris en el camí cap al desenvolupament sostenible global. En l’àmbit de l’energia, els catalitzadors nanoporosos o nanoparticulats continuaran essent peces fonamentals en l’obtenció de derivats del petroli i en una infinitat de processos químics industrials. Els materials nanoestructurats seran aplicats en cèl·lules de combustible, en producció d’hidrogen i en bateries alcalines de nova generació. Els panells solars augmentaran l’eficiència mitjançant l’ús de materials nanoestructurats (ja siguen basats en silici o en altres semiconductors orgànics o inorgànics). L’energia eòlica podrà ser més eficient gràcies als materials nanocompostos (nanocomposites), que permetran fabricar aerogeneradors de majors dimensions. Quant a la gestió de recursos hídrics, les nanotecnologies milloraran les tècniques actuals de dessalatge, depuració i potabilització d’aigua. La detecció de la contaminació es podrà efectuar de manera més ràpida i eficient gràcies a l’ús de xarxes de nanosensors.

Els ful·lerens, el representant més conegut dels quals és el C₆₀, són molècules formades a base de carboni que es proposen per a ser usades com a elements rectificadors en els circuits electrònics del futur. La imatge obtinguda mitjançant microscòpia STM mostra parells i trímers de molècules de C₆₀ atrapades en una estructura porosa de gran estabilitat tèrmica, amb una morfologia de tipus bresca fabricada amb un derivat del perilè. L’estructura regular de clots hexagonals proporciona llocs d’ancoratge on poder dipositar i fixar altres molècules. Aquesta imatge, titulada C60 trapped within a nano-porous network, va ser obtinguda per M. Störh, de la Universitat de Basilea (Suïssa), i va ser imatge finalista del concurs internacional SPMAGE07. / M. Störh

Tecnologies de la informació i les comunicacions

Aquestes tecnologies han estat pioneres en tot allò que s’ha relacionat amb la miniaturització, de manera que tant la densitat de transistors en un processador com la de bits en un sistema d’emmagatzemament de dades han augmentat uns quants ordres de magnitud en les quatre últimes dècades. Es pot dir que fa aproximadament deu anys la fabricació de dispositius electrònics va entrar en l’àmbit de la nanotecnologia. S’espera que aquest ritme continue mantenint-se fins que el silici no es puga continuar utilitzant. No obstant això, quan les propietats del silici s’hagen exhaurit, es necessitaran alternatives que proporcionen les mateixes prestacions i que tinguen costos semblants. Siga quina siga l’alternativa que es porte a la pràctica, estem raonablement segurs que es basarà en els desenvolupaments nanotecnològics que ara es plantegen als laboratoris. Podem destacar-ne els basats en l’ús de molècules i nanotubs de carboni com a elements constitutius dels processadors i de les memòries del futur. Tampoc no podem oblidar el desenvolupament de les tècniques nanofotòniques per al processament de la informació. En aquests casos la nanotecnologia s’utilitzarà per fabricar, amb precisió nanomètrica, estructures capaces de manipular la llum.

Indústries tradicionals

Ací ens referim a les nanotecnologies que es comencen a aplicar en sectors com la construcció, la fabricació de productes tèxtils, l’automoció, la indústria cosmètica, etc. En la major part d’ells, la nanotecnologia apareix com a subministrador de nous materials que conferiran un valor més gran afegit als productes. Per exemple, els nanotubs de carboni ja s’utilitzen com a reforç en materials de construcció, en algunes peces de vehicles o en material esportiu. Distintes nanopartícules hidròfobes ja s’incorporen en materials per aconseguir superfícies que no s’embruten ni s’entelen. S’incorporen nanopartícules de plata, amb propietats bactericides, en productes tèxtils o en filtres per a equips d’aire condicionat. En la formulació de pintures i vernissos s’inclouen nanopartícules per augmentar la resistència a petites ratlladures. Les indústries tradicionals es beneficiaran dels nanosensors, que, inclosos en distints materials, permetran conèixer variables tant de l’entorn (temperatura, humitat, etc.) com del mateix material (grau de fatiga, aparició de defectes, etc.). Finalment cal mencionar que diversos materials nanoporosos ja es fan servir en la indústria cosmètica per dispensar substàncies, i que en aquest sector també s’utilitzen nanopartícules com a bloquejant de radiació ultraviolada tant en maquillatges com en cremes protectores.

Aquesta imatge mostra una estructura ordenada de nanoesferes de poliestirè de 200 nm de diàmetre, obtinguda per autoassemblatge a partir d’una dissolució col·loïdal. Aquesta estructura forma el que s’anomena un cristall fotònic, que pot ser usat per controlar i manipular la llum, i seran peces clau en el desenvolupament dels futurs computadors òptics. En la imatge s’observen alguns defectes en l’estructura cristal·lina bidimensional. Aquesta imatge es titula Aesthetic imperfections, i va ser presentada per D. Danzebrik, de l’institut PTB d’Alemanya, al concurs internacional SPMAGE09. / D. Danzebrik

Eufòria, por, precaució i control del risc

Amb tantes aplicacions en marxa o en perspectiva, és lògic esperar beneficis suculents per a aquelles empreses que lideren l’aplicació de les nanotecnologies. No obstant això, l’arribada de les aplicacions està condicionada per la percepció de la població sobre la nanotecnologia. Al llarg de l’última dècada s’ha passat de tenir una visió positiva i esperançadora de la nanotecnologia a una situació d’una certa incertesa sobre els possibles impactes. Aquest canvi de percepció és degut a l’activitat de diversos grups i organitzacions que han donat la veu d’alarma sobre la proliferació de nanoproductes en el mercat i al desconeixement existent sobre l’impacte d’aquests en la salut de treballadors i consumidors o en el medi ambient. En diversos fòrums s’ha arribat a proposar una moratòria per a la comercialització de nanoproductes.

La por a les nanotecnologies pot retraure les inversions i retardar l’arribada de la tan promesa revolució industrial del segle xxi. La reacció dels governs i les empreses ha estat relativament ràpida, s’han posat en marxa projectes per estudiar l’impacte real de les nanotecnologies sobre el medi ambient, els operaris que les utilitzen i els usuaris finals. Tots aquests estudis són el germen d’una nova disciplina: la nanoecotoxicologia. D’altra banda, s’està posant èmfasi en l’aplicació del principi de precaució per minimitzar el possible risc existent en laboratoris o centres de producció. No obstant això, és prou complex gestionar un risc que és d’una magnitud i conseqüències desconegudes. Tots els aspectes relacionats amb la presa de decisions en aquest nou context propicien els estudis en nanoètica. També cal mencionar que s’ha constatat la necessitat de millorar la formació i informació sobre aquest tema, de manera que molts governs plantegen iniciatives serioses per a l’elaboració de continguts educatius i materials divulgatius accessibles a la població en premsa, museus, televisió, etc.

Aquesta imatge AFM mostra la topografia, en presència d’humitat, de les fibres d’un hidrogel crescut sobre mica a partir de calixarè i NaBr. Les altures màximes observades són d’uns 50 nm. Aquesta mena de materials s’han proposat per a usar-los com a sensors químics i com a sistemes per a l’alliberament controlat de fàrmacs. Aquesta imatge va ser obtinguda per T. Becker, de la Universitat Tecnològica Curtin (Perth, Austràlia), i amb el títol Hydrogel Network va ser finalista del concurs internacional SPMAGE09. / T. Becker

Comptat i debatut, és obvi que la transversalitat de les nanociències i les nanotecnologies transcendeix les disciplines merament experimentals i s’insereix fermament en camps com ara la seguretat laboral, l’impacte ambiental, els aspectes sociològics i culturals, els aspectes ètics, l’aparició de noves qüestions legals, etc.

Mirant endavant

Ningú no posa en dubte el paper que tindrà la nanotecnologia en el nostre futur a mitjà i llarg termini; per tant és imperatiu estar prou preparats per ajudar a construir aquest nou paradigma cientificotècnic i coliderar la transferència als sectors productius i la societat. Es necessita una actitud decidida per continuar invertint en projectes ambiciosos i promoure mecanismes de transferència eficients i professionalitzats. En cas contrari, continuarem generant una nanociència competitiva però seguirem augmentant el nostre dèficit comercial en productes de base tecnològica. És cert que l’actual conjuntura econòmica no invita a l’optimisme, però és precisament ara quan s’ha de mantenir l’impuls inversor en temes capdavanters, com la nano­ciència i la nanotecnologia, i quan s’ha de dur a terme una optimació dels recursos existents. Tampoc no s’ha de descuidar la formació en nanotecnologia en tots els nivells educatius, des de la primària al postgrau, posant en marxa programes semblants als ja existents en altres països. Al cap i a la fi la societat ha de ser beneficiària i còmplice del desenvolupament de la nanotecnologia.