Historia de los nanomateriales

El ser humano ha sido capaz de transformar las materias primas obtenidas de la tierra para cubrir sus necesidades durante toda la historia, aprovechando y utilizando diferentes materiales. Sin embargo, desde finales del siglo XX se ha iniciado una nueva fase en la que hemos conseguido elaborar nanomateriales que no existían en la naturaleza. Su principal característica radica en que se trata de materiales completamente artificiales, aunque sí es cierto que algunas de sus moléculas pueden tener un origen natural. Por otro lado, se trata de materiales que por su tamaño no son perceptibles al ojo humano, con lo que solo pueden ser observados con microscopios electrónicos de alta potencia o de fuerza atómica. Hablamos de los denominados nanomateriales, un tipo de materiales únicamente visibles a escala nanométrica, cuyo descubrimiento y desarrollo ha sido posible gracias al desarrollo tecnológico reciente. En concreto, se define nanomaterial como un material en el que alguna de sus tres dimensiones es menor de 100 nanómetros. Para hacernos una idea, un milímetro contiene un millón de nanómetros.

Los nanomateriales han estado presentes en la tecnología humana desde hace cientos de años, si bien no teníamos consciencia de su existencia. Aparecían nanopartículas metálicas en los óxidos que coloreaban las vidrieras y en el esmalte plateado y dorado de las cerámicas andalusíes. Asimismo, se ha descubierto que la dureza de los mejores aceros de la historia era producto de la presencia de nanopartículas de carbono colocadas en cierto orden, cuya presencia no se pudo explicar hasta el descubrimiento de estos compuestos de pequeñísimo tamaño.

A finales del siglo XX, el avance de la óptica había llegado a su potencial más alto, haciéndose imposible superar el número máximo de aumentos que podía ofrecer una combinación de lentes y el ojo humano. La superación en el campo de la visualización y análisis de compuestos llegó de la mano de la Física, cuando se crearon los primeros microscopios que utilizaban haces de electrones en vez de la luz habitual para poder ver la muestra, lo que permitió analizar a gran escala la composición de los materiales. La invención de los microscopios electrónicos potenció una investigación molecular aún más detallada. Por primera vez en la historia, los seres humanos pudimos ver la partícula más pequeña que conformaba un material, su relación con el resto de las partículas y replicar o alterar su sistema para mejorar sus cualidades. Así como la ciencia de polímeros imitaba los compuestos naturales y permitía desarrollar mejoras, la ciencia de nanomateriales es capaz de analizarlos, crearlos y/o imitarlos a escala atómica. Estos nanomateriales se pueden crear a partir de materiales macroscópicos por reducción de su tamaño, o por una combinación adecuada de átomos hasta llegar a la nanoestructura deseada.

En el siglo XXI, la nanotecnología tiene multitud de aplicaciones tecnológicas, biomédicas, farmacológicas o de ingeniería y es la tecnología con más potencial en el mundo de los materiales con nuevas formas y materiales como como nanopartículas, nanopolímeros, nanomateriales orgánicos u otros basados en el carbono -como los fullerenos, el grafeno o los nanotubos de carbono-. La nanociencia nos permite ver y controlar los átomos individuales y las moléculas presentes en todo lo que nos rodea. Desde la comida que comemos, la ropa que llevamos, las piedras, los árboles, el papel, el vidrio, los textiles, los plásticos, el agua e incluso nuestro propio cuerpo se está estudiando a una nueva escala que está posibilitando una reestructuración científico-tecnológica donde los nanomateriales tiene un lugar muy destacado.

 

Los nanomateriales a lo largo del tiempo
Características y tipos
Richard Feynman: El padre de la nanotecnología
Soluciones y aplicaciones
Sostenibilidad
Nanotecnología, investigación y futuro
Piezas

Propiedades y características

Conductividad eléctrica

La conducción eléctrica depende de la estructura atómica de los materiales, especialmente de la movilidad de sus electrones. Con átomos de carbono se puede crear un material como el grafeno, que aumenta sus características conductoras hasta el nivel del cobre-.

Resistencia mecánica

Los nanomateriales se están usando en la actualidad para la generación de estructuras capaces de soportar grandes pesos. Materiales como la espuma de titanio se utilizan como soporte de prótesis óseas.

Color

La disposición nanométrica de los materiales varía el color. El oro en disolución coloidal es rojo frente al amarillo metálico del oro convencional.

Reactividad química

Es la capacidad de los elementos químicos de reaccionar en presencia de otras sustancias químicas o reactivos, formando nuevos compuestos.

Magnetismo

Es la capacidad de los materiales de generar campos magnéticos, atrayendo o alejando objetos según su polaridad. Al variar la capacidad eléctrica de los materiales también varía su magnetismo. Las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas magnéticas dependen en gran medida del método de síntesis y de la estructura química que puede modificarse gracias a la nanociencia.

Estructura molecular

La estructura de las moléculas cambia con respecto a la forma de las materias primas que conocemos. Un ejemplo es la variación de la estructura cúbica/cristalina del diamante frente a la multitud de formas estructurales que presentan los nanomateriales de carbono, a pesar de ofrecer una misma composición química, únicamente átomos de carbono.

Masa

En la actualidad, el aerografeno, otro compuesto de carbono creado por nanociencia, es el material más ligero que existe.

Elasticidad

Propiedad de un cuerpo sólido para recuperar su forma cuando cesa la fuerza que la altera. El grafeno es elástico frente al grafito y el diamante que son rígidos, teniendo todos la misma composición química.

Los nanomateriales a lo largo del tiempo
Edad Antigua, Media y Moderna

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Los nanomateriales a lo largo del tiempo

Edad Contemporánea

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Los nanomateriales a lo largo del tiempo

Edad Contemporánea

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Los nanomateriales a lo largo del tiempo

Edad Contemporánea

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Los nanomateriales a lo largo del tiempo

Edad Contemporánea

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Invisibles

año 500 a.C.

Aunque los nanomateriales son un descubrimiento muy reciente en la historia, siempre han estado presentes en la naturaleza, si bien no de manera visible al ojo humano.

Vidrio dicroico

En el siglo IV se fabricó la copa de Licurgo: una copa de metal y vidrio donde este último cambia de coloración según cómo se ilumine. Esto es debido a la utilización de vidrio dicroico en su fabricación, un vidrio que aporta dos diferentes coloraciones -en este caso por la presencia de nanopartículas de oro y plata de entre 5 y 60 nm en su composición-. La copa representa al rey Licurgo, rey de Tracia, que prohibió el culto a Dionisio.

Esmaltado árabe

año 1000

Gran parte de la cerámica de la Edad Media y el Renacimiento contaba con un lustre metalizado con brillos que evocaban el oro y el cobre. Esta técnica de esmaltado de origen árabe se desarrolló por la prohibición del uso de metales preciosos para la elaboración de obras de arte en el mundo musulmán. Esta técnica consistía en la mezcla de sales de plata y cobre con óxidos y vinagre que se aplicaban en la superficie de la cerámica, previamente vidriada. Al cocerse en el horno en una atmósfera reductora, la mezcla dejaba un acabado metálico por la presencia de nanopartículas de estos metales.

Nanometría y vidrieras

Las vidrieras también contaban sin saberlo con tecnología nanométrica. Los vitrales góticos y renacentistas tenían en sus decoraciones nanopartículas metálicas producto de los óxidos utilizados para su coloración.

Acero de Damasco

año 1200

Este legendario tipo de acero fue uno de los metales con el que se fabricaron los cuchillos durante los siglos XII y XIII, debido a su gran dureza y filo. Las espadas de la capital siria eran realizadas con técnicas de fundición y enfriamiento lentas. Esto permitía la presencia de nanopartículas de carbono en los sucesivos trabajos de la hoja, dotándola de su legendaria durabilidad. Esta técnica histórica se aplica en la actualidad para la producción de cuchillería de alta gama.

Oro coloidal

El físico británico Michael Faraday, conocido por sus estudios del campo magnético y la electrónica, descubrió en 1857 el oro coloidal. Esta disolución de nanopartículas de oro de color rojizo conserva hoy en día su estabilidad sin precipitación alguna en el fondo. El color del coloide está relacionado con el tamaño de las partículas esféricas, presentando un color rojizo con aquellas de menos de 100 nanómetros y azulado o púrpura cuando son superiores. Actualmente, se utiliza con fines médicos y biológicos y es aplicada como pintura dorada en cerámica.

1 nm = 10−9 m

No fue hasta 1909 cuando el químico vienés Richard Adolf Zsigmondy publicó un estudio pormenorizado de las sales de oro y acuñó el término coloides, clasificándolos en tamaños de hasta 10 nm. Para ello se sirvió de un ultramicroscopio que permitía observar partículas inferiores a la longitud de onda de la luz.

Viendo átomos

año 1920

En 1937, Erwin Wilhelm Müller desarrolló el microscopio electrónico de emisión de campo, que permitía resoluciones de hasta dos nanómetros. En 1951, inventó el microscopio de campo iónico, el FIM, que permitía utilizar la imagen de la disposición de átomos en la superficie de una punta de metal afilada. Gracias a esta tecnología, en 1955 Müller y su ayudante, Kanwar Bahadur, lograron observar átomos de tungsteno individuales sobre la punta de tungsteno puntiagudo por enfriamiento a 21 grados Kelvin -empleando helio como gas de formación de imágenes-. Fue la primera vez en la historia en la que un ser humano veía un átomo aislado

Richard Feynman

año 1950

En el año 1959, este físico teórico pronunció en Calltech, el instituto tecnológico de California, su célebre discurso Hay mucho sitio al fondo. En esta ponencia describió el proceso de manipulación de átomos y moléculas individuales con instrumentos de gran precisión para el diseño y construcción de sistemas en nanoescala, átomo a átomo. Esta conferencia es considerada el punto de partida de dos disciplinas científicas: la computación cuántica y la nanotecnología. Esta última formuló las infinitas posibilidades que ofrecía la investigación y la manipulación del mundo microscópico.

Eric Drexler

La nanotecnología molecular fue desarrollada por Eric Drexler en el Instituto Tecnológico de Massachusetts -MIT- en 1977. En la década siguiente, plasmó y corroboró en su libro Motores de la creación. La futura era de la nanotecnología lo descrito veinte años antes por Feynman. Teorizó, por vez primera, con la descripción de una máquina nanotecnológica con capacidad de replicación, proponiendo el concepto de plaga gris para hablar de nanobots autoreplicables.

Nanotecnología

El concepto de nanotecnología fue acuñado por el científico japonés Norio Taniguchi en 1974. Este docente, profesor de la Tokyo University of Science, lo definió como el procesamiento, separación y manipulación de materiales en átomos independientes, así como para describir procesos de semiconductores nanométricos -como el fresado de haces de iones-.

STM

año 1980

En la década de los 80 del siglo XX se pudieron detectar las primeras nanopartículas gracias al avance en el campo de la microscopía electrónica. La multinacional tecnológica IBM desarrolló el primer microscopio de efecto túnel (STM), gracias al trabajo de sus jefes del laboratorio de Zúrich -Gerd Binning y Heinrich Rohrer-. Esta herramienta permitía tomar imágenes de superficie a nivel atómico, con una precisión impensable hasta la fecha. Recibe su nombre por el efecto túnel, fenómeno cuántico por el que una partícula rompe los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial mayor que su propia energía cinética. Por esta labor, fueron galardonados con el premio Nobel de Física en 1986, que compartieron con Ernst Ruska, premiado por sus trabajos en óptica electrónica que incluían el primer diseño de microscopio electrónico.

Fullerenos

Richard Smalley, Robert Curl y Harlod Kroto descubrieron en 1985 los fullerenos. Estos nanomateriales tienen base de carbono de gran estabilidad química y son insolubles en agua. Están constituidos por entre 28 y 100 átomos de este elemento, distribuidos en anillos de diferente tamaño que conforman una esfera.

Un libro en una cabeza de alfiler

Durante su histórica ponencia de 1959, Richard Feynman lanzó un par de desafíos con una dotación de 1.000$. La creación de un libro que solo pudiera ser visto a través de un microscopio y la creación de un motor 64 veces más pequeño que una pulgada. Este último fue resuelto a los pocos meses por el ingeniero William McLellan, que creó un motor de 13 componentes de 250 microgramos con una millonésima de caballo de potencia. En cambio, el desafío del libro tardó un poco más y no fue solventado hasta 1985, cuando Tom Newman fue capaz de escribir la primera página de Historia de dos ciudades de Charles Dickens en la cabeza de un alfiler. Para lograrlo Newman se sirvió de un haz de electrón en una escala de reducción de 1/25000.

Microscopio de fuerza atómica

año 1985

En 1986, Gerd Binning, Calvin Quate y Christoph Gerber, presentaron el microscopio de fuerza atómica en un trabajo publicado en Physical Review Letters. Este avance era capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons y fue un microscopio esencial en el campo de la nanotecnología por su labor para la observación y clasificación de muestras nanométricas. Por ello, recibieron el premio Kavli de Nanociencia, el más prestigioso en ese campo a nivel mundial, en 2016.

Los puntos cuánticos

Los puntos cuánticos son nanopartículas de materiales semiconductores que pueden contener entre 100 y 100.000 átomos, con un diámetro habitual de entre 2 y 10 nm. Su alta relación superficie-volumen hace que tenga unas propiedades muy diferentes a las de los materiales macroscópicos, sobre todo en aplicaciones electrónicas y ópticas.

Portada invisible

año 1990

En 1991, IBM protagonizó una portada de la revista Nature que no podría haber sido visible sin nanotecnología. Dos científicos de la empresa, Don Eigler y Eric Schweizer, escribieron las letras IBM posicionando a escala atómica 35 átomos de xenón en condiciones de vacío y temperatura controladas con helio líquido. Para poder llevar a cabo su labor, se sirvieron de una versión mejorada del STM, el microscopio de efecto túnel que había desarrollado la multinacional unos años antes.

Nanotechnology

Al inicio de última década del siglo XX, surgieron las primeras empresas especializadas en nanotecnología (Nanophase Technologies y Helix Energy Solutions Group) y nació la primera revista especializada en esta nueva disciplina, la revista Nanotecnology.

Nanotubo de carbono

El físico japonés Sumio Iijima descubrió los nanotubos de carbono en 1991. Se trata de estructuras cilíndricas de átomos de carbono unidimensionales que pueden llegar a tener un diámetro incluso inferior a
1 nm. Este descubrimiento hizo que posteriormente fuese galardonado con el Premio Kavli y el Premio Príncipe de Asturias de Investigación.

ADN y nanotecnología

El primer dispositivo nanomecánico basado en estructuras de ADN fue desarrollado en 1998, basándose en los postulados sobre natotecnología genética que enunció en 1980 Nadrian Seeman. El invento recibió el nombre de Ensamblaje con plantilla de ADN y fijación de electrodo de un cable de plata conductor. Su aparición abrió la puerta a la nanotecnología de ADN como disciplina de investigación, que utiliza los ácidos nucleicos como soporte constructivo y no solamente como contenedor de información genética.

Grafeno

año 2000

En 2004 tuvo lugar el descubrimiento del grafeno. El hallazgo de Andre Geim y Konstantin Novoselov fue galardonado en el año 2010 con el Premio Nobel de Física. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante o el grafito, pero estructurado mediante un patrón hexagonal. Se caracteriza por ser un material transparente que presenta una resistencia 200 veces superior a la del acero y con una ligereza cinco veces superior al aluminio, además de ser un superconductor. Es uno de los compuestos que más expectativas de uso ha generado hasta la actualidad.

Dopaje tecnológico

año 2005

La aplicación de nanomateriales en el ámbito deportivo generó gran controversia en los Juegos Olímpicos de Pekín 2008, los primeros de la historia en contar con estos compuestos. Los fabricantes de equipos de competición de natación incluyeron textiles, gafas y gorros fabricados con nanotecnología que ayudaba a reducir la fricción del agua hasta un 15%. El amplio número de récords batidos en las olimpiadas generó un debate ético y planteó la existencia del dopaje tecnológico, por lo que la Federación Internacional de Natación prohibió su uso en 2010, cuando se habían batido casi 200 récords en menos de dos años. El nadador Michael Phelps destacó entre todos los demás por ganar las 17 mangas que disputó en esos juegos, donde pasó a la historia como el mejor deportista olímpico de todos los tiempos – ganó ocho medallas de oro y consiguió siete récords mundiales-..

Premio Kavli

En 2008 tuvo lugar la primera edición de los premios Kavli, galardones bianuales que premian a los mejores científicos en los campos de la astrofísica, la neurociencia y la nanociencia. Estos premios son considerados el equivalente al premio Nobel en estas disciplinas y son otorgados por la Academia de Ciencias y Letras y el Ministerio de Educación e Investigación noruegos, la Fundación Kavli y un comité formado por la Max Planck Society germana, la Chinese Academy of Sciences, la National Academy of Sciences norteamericana y la Royal Society británica.

Nanomateriales cotidianos

año 2010

En las primeras décadas del siglo XXI, la nanotecnología se ha convertido en un elemento de consumo. Se han comercializado los primeros productos deportivos con nanomateriales que mejoran sus características, como balones de fútbol, raquetas de tenis, bates de béisbol o pelotas de golf. En el mundo de la cosmética, hemos asistido a la aparición de maquillajes y protectores solares con nanopartículas. Otro de los ámbitos más destacados ha sido el textil, con tejidos hechos con nanomateriales que ayudan a repeler el agua, como los pantalones Dockers® Alpha Tech.

Nanomateriales espaciales

año 2010

La NASA descubrió la presencia de nanomateriales en el espacio en 2011. A través del telescopio espacial Spitzer, se comprobó la presencia de grafeno y de fullerenos C60 y C70.

Definición de nanomaterial

La Comisión Europea aceptó la definición de nanomaterial en la resolución 2011/696/UE del 18 de octubre de 2011 como: “un material natural, accidental o fabricado que contenga partículas, sueltas o formando un agregado o aglomerado, y en el que el 50 % o más de las partículas en la granulometría numérica presente una o más de las dimensiones externas en el intervalo de tamaños comprendido entre un nanómetro y 100 nanómetros”. Además, señala que “los fullerenos, los copos de grafeno y los nanotubos de carbono de pared simple con una o más dimensiones externas inferiores a 1 nm deben ser considerados como nanomateriales (…). Un material debe considerarse incluido en la definición cuando la superficie específica por unidad de volumen del material sea superior a 60 m2/cm3”.

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Nanomateriales: Composición,
características y tipos

Un nanomaterial es aquel material en el que alguna de sus dimensiones es menor de 100 nanómetros. Un nanómetro es mil millones de veces más pequeño que un metro. La característica principal de este tipo de materiales es que siempre han existido, pero eran invisibles para el ojo humano. La evolución de la ciencia microscópica ha hecho posible que se puedan observar, analizar y clasificar estos micromateriales e incluso interaccionar con ellos.

Los nanomateriales facturados más comunes, según la clasificación de la Comisión Europea, son los siguientes:

Nanomateriales inorgánicos no metálicos:
La mayoría de nanomateriales que forman parte de este grupo son óxidos de elementos no metálicos, como la sílice o de metales no ferromagnéticos, como el óxido de aluminio. Ambos presentan gran resistencia al rayado y a la abrasión. Otros nanoelementos de este grupo son el dióxido de titanio, que destaca por sus propiedades antimicrobianas, fotocatalíticas y de protección de los rayos ultravioleta, como el óxido de zinc. Por último, destaca el óxido de cerio por sus propiedades ópticas.

Metales y aleaciones:
Casi la totalidad de los metales pueden producirse en dimensiones nanométricas, en forma de nanohilos o nanopartículas. Los nanomateriales metálicos más comunes en la producción son los derivados de oro, plata y aleaciones de platino y paladio. Todos ellos tienen propiedades antimicrobianas, ópticas, fototérmicas y fotoeléctricas.

Nanomateriales con base de carbono:

  • Fullerenos:
    Nanoestructuras de átomos de carbono con forma de esfera hueca compuesta por hexágonos y pentágonos o heptágonos. Su forma más habitual es la que contiene 60 átomos de carbono, C60, llamada comúnmente Buckminster o Buckyball, por su parecido con las cúpulas geodésicas que inventó y patentó Richard Buckminster Fuller en 1954.
  • Grafeno:
    Material bidimensional en forma de nanoplaca. Se presenta en láminas hechas de una red hexagonal de átomos de carbono dispuesta en un mismo plano, de menos de 1 nm de espesor. Se caracteriza por ser tan duro como el diamante, pero presentando elasticidad, flexibilidad y alta conductividad térmica y eléctrica, con gran ligereza y alta resistencia a las radiaciones ionizantes.
  • Nanotubos de carbono (CNT):
    Se trata de una o más láminas tubulares similares al grafeno. Los hay de pared simple o múltiple y su longitud puede ser de varios cientos de micrómetros. Los nanotubos son materiales de gran estabilidad química y térmica, de elevada elasticidad, resistencia a la deformación y al estiramiento y conductividad tanto eléctrica como térmica. Poseen una alta relación resistencia-peso y baja densidad.
  • Nanofibras de carbono (CNF):
    Están formadas por láminas de grafeno, al igual que los nanotubos. Son muy similares, pero tienen una estructura en forma de copa, por lo que difieren en algunas propiedades mecánicas y eléctricas, una conductividad eléctrica mayor y resistencia al fuego.
  • Negro de humo:
    Conocido también como carbon black, es carbono puro elemental en forma de partículas resultantes de una combustión incompleta o descomposición térmica de hidrocarburos en condiciones bajo control. Sus partículas primarias suelen ser de tamaño inferior a 100 nm, aunque tienden a agruparse formando aglomerados de mayor tamaño. Presenta características similares al resto de nanomateriales con base de carbono, con elevada conductividad y resistencia mecánica.

Nanopolímeros:
Materiales poliméricos que pueden tener de una a tres dimensiones en escala nano. Se caracterizan por ser conductores de alta superficie específica y presentar propiedades catalíticas que aumentan la velocidad de una reacción química. Los dendrímeros son macromoléculas poliméricas de tamaño nanométrico, con estructura ramificada tridimensional alrededor de un núcleo.

Puntos cuánticos:
Nanocristales de materiales semiconductores de tamaño comprendido entre 2 y 10 nm. Son semiconductores con propiedades electrónicas, catalíticas, magnéticas y ópticas.

Nanoarcillas:
Nanomateriales cerámicos de silicatos minerales. Pueden encontrarse creados por la naturaleza o sintetizados para controlar sus propiedades. En ambos casos, se presentan en forma de láminas, tienen una alta resistencia mecánica y bloquean el paso de humedad y oxígeno.

Fullereno y medicina
Es un nanomaterial con base de carbono que tiene importantes aplicaciones biomédicas. Se caracteriza por sus propiedades antioxidantes debido a sus facilidades para captar radicales y también por ser un buen antiviral en la medida que puede incorporar a los virus y desactivarlos. Esta última característica ha motivado que se utilicen fullerenos en la lucha contra el SIDA. Su capacidad para unirse a proteínas y otras moléculas le ha convertido en un buen material para la fabricación de numerosos fármacos.

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Richard Feynman:
El padre de la nanotecnología

Richard Feynman (1919-1988) fue un físico al que se le considera el primer teórico de la nanotecnología. Nacido en Estados Unidos, es uno de los físicos más conocidos y respetados de la historia. La carrera de Feynman estuvo ligada a muchos de los grandes descubrimientos físicos del siglo XX. Participó en la investigación y el desarrollo del proyecto Manhattan que produjo las primeras armas nucleares. Nada más doctorarse, creó varios modelos que aún rigen el mundo de la física teórica, ganó un premio Nobel, ayudó en investigaciones galardonadas con el mismo premio y predijo el mundo de los nanomateriales. También destacó siendo uno de los primeros divulgadores científicos, haciendo comprensible la física para el público no especializado.

Feynman es conocido por el desarrollo teórico de esquemas de representación pictórica del comportamiento de las partículas subatómicas, conocidos como diagramas de Feynman. Además, se le considera uno de los padres de la computación cuántica, un tipo de computación distinto al de la informática clásica que usa el 1 o el 0, puesto que utiliza combinaciones de ambos llamadas cúbits. También desarrolló una intensa labor docente hasta los últimos días de su vida. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1965 por sus contribuciones al campo de la electrodinámica cuántica, junto los científicos Shin-Ichio Tomonaga y Julian Schwinger, que habían investigado en el mismo campo. Además, colaboró con el físico Murray Gell-Mann en la teoría de la interacción nuclear, por la que ganaría el mismo premio en 1969. Gell-Mann fue quien acuñó el término quark para designar a las partículas elementales de la física de partículas.

Unos años antes, intuyó el concepto de la nanotecnología, previamente a que fuera posible su desarrollo científico. En 1959, fue el ponente invitado en una reunión anual de la Sociedad Americana de Física en el campus tecnológico de la Universidad de California. Titulada There’s plenty of room at the bottom, la charla planteó por primera vez la superación de los límites de la miniaturización de objetos y el estudio de los elementos más pequeños que formaban la materia, hablando de las posibilidades que ofrecía la investigación del mundo microscópico y nanoscópico. De manera casi profética, planteó conceptos claves para el campo de la nanociencia y la nanotecnología. La humanidad tardó dos décadas en validar de manera práctica su teoría siguiendo técnicas similares a las propuestas por el discurso de Feynman.

    Richard Feynman
    «Si solo pudiéramos transmitir una idea científica a las próximas generaciones, yo elegiría esta: la materia está hecha de átomos, pequeñas partículas en perpetuo movimiento».

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    Soluciones
    y aplicaciones

    Los nanomateriales están cambiando la manera de concebir la realidad. La antigua perspectiva de los materiales como elementos transformables a simple vista que perduraba desde los albores de la especie humana, se ha visto alterada por el nuevo orden atómico en el que se trabaja en nanotecnología. El potencial de estos compuestos es inimaginable en sectores como la industria, la medicina, la energía o la alimentación.

    En el ámbito internacional, están surgiendo agencias como el Observatorio de la Unión Europea sobre Nanomateriales (EUON) y se están creando normativas y protocolos desde las entidades nacionales de Estados Unidos, Japón o Canadá. Los avances en el campo de los nanomateriales tienen aplicaciones en áreas de consumo como la óptica. Actualmente, se están desarrollando películas transparentes nanométricas para lentes, ventanas y pantallas, dotándolas de nuevas propiedades repelentes del agua, la suciedad, los reflejos, el empañamiento o de mayor resistencia a los roces y los golpes.

    Los aditivos a nanoescala y otros tratamientos de tejidos ayudan a crear textiles que no se arrugan, no se manchan y que evitan el crecimiento bacteriano. En un futuro próximo, la ropa podrá incorporar sensores e incluso se especula con la existencia de sensores intradermales. Estos nanoimplantes servirán para controlar parámetros vitales y exportarlos para la generación de diagnóstico médico.

    En el mundo de la medicina, a día de hoy se están haciendo pruebas clínicas con nanopartículas de oro para el tratamiento de enfermedades. Estos nanomateriales pueden ser utilizados para el transporte intravenoso de medicamentos hacia células enfermas localizadas, minimizando intervenciones y daños en células sanas. La nanotecnología química está desarrollando nanomateriales en el campo de la medicina regenerativa, buscando minimizar el rechazo de las prótesis y con la idea de lograr regenerar conexiones de células cerebrales en un futuro, para tratar lesiones medulares y enfermedades neurodegenerativas.

    En el mundo del deporte, los nanomateriales poliméricos y las nanoestructuras de carbono se utilizan en protecciones, raquetas o bicicletas. Todos estos materiales gozan de mayor ligereza, rigidez, resistencia y durabilidad gracias a la nanotecnología. El balón Jabulani, por ejemplo, diseñado por la marca Adidas para el Mundial de Fútbol de Sudáfrica de 2010, estaba fabricado con nanomateriales poliméricos que mejoraban su aerodinámica.

    Asimismo, los nanomateriales se utilizan en la industria de automoción y se aplican también a multitud de usos como los interiores de los vehículos o los sistemas de transporte de viajeros -incluso en las maletas-. La ingeniería se está beneficiando en el aligeramiento de piezas de vehículos terrestres, aviones y barcos con nanoestructuras de carbono y otras nanofibras. Los beneficios en aerodinámica se traducirán en ahorros energéticos, menor desgaste de las piezas y una mayor durabilidad de los motores y piezas por la utilización de lubricantes con aditivos a nanoescala.

    La construcción utiliza nanoestructuras de carbono como aditivo en cementos y hormigones para aumentar su resistencia. Las nanoestructuras de recubrimientos cerámicos también poseen la misma cualidad. En el campo de la producción energética, la nanotecnología se está utilizando para desarrollar energías alternativas y sostenibles. Se está planteando la utilización de nanopartículas para la generación de energía a partir de las llamadas pilas de combustible -las llamadas baterías del futuro-, que producen electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de un agente oxidante como el oxígeno.

    La alimentación experimentará en los próximos años una revolución por la aplicación de nanomateriales para la creación de nuevos envases que permitan una conservación óptima. En este sentido, ya se están incorporando sensores visuales que permiten comprobar las propiedades de los alimentos y su idoneidad de consumo, así como se están utilizando nanopartículas de plata en los envases de productos frescos para alargar la vida de los alimentos.

    Finalmente, hay que destacar que la disciplina que más ha avanzado en el campo de las nanopartículas es, sin duda, la química. Los nanomateriales son utilizados como catalizadores de numerosas reacciones químicas para la elaboración de compuestos, disminuyendo la contaminación y el gasto energético de estos procesos y minimizando los tiempos de reacción.

    DNX
    Este nanomaterial, desarrollado por el centro de investigación alemán Fraunhofer TEG, revolucionó en 2005 el campo de los nanomateriales. Su principal característica es que es más liviano que el grafito pero hasta 25 veces más fuerte que él. Por este motivo se está aplicando desde la fabricación de raquetas de tenis hasta la industria aeroespacial.
    1814
    En el año 2015 se documentó que 1814 productos alimentarios contenían nanomateriales. Su aplicación en la industria alimentaria va desde su utilización para buscar nuevas texturas, sabores y colores, hasta su utilización en los procesos de fabricación y envasado de los mismos.

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    Sostenibilidad

    Una de las principales preocupaciones en el mundo de los materiales es la sostenibilidad medioambiental. Los nanomateriales no son una excepción por lo que, en los últimos años, se ha desarrollado un debate en torno al desconocimiento de su impacto medioambiental, hasta ahora no resuelto en sus planteamientos teóricos. Aún no se conoce su potencial real de dispersión y exposición, ni si su reactividad química puede provocar alteraciones en su entorno o las posibilidades de su recuperación y tratamiento al final de su vida útil.

    El campo de la investigación nanoquímica está en proceso de búsqueda de una definición y clasificación definitivas para su completa regulación. Sin ella, existirán dificultades legales, comerciales y ambientales. Una de las líneas de investigación de la nanotecnología medioambiental está combinando el cuidado del ecosistema con la reutilización de materiales de desecho para convertirlos en nuevos nanomateriales.

    El carbono, el elemento del que más nanopropiedades se conocen, es el objetivo de la elaboración de una normativa de viabilidad y recuperación tras su utilización. El tratamiento del agua, al considerarse un recurso escaso, está siendo objeto de experimentación nanotecnológica. Se están aplicando nanodetectores en la detección de contaminantes hídricos, experimentando sistemas con una alta capacidad para absorber aceites o para ser repelentes al petróleo. Esto se debe a que los sistemas de filtración son mucho más eficientes a nivel nano que en la escala macro habitual. Se espera que, de cara al futuro, los nanofiltros puedan eliminar sedimentos, residuos químicos, partículas cargadas, bacterias y virus.

    Existen también líneas de investigación en ingeniería medioambiental para la reducción de gases de efecto invernadero como el metileno (CH2) o el óxido nitroso (N2O), presentes en la atmósfera. Uno de los peligros es la toxicidad de los materiales para los seres vivos. En 2005, la Asociación Americana de Química presentó un informe que demostró que las nanopartículas de carbono se disuelven en agua y hacía hincapié en que aun en concentraciones muy pequeñas estas partículas son tóxicas para las bacterias, que pueden entrar en la cadena trófica y llegar al ser humano.

    Las perspectivas que generan los nanomateriales son prácticamente desconocidas. Las propiedades fisicoquímicas que poseen están por descubrir, lo que redunda en las posibilidades que pueden aplicarse al cuidado del medioambiente. Diversos estudios han demostrado que la nanotecnología puede ser útil para hacer un seguimiento de la contaminación y prevenirla, además de para eliminar contaminantes que ya están en el medio ambiente.

    Cambio climático
    Actualmente se está investigando con nanomateriales para fabricar cosechadoras de nanoCO2. Estas serán capaces de aspirar el dióxido de carbono atmosférico y transformarlo en metanol. De esta forma los nanomateriales pueden contribuir a frenar el efecto invernadero.

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    Nanotecnología,
    investigación y futuro

    Los nanomateriales son elementos microscópicos que conforman la estructura de los materiales que siempre han acompañado al ser humano, pero que ahora se pueden manejar para alterar sus propiedades. La ciencia de los nanomateriales ha experimentado un desarrollo vertiginoso en los últimos años. Los avances científicos a la escala nanométrica han generado descubrimientos, herramientas y técnicas novedosas. La academia sueca de los premios Nobel no ha sido ajena a este progreso y por eso ha galardonado en los últimos años a varios científicos de este campo. En 2014, el Premio Nobel de Química recayó sobre Eric Betzig, Stefan W. Hell y William E. Moerner por el desarrollo de la microscopía de fluorescencia de superresolución, que permitía la identificación de moléculas individualmente. Dos años después, Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa lo recibieron por la creación de máquinas moleculares. En 2017, los premiados fueron Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson por el desarrollo de la microscopía crioelectrónica, que permitió determinar la estructura de moléculas en disolución con alta resolución.

    En los últimos años, España es uno de los países que se encuentran en la vanguardia de la investigación nanométrica. En 2019, nuestro país ocupó el décimo puesto en cuanto a publicaciones indexadas sobre nanomateriales en Web of Science, con 4.829 en total, lo que representa el 2,56% de la producción científica a nivel mundial.

    La nanociencia y la nanotecnología se han incentivado desde los sectores públicos y privados por su enorme potencial. En solo ocho años, de 1997 a 2005, la inversión global en I+D en nanotecnología aumentó de 432 millones de dólares a 4.200 -1.050 de los cuales corresponden a la inversión en Europa-. La Unión Europea ha fomentado la asignación de recursos de áreas relacionadas con las ciencias de la información, el transporte, la energía y la salud para la creación de un área específica de nanotecnología, a sabiendas de que sus avances redundarán en el resto de las disciplinas. En solo una década, se han creado en el territorio europeo cerca de 200 redes nacionales y regionales relacionadas con la nanociencia.

    Brain on a chip
    El Instituto Tecnológico de Massachusetts -MIT- está desarrollando un microprocesador de potencia similar al cerebro humano. El proyecto, conocido como brain-on-a-chip, aplica la nanotecnología para imitar la estructura y funcionalidad de nuestra mente en un nanoprocesador, creando un chip con sinapsis cerebrales artificiales. Este proyecto abre la puerta a la existencia de supercomputadoras de menor espacio y potencia muy superior a las actuales.

    Piezas

    Copa de Licurgo (vidrio dicroico).

    290-325 d.C.

    Museo Británico (Reino Unido)

    Speedo LZR Racer (Bodysuit de nanoescamas).

    2008

    Colección Speedo

    Adidas Jabulani (tecnología Grip’n’Groove).

    2010

    Universidad de Loughborough y Adidas

    Nanorobots (ADN y trombina).

    2018

    Arizona State University

    Driver Wilson Staff Pd5 (titanio y nanocarbono).

    2005

    Wilson

    Bibliografía

    Castro Neto, A.H. (2010). “The carbon new age”. Materials today, 13 (3), pp 12-17.

    Geim, A.K., Novoselov, K.S. (2007). “The rise of graphene”. Nature materials, 6, pp 183-191.

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    Heiligtag, F.J., Niederberger, M. (2013). “The fascinating world of nanoparticle research” Materials today, 16 (7-8), pp 262-271.

    Martín Gago, J.A. (Coord.) (2009). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. 247 p.

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    Williams, L., Adams, W. (2006). Nanotechnology Demystified. McGraw-Hill Professional. Nueva York. 343 p.

    Wilson, M., Kannangara, K., Smith, G., Simmons, M., Raguse, B., (2002). Nanotechnology. Basic science and emerging technologies. Chapman and Hall/CRC. Nueva York, pp 272.

    Ying Lim, S., Shen, W., Gao, Z. 2015. “Carbon quantum dots and their applications”. Chem. Soc. Rev., 44, pp 362-381.

    Recursos audiovisuales

    Materiales. Una historia sobre la evolución humana y los avances tecnológicos

    Nanomateriales
    UBU

    La Nanotecnología

    Redes
    RTVE

    La nanotecnología

    Discovery Chanel