Nanotecnología: futuro real, de ciencia ficción.

Cada vez existen más productos nanotecnológicos invadiendo el mercado, como son materiales que resisten abolladuras, ralladuras y autorreparables, materiales textiles y deportivos de mayor precisión, mejor flexibilidad, ropa antibacterias, resistente a manchas y antiarrugas, baterías de carga rápida, lentes y pantallas mejoradas y antiarañazos, … etc. Como adivinamos tiene aplicaciones inmensas en muchos campos como electrónica, biomedicina, computación, comunicaciones, energía, arquitectura, alimentación, agroindustria, textil, medioambiente, militares,… Existe un incremento progresivo de productos en el mercado y se verá aún más incrementado en el futuro.

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Clinton en el año 2000 puso en marcha la NNI (Iniciativa Nanotecnológica Nacional) para coordinar los esfuerzos en I+D en ese área. En 2003 el Congreso Estadounidense aprobó los estatutos de la NNI, estableciendo presupuestos, agencias, programas, financiación e impulso de investigaciones claves. Bush destinó 3.630 millones de dólares para tener una posición estratégica en los años 2003-2006. En 2008 el NNI lanzó estrategias medioambientales, salud y seguridad en la investigación. En 2012 relacionadas con nanosensores e infraestructuras de conocimiento. Obama en 2014 destinó otros 1.500 millones, destinados sobre todo a ciencia básica, salud, energía y defensa. Actualmente hay planes plurianuales en todas las estrategias. La cantidad destinada al NNI asciende a unos 21.000 millones de dólares desde su creación. En 2003 el gobierno británico encargo un informe acerca de las repercusiones sanitarias, sociales, ambientales y éticas de la nanotecnología. En 2004 la Comisión Europea la considera un nicho fundamental en todos los programas, emitiendo la acción COM(2004)338 unificando e institucionalizando la financiación de I+D en este campo. Actualmente todos los países desarrollados o en vías, tienen programas de apoyo y explotación de la nanotecnología; así como centros de estudios en muchas universidades de todo el mundo. La nanotecnología a nivel mundial en 2002 en el mercado suponía 110.000 millones en el mercado, en 2015 era ya de 800.000 millones.

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Estamos hablando de un revolución industrial que a medio plazo va a cambiar el mundo, como lo hicieron las revoluciones del transporte o las de las tecnologías de la información. La crisis económica le ha afectado positivamente propiciando que no exista una burbuja nanotecnológica, y haya más tiempo y sosiego para encauzarla por caminos más racionales y de efectividad con la industria, con más tiempo de reflexión para aclarar los posibles efectos negativos.

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Existen 4.000 empresas en el mundo directamente dedicadas a la nanotecnología , sin contabilizar otras auxiliares o que usan sus aplicaciones. Los países que más están impulsando este mercado son USA, Japón, China y Alemania. China está creando anualmente entre 300 y 500 empresas.  Hay una proyección mundial de crecimiento entre el 8% y el 20% anual hasta 2025, y eso sin tener en cuenta la posibilidad de nuevos descubrimientos de alto impacto. Se prevén confluencias con todas las industrias, sobre todo con la biomedicina, las tecnologías de la comunicación y la información, y la ciencia neuronal, que veremos con detalle.

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La nanotecnología surge como tal a finales del s.XX y comprende el estudio, diseño, creación,  síntesis, manipulación y aplicación de la materia a la escala nanométrica de 10-9 m, incluyendo procedimientos, técnicas, metodologías y aplicaciones a todos los ámbitos de la ciencia y la tecnología. Con esta tecnología la humanidad llega a una cota más en la evolución, que es controlar el mundo de lo invisible. El ojo humano a simple vista sólo puede observar 27 órdenes de magnitud: desde los 10-4 m microscópicos, hasta galaxias próximas de 2*1022 m. Sin embargo se nos escapan 15 órdenes de magnitud, entre las cuales 11 son de la micro y nanoescala; pues la magnitud del universo está entre los 1,37*1026 m y el tamaño del electrón de 10-15 m (sin hablar de todos los quark). Aunque el nanomundo (1 nanómetro = 0,000000001 m) es inaccesible a la vista humana, sus posibilidades son sorprendentes, porque estamos hablando de manipular átomos, tanto de seres vivos como inertes, y crear otros nuevos, manipulándolos átomo a átomo, modificando su composición y su estructura, y con ello sus propiedades físicas y químicas.

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Esto le permite a la nanotecnología tener un carácter interdisciplinar como, por ejemplo, la medicina e ingeniería con ciencias básicas como la física, química y biología. La física del estado sólido está evolucionando hacia los nanomateriales; la biología molecular y celular lo está haciendo hasta la biología funcional; y la química lo ha hecho desde la química de polímeros hasta la química supramolecular, incluyendo la ingeniería y el autoensamblaje molecular. Es posible conjugar cuatro pilares de la ciencia, como son los genes (biotecnología), los bits (tecnología de la información y comunicación), las neuronas (neurofisiología) y los átomos (física atómica), en tecnologías de ciencia ficción hace muy poco. Por ejemplo un sensor biomédico formado por un nanotransistor, cuya puerta (nanotubo de carbono) está recubierta por moléculas químicas (anticuerpos), capaz de ensamblarse con moléculas de ciertos tumores (antígenos), de forma de la conductividad eléctrica del transistor cambie al detectar ciertas células tumorales.

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La nanotecnología ha existido en objetos usados por la humanidad, donde en determinados procesos se generaban nanopartículas sin ser conscientes de ello, como la tinta china, el esmalte, o el filo de las espadas endurecido templándolas con carbón. Son inventos, a veces casuales o heurísticos, como otros muchos que sin ser rompedores han cambiado y hecho avanzar a la humanidad, de los cuales no se conoce su autoría (como el del inventor de hacer fuego o de la rueda). Sin embargo hasta finales del siglo XIX y principios del XX no se tiene consciencia de la física atómica y de la química de coloides y monocapas superficiales. Sin embargo hasta 1936 con la invención del microscopio de emisión de campo, es cuando se pueden observar materiales en nanoescala. En la Era de la Información hasta finales del s. XX se trabajó más en el campo microscópico y de minituarización electrónica, pero no nanométrica.

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En cierto sentido se considera Richard Feynman como padre “conceptual”  de la nanotecnología, cuando en 1959 postuló en un discurso la posibilidad  teórica de manipular la materia átomo a átomo. Se adelantó en dos décadas a las primeras realizaciones reales nanotecnológicas. Discurso que se consideró futurista en su momento y quedó prácticamente olvidado. Aunque hasta 1974 Norio Taniguchi fue quien acuñó la palabra “nanotecnología” y Tuomo Suntola patentan procesos para procesos hoy empleados industrialmente para depositar capas finas a nivel atómico. En 1979 casualmente en el proceso de obtener acetileno usando un arco voltaico de grafito, se obtienen nanotubos de carbono.

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Representación animada de un nanotubo de carbono.

El avance tecnológico ha sido cada vez más rápido a partir de esos primeros tímidos pasos. En 1981 Binning y Rodhrer inventan el Microscopio de Efecto Túnel (STM), la primera herramienta que permite operar a nivel atómico de forma efectiva, visualizando los átomos y manipulándolos; utilizando para ello el principio cuántico del efecto túnel, que permite a una partícula atravesar una barrera de energía superior a la que dispone. Puede haber una corriente eléctrica entre dos conductores que no están en contacto. Así el STM utiliza la corriente túnel entre una punta metálica muy fina y una superficie metálica muy próxima para capturar átomos y hacer mapas visuales de su superficie.

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El STM ha tenido muchas mejoras basándose en el mismo principio. El Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) rompe la limitación del SRM de operar sobre muestras exclusivamente metálicas, porque suponía dejar de trabajar con muchos materiales. El AFM funciona basándose en la medición de la fuerza atómica (iónica o covalente) o molecular (Van del Waals) entre la punta afilada y la muestra material. Esta fuerza flexiona una micropalanca y un mecanismo laser de precisión. La mayoría de equipos comerciales permiten trabajar bajo el modo STM y el AFM.

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Los lagartos gecko pueden adherirse a las paredes y techos, debido a las fuerzas de Van der Waals.

En 1981 se publican los primeros trabajos de nanobiotecnología, que entienden al ser humano como un conjunto de nanomáquinas biológicas que realizan nanoprocesos, que generan y sostienen la vida. Algunos de estos orgánulos podrían ser replicados controladamente para ayudar a curar enfermedades o suplir deficiencias, ya que el fundamento de la vida se sustenta a nivel molecular. Trabajos pioneros de ingeniería molecular del MIT de  K.E. Drexler apuntan a la autorreplicación a través de nanomáquinas especializadas en manipulación molecular. También en 1981 A. Ekimov descubrió los Puntos Cuánticos, y en 1985 L.E. Brus los incluyó en un fluido formando una solución coloidal. Fueron los primeros que se sintetizaron, con aplicaciones a dispositivos nanoelectrónicos, células solares, LED, diagnóstico médico por imagen y computación cuántica. Los puntos cuánticos son nanocristales semiconductores con propiedades ópticas y eléctricas, basadas en la mecánica cuántica, entre moléculas aisladas y material en grandes cantidades.

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En 1985 se descubren los fullerenos C60 formaciones esféricas de 60 átomos de carbono y 1nm de diámetro, tras hacer incidir un laser sobre una lámina de grafito. Hasta entonces se pensaba que el carbono sólo se encontraba en la naturaleza en dos formas alotrópicas: diamante y grafito. Se ha desarrollado una química completa basada en estas estructuras  C60 .

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La primera manipulación nanotecnológica de la historia, como tal, fue en 1989 cuando D. Eigler usando un microscopio STM escribió las letras IBM usando 35 átomos de xenón sobre una base de níquel. Tardó 22 horas, hoy serían 15 minutos. En 1992 Mobil Oil desarrolló materiales catalíticos nanoestructurados (aceleradores de reacciones químicas) con nanoporos cilíndricos; se usan en el refinado de petroleo, depuración de aguas y en administración de fármacos. En 1993 M. Bawendi (MIT) establecen las bases para el diagnóstico de enfermedades utilizando nanopartículas asociando QDs a moléculas presentes en tejidos enfermos. En 1997 se avanza en la nanoelectrónica construyendo un transistor de silicio con 60 nm de puerta. En 1999 se construye una molécula de Fe (CO)2  mediante un proceso no químico, sino a partir de átomos. En el año 2000 extrajeron una de una célula un motor biomolecular de 80 nm y le colocaron un rotor de metal creando un prototipo de máquina bionanotecnológica con materia inerte y viva. Se inventó la nanolitografía dip-pen (DPN) que es un procedimiento para construir nanoestructuras de biomateriales y circuitos nanoelectrónicos, con muchas aplicaciones.

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En el s. XXI se construyo el primer circuito lógico utilizando nanotubos (2001). En 2003 desarrollaron un método de nanopartículas de oro para diagnóstico y terapia del cáncer de mama sin biopsias invasivas, ni cirugía, ni quimioterapia o radioterapia; usaron mecanismos de direccionamiento biológico para fijar las nanopartículas a las células tumorales que permita destruirlas por calentamiento, respetando las sanas. En 2004 se sintetiza un material asombroso: el grafeno. El material conocido más fuerte, con elasticidad, dureza y resistencia (200 veces más que el acero), muy ligero y flexible. El grafeno tiene propiedades eléctricas, ópticas, térmicas, alta conductividad térmica y eléctrica, poco consumo energético, genera electricidad al iluminarlo,…. se auto enfría y autorepara. Un material de ciencia ficción del que no paran de descubrirse propiedades y aplicaciones.

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En 2005 se desarrollaron teorías de la computación basadas en el ADN y algoritmos de autoensamblaje. En 2006 se construyó una nanomáquina molecular que emulaba un coche que se movía usando el calor como combustible; también se desarrollaron nanopinturas antirralladuras. En 2007 construyeron una batería químico-biológica sustituyendo el ión-litio del polo negativo (ánodo) por nanohilos de un virus inocuo, con las mismas prestaciones y sin efectos negativos para el medio ambiente. En 2008 se crean nanocélulas de combustible capaces de recolectar energía del medio ambiente (sol, hidrógeno,..) que eliminarían la dependencia de los combustibles fósiles. En 2009 se desarrollan técnicas de autoensamblaje robótico, llegando a crear secuencias de ADN sintético en 3D siguiendo los mecanismos existentes en la naturaleza. En 2010 IBM talló un mapa del mundo en relieve en 2 minutos y 23 segundos, demostrando la capacidad de generar patrones y estructuras de 10 nm para aplicaciones electrónicas, médicas,…. En 2013 desarrollaron el primer computador con nanotubos de carbono. En 2014 se desarrollan tratamientos inmunitarios contra el cáncer con detección 10 millones de veces más sensibles que los convencionales y tasa de error de 2 entre 10.000 ensayos.

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Los avances científicos han surgido para solucionar problemas, que acaban facilitando la vida de las personas. Como todo avance científico tiene sus limitaciones y otras autoimpuestas en su uso, riesgos y oportunidades que nos ofrece, siempre nos podrán vender escenarios futuristas y apocalípticos. Lo que es cierto es que estamos en un avance imparable. Este siglo será un periodo de transición entre la actual tecnología y otras más avanzadas. Hoy en día detectamos enfermedades con muestras de sangre cuando la enfermedad ya existe, en el futuro será posible terapias no invasivas que detecten los primeros síntomas actuando mediante implantes inteligentes. Las terapias génicas y reparadoras de tejidos están dando los primeros pasos a nivel molecular y celular.

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Si a nuestro bisabuelos le hubiesen contado los avances actuales no lo creerían. ¿Seremos capaces de imaginar el mundo dentro de cien años?. El avance tecnológico es exponencial y hace que el mundo cambie cada vez más rápidamente. Nanorrobots como sistemas inteligentes, controlables externamente, programables, con capacidad de movimiento autónomo, detectar enfermedades, diagnosticar y curar, incluyendo la reparación de tejidos dañados; hoy en día todavía es inalcanzable. Pero cuando estén en funcionamiento serán un avance para la humanidad y un paso al transhumanismo. A corto plazo convivirán los microchip con soluciones nanoelectrónicas. A largo plazo el internet de las cosas se ampliará a la inteligencia ubicua, es decir un entorno totalmente inteligente con incursiones en nuestro propio organismo, con compatibilidades entre el tejido vivo y circuitos electrónicos. Posibilidades de controlar nuestro entorno con nuestra mente, añadir bancos de memoria a nuestro cerebro, recuperar capacidades físicas perdidas  mediante implementaciones biónicas o aplicaciones de cíborg.

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En el área de nuevos materiales se busca la autoreparación, materiales inteligentes capaces de adaptarse al entorno, materiales de calidad extrema y capacidad de autoensamblaje. En energía la capacidad de aprovechar fuentes de energía limpia, abundantes y no contaminantes (solar, eólica, hidrógeno,…..). La nanotecnología avanzará mientras sea física y económicamente viable.

Referencias.
Nanotecnología, explorando el cosmos en miniatura. RBA. 2016
https://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnología
https://es.wikipedia.org/wiki/Nanomedicina
https://es.wikipedia.org/wiki/Nanorrobótica

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