El nanomundo que viene

“El señor. P.D. acude a la clínica tal y como lleva haciendo regularmente cada seis meses. Su médico ha comprobado que las biomáquinas que le había inoculado han detectado células cancerosas en una zona de su cuerpo difícilmente operable. Sin mayor demora, el paciente es sometido al nuevo tratamiento en el que las mismos dispositivos pasarán a actuar sobre las células malignas, destruyéndolas…”

Este breve relato, que podrá parecer el fragmento de una novela de ciencia-ficción, describe en realidad algo que en un futuro será muy real:  la nanotecnología aplicada al diagnóstico y tratamiento médico. Máquinas del tamaño de moléculas, cristales que no se ensucian, ordenadores tan pequeños como un grano de arena o pinturas que repelen los ‘graffiti’ son solo algunos ejemplos de lo que nos promete esta nueva rama de la ingeniería y de la ciencia. Algunos autores la comparan con la revolución  industrial del siglo XIX.
Pero, ¿qué es realmente nanotecnología? ¿Tiene algo que ver con la famosa película “Viaje alucinante”, ((indicar director y año)) en la que un diminuto submarino tripulado navegaba por el torrente sanguíneo de un ser humano? En realidad, va mucho más allá de la simple miniaturización. Podría definirse como el conjunto de ciencias aplicadas con la finalidad de controlar la materia a escala molecular y atómica con todas las posibles aplicaciones que ello conlleva, es decir: estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.

Unión interdisciplinar

Otro aspecto importante es que está caracterizada por una unión interdisciplinar de varios campos de las ciencias naturales que están altamente especializados. En la nanotecnología intervienen la química, la bioquímica, la biología molecular, la física cuántica, la electrónica, la informática y la medicina. En la nanotecnología la ciencia ha alcanzado un punto en el que las fronteras que separan las diferentes disciplinas han empezado a diluirse, y por eso la nanotecnología tiende a ser una tecnología convergente.

Dicha nanoescala comprende un rango de entre uno y cien nanómetros (recordemos que un nanómetro es 10-9 m, es decir, la mil millonésima parte de un metro. El objetivo es manipular la materia a nivel atómico y molecular, con la diversidad de aplicaciones que ello representa. De esta forma, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Una enciclopedia en la cabeza de un alfiler

La convergencia suele asociarse a modernidad pero, a pesar de lo que pueda pensarse, la nanotecnología no es una materia reciente. La primera vez que se planteó fue a mediados de los años sesenta por el Premio Nobel Richard P. Feynman, en su histórica conferencia impartida en el Caltech titulada “Hay mucho sitio ahí abajo”. En ella expuso las posibilidades que nos ofrece la miniaturización, llegando a afirmar que no hay impedimento de las leyes de la física para trabajar a escala atómica.

Feynman abrió sin duda un horizonte nuevo en la ciencia y la tecnología. Desde entonces, se han logrado numerosos hitos en la miniaturización, no solo de la electrónica, sino otros como aquel desafío lanzado por el propio Feynman de escribir la enciclopedia británica en una superficie del tamaño de una cabeza de alfiler y que fue conseguido dos décadas después.

Sin embargo, ha sido un proceso lento. A pesar de que las afirmaciones de Feynman no cayeron en el olvido, tuvieron que transcurrir veinte años hasta la aparición del microscopio de barrido por efecto túnel, con el que se pudo visualizar por primera vez un átomo. El paso siguiente sería poder manipularlos para crear estructuras determinadas. Esto ocurrió en 1990, cuando científicos de IBM representaron el logo de su compañía creado con 35 átomos de xenon. Se había alcanzado la frontera del átomo.

Vistas las enormes posibilidades, gobiernos, instituciones oficiales y privadas se pusieron en marcha destinando fondos y medios en la investigación de técnicas y nuevos avances. En Estados Unidos, por ejemplo, se promovió la llamada Iniciativa Nacional de Nanotecnología, en la que se invirtieron inicialmente 460 millones de dólares.

Nanomáquinas que se reproducen a sí mismas

En esta carrera de lo diminuto, ingenieros y científicos se han encaminado hacia el desarrollo de sistemas que trabajen a escala nanométrica. Para ello se han publicado numerosos trabajos sobre la posibilidad de construir máquinas muy pequeñas. Uno de los mayores defensores del desarrollo de nanorobots es Eric K. Drexler, quien en su célebre engines of creation propone la fabricación molecular de máquinas capaces de autorreplicarse. Para ello plantea el concepto de un ensamblador, capaz de colocar los átomos en el lugar adecuado fabricando así estructuras moleculares precisas.

Sin embargo las entusiastas tesis de Drexler son vistas con escepticismo por miembros de la comunidad científica, como el Premio Nobel de Química Richard E. Smalley, descubridor de los fullerinos.
Para adentrarnos en este apasionante mundo debemos tener en cuenta dos cuestiones importantes. La primera es desterrar la idea de máquinas y de sistemas como mecanismos de bielas y de engranajes metálicos, para entenderlas como algo que puede desempeñar una tarea específica. Si bien es cierto que se han logrado construir máquinas de tamaños increíblemente pequeños, estas son en realidad micromáquinas, que se puede considerar una etapa de miniaturización anterior a la nanotecnología.
Hemos de considerar también que el entorno nanométrico es un mundo distinto al que nos movemos, donde intervienen las leyes de la mecánica cuántica y los principios de la química física. Peso, inercia o magnetismo dejan paso a los principios de superposición, el movimiento Browniano o las fuerzas de Van der Vaals.

Hay quienes incluso van más allá y partiendo del planteamiento inicial de máquina como cualquier cosa destinada a realizar una tarea, llegan a identificar los sistemas celulares o incluso bacterias como máquinas biológicas nanométricas. Ellos son quienes abogan en observar el funcionamiento de la naturaleza para el desarrollo de biomáquinas mejoradas.

Materiales únicos

Entre unos y otros, los trabajos de investigación llevados a cabo en todo el mundo ya han dado sus primeros frutos en la mejora de materiales. Las aplicaciones que se derivan de ello son sorprendentes: desde pinturas con propiedades fotovoltaicas a filtros solares que bloqueen los rayos ultravioleta o materiales con la resistencia del acero de un peso muy inferior a éste.

Hay investigaciones encaminadas optimizar las características del hormigón. En esta línea de investigación se está trabajando con las posibilidades de una forma molecular denominada nanotubos de carbono. Estas estructuras diminutas con forma de aguja mejoran la relación resistencia mecánica/peso del acero, la conductividad del cobre y proporcionan una gran elasticidad.

Otras aplicaciones de los nanotubos consisten en la fabricación de filtros extremadamente eficientes para la desalinización del agua o separar gases contaminantes de la atmósfera.  Recientemente, investigadores del departamento de Química inorgánica de la UNED publicaron un trabajo en relación al uso de los nanotubos de carbono en la descontaminación de aguas, como alternativa a los carbonos activados. También se está desarrollando la tecnología FED para la fabricación de pantallas utilizando nanotubos, y podríamos seguir con una larga lista de aplicaciones.

De la nanomedicina a los ordenadores cuánticos

En medicina y biología son tantas las posibilidades que se habla de la nanomedicina como una disciplina propiamente dicha. Y es que, las aplicaciones que se prevén son fascinantes. Una de ellas es la utilización de nanopartículas que apliquen los fármacos, como los de la quimioterapia, solo en las zonas enfermas del cuerpo, evitando de esta manera efectos secundarios.

Los científicos ya hablan también de sistemas con que liberar insulina en el torrente sanguíneo. Esta misma técnica podrá utilizarse para la liberación de dopamina en el cerebro con el fin de curar enfermedades como el Parkinson o el Alzheimer. Hasta se afirma que en el futuro será posible reproducir órganos humanos in vitro o recuperar la visión mediante sistemas que regeneren el nervio óptico o con un ojo artificial.
Y otra disciplina donde promete haber una revolución en los próximos años gracias a la fiebre ‘nano’ es la electrónica. Los trabajos van encaminados en técnicas de miniaturización Top-Down, pasando por logros como la obtención de una molécula que trabaja como un transistor.

Pero quizá el avance futuro más apasionante está en lo que también vaticinó el genial Feynman. Éste propuso los fundamentos de sistemas que, pudiendo controlar el spin electrónico, determinaran estados de cero y uno. A este concepto ya se le ha bautizado con el nombre de bit cuántico o qubit. Un qubit tiene ciertas similitudes con un bit clásico. Como un bit, un qubit puede tener dos posibles valores 0 o 1. La diferencia es que mientras que un bit puede ser 0 o 1, un qubit puede ser 0, 1 o una superposición cuántica de ambos. Así, será posible realizar trabajos en paralelo, procesando el doble de información a la vez.

Gracias a esto la capacidad de cálculo de estos hipotéticos sistemas sería enorme. El principal problema radica en la imposibilidad de interactuar con sistemas cuánticos sin que la información contenida en los qubits fuera alterada.

Otro proyecto extraordinario es el de la llamada electrónica orgánica. Consiste en representar la información con moléculas orgánicas haciéndolas reaccionar para resolver un problema. Se realizó por primera vez en 1994 cuando se pudo resolver un problema matemático utilizando una estructura de ADN para almacenar la información, estudiado las moléculas resultantes. Dado el grado de escala molecular de los fragmentos de información, el volumen de procesamiento sería muy grande. Como dato podemos decir que en un centímetro cúbico se puede almacenar la información de un billón de Cds.

Radiografía actual de la nanociencia

En el entorno europeo, la UE, dentro del mayor programa de financiación de investigación y desarrollo tecnológico de su la historia, el Séptimo Programa Marco (7PM), ha destinado 3.500 millones de euros en investigaciones sobre nanotecnología.

En nuestro país, a finales del 2006 se creó junto con Portugal el Centro Ibérico de Nanotecnología, con un presupuesto anual de 30 millones de euros que contará con una plantilla de 200 investigadores. Igualmente se ha creado la red NANOSPAIN, promovida por el CSIC y otras instituciones.

Éstos son algunos ejemplos de los numerosos progresos alcanzados hasta la fecha en el campo de la nanotecnología. Sin embargo, queda mucho por conocer e investigar antes de lograr los objetivos planteados. El salto final de las nanomáquinas se producirá cuando la construcción ‘abajo-arriba’ sea una realidad tangible, sea ya por medio del ensamblador de Drexler o por otros medios que aún no imaginamos.

Las previsiones en este campo son esperazandoras pero la realidad presente no se queda atrás. Ya existen cerca de tres mil productos generados con nanotecnología, la mayoría para usos industriales. Igualmente, las investigaciones son lideradas por la medicina y la biología. Según Ignacio Alcorta, presidente del BSI, ya existe un ‘nano-chip’ que introducido en el organismo realiza un análisis de sangre, envía esa información a un hospital y alerta a los médicos en caso de que exista algún problema de salud. Además, las previsiones apuntan a tener nanorobots de diagnóstico a partir de 2025.

Lo que es absolutamente cierto es que un nuevo horizonte científico y tecnológico se ha abierto, y que tras cuatro décadas desde aquel desafío lanzado por Feynman, se han logrado notables avances. Se trata de un nuevo mundo por explorar donde ya hemos dado los primeros pasos.