La nanotecnología

Por Pedro A. Serena Domingo

Los seres humanos siempre han sentido cierta fascinación por aquellas cosas que escapan a nuestra percepción, como los invisibles constituyentes de la materia. Durante los últimos siglos nos hemos pertrechado de ideas e instrumentos que nos han permitido realizar un intrépido viaje hasta los recónditos parajes del micromundo y, mucho más recientemente, descubrir los sorprendentes paisajes del nanomundo, habitados por átomos, moléculas, nanopartículas, nanotubos de carbono, proteínas, virus, ... A lo largo de este viaje estamos aprendiendo a desarrollar nuevos materiales, dispositivos y estrategias de fabricación que permitirán revolucionar la manera de comunicarnos, transportarnos, diagnosticar y tratar enfermedades, producir y almacenar energía, detectar y eliminar la contaminación, construir nuestros hogares, etc. La nanotecnología es precisamente el resultado de todo este proceso de aprendizaje, que nos permite tomar el control de lo diminuto, gracias al esfuerzo conjunto de químicos, físicos, ingenieros, médicos y biólogos. La finalidad de esta obra es preparar al lector para asimilar la avalancha de productos que paulatinamente irán inundando los escaparates y anaqueles de nuestras tiendas y mercados, permitiendo que adopte una posición equilibrada y crítica ante la nanotecnología y sus espectaculares promesas, muchas de las cuales pueden causar tanta incertidumbre y temor como fascinación y esperanza.

• Idioma: Español
• Editorial: Los Libros de la Catarata
• Fecha de lanzamiento: 16 ago 2020
• ISBN: 9788490979754

Pedro A. Serena Domingo

Doctor en CIencias Físicas por la Universidad Autónoma de Madrid e investigador científico del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Sus líneas de investigación principales han estado relacionadas con la modelización y estudio de propiedades electrónicas y mecánicas de diferentes nanoestructuras. Es autor de 160 artículos científicos, de divulgación y de política científica, y ha dirigido tres tesis doctorales y una de máster. Ha impartido clases en cursos de doctorado y máster en las Universidades Complutense, Carlos III y Autónoma de Madrid. Es co-editor del libro “Nanowires” (Kluwer, 1997). Es co-autor de la “Unidad Didáctica de Nanotecnología” (FECyT), del libro “Qué sabemos de la nanotecnología?” (La Catarata-CSIC, 2009), del libro "El nanomundo en tus manos" (Ed. Crítica, 2014), y de la “Guía Didáctica de Enseñanza de la Nanotecnología (GDEN)” (CYTED, 2014). Ha sido guionista y presentador de la serie "¿Qué sabemos de nanotecnología? del Canal de TV de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). Ha co-organizado el concurso de imágenes del nanomundo SMPAGE (ediciones 2007 y 2009) y ha sido comisario de las dos exposiciones "Un viaje al Nanomundo" y "Un paseo por el Nanomundo" que han recorrido más de 50 localidades de cinco países

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La nanotecnología

Pedro A. Serena Domingo

Colección ¿Qué sabemos de?

Catálogo general de publicaciones oficiales

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Diseño gráfico de cubierta: Carlos Del Giudice

Fotografía de cubierta: © ¡Stockphoto/Thinkstock

© Pedro A. Serena Domingo, 2010

© CSIC, 2010

© Los Libros de la Catarata, 2010

Fuencarral, 70

28004 Madrid

Tel. [phone]

www.catarata.org

isbn (csic): 978-84-00-09169-9

isbn (catarata): 978-84-8319-534-5

e-isbn: 978-84-9097-975-4

nipo: 472-10-172-3

depósito legal: M-34.539-2010

este libro ha sido editado para ser distribuido. la intención de los editores es que sea utilizado lo más ampliamente posible, que sean adquiridos originales para permitir la edición de otros nuevos y que, de reproducir partes, se haga constar el título y la autoría.

A Isabel, Clara, Diego, Alicia

y a todas las demás personas que han hecho posible este libro.

Prólogo

Tokio se despierta con el frío húmedo de una mañana de febrero y por sus arterias comienzan a desfilar millones de personas, casi uniformadas, que se mueven con orden y premura. La ciudad conjuga tradición y modernidad. La primera se manifiesta en las cordiales o chocantes costumbres de sus habitantes, mientras que la segunda se hace palpable en los impactantes rascacielos, el culto al ferrocarril, la abundancia de dispositivos electrónicos o las gigantescas pantallas que muestran publicidad de estridentes colores. Es una ciudad transplantada desde el futuro en la que la tecnología se ha convertido en un elemento imprescindible para la vida de las personas. Este paisaje urbano no deja de sorprender a los absortos miembros de la delegación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que se dirigen hacia el complejo Tokyo Big Sight, donde se celebra la novena edición de la feria internacional Nano Tech 2010, dedicada a la nanotecnología.

La delegación del CSIC forma parte del Pabellón Español que promueve el Instituto Español de Comercio Exterior (ICEX). Pero ¿es posible que España venda nanotecnología en Japón? La representación española, formada por una veintena de empresas, universidades y centros de investigación, y coordinada por la Fundación Phantoms, es relativamente modesta, pero no deja de causar sensación en un país en el que España aún se percibe, mayoritariamente, como un interesante destino turístico donde admirar los oníricos edificios del genial Gaudí, escuchar flamenco, paladear buen vino o degustar una sabrosa paella. Todo eso en compañía de gente de carácter abierto y que sabe disfrutar de la vida.

El Pabellón Español enseña otra imagen, la de un país que genera conocimiento de vanguardia y no desea perder el tren de la nanotecnología. La oferta que se muestra está relacionada tanto con la actividad investigadora como con la venta de productos o servicios, incluyendo la comercialización de capital intelectual. Éste es el caso de la delegación del CSIC, la factoría de ideas más exitosa de nuestro país, que ha preparado una cartera con 25 ofertas tecnológicas relacionadas con patentes sobre sorprendentes materiales y dispositivos con aplicación en áreas tan diferentes como electrónica, biotecnología, medicina, generación de energía, cosmética, tratamiento de aguas, sensores magnéticos o materiales ignífugos. Estos conocimientos son el fruto de las investigaciones y proyectos que se llevan a cabo en la casi veintena de centros del CSIC que trabajan en nanotecnología.

Las entidades españolas que participan en la feria representan una pequeña parte de las casi 700 que muestran su actividad y productos en puestos de diseño elegante y futurista. Ésta es la feria internacional más importante del mundo en cuanto a la comercialización de productos derivados de la nanotecnología se refiere. Sus 45.000 visitantes enseguida se percatan de la enorme cantidad de materiales, dispositivos y equipamientos que la nanotecnología ya está ofertando. ¡Qué mejor lugar que éste para conocer de primera mano este mercado emergente!

Un paseo por los distintos pabellones invita a realizarnos muchas reflexiones: ¿era imaginable algo así hace diez o veinte años? ¿Cómo hemos llegado hasta este punto? ¿Hacia dónde nos encaminamos? ¿Es consciente la sociedad de todo este cambio? Hace tan sólo un par de décadas la nanotecnología se mostraba como una quimera en el imaginario de unos pocos investigadores que, capaces de ver el alcance de los descubrimientos que en esos momentos comenzaban a producirse, vaticinaban que una gran oleada de productos llegaría algún día a nuestras casas, vehículos, oficinas, hospitales, etc. A estas alturas es innegable que la nanotecnología se ha convertido en una realidad que está comenzando a moldear nuestro presente y que va a condicionar inevitablemente nuestro futuro.

La nanotecnología, como otras ramas emergentes del saber científico-técnico, se está fraguando en estos momentos a un frenético ritmo en los laboratorios de entidades públicas y privadas de todo el mundo. Este auge está propiciado por una gigantesca inversión económica desde los gobiernos y las empresas, conocedores de su gigantesco potencial y del fabuloso mercado que existe al final de la larga cadena que transforma el saber básico en bienes de consumo.

Nos encontramos, sin duda, al principio de una verdadera avalancha en la que viviremos inmersos durante una larga temporada. Pero ¿estamos preparados para entender y sobrevivir a este alud tecnológico? ¿Los ciudadanos tienen interés por los avances de la nanotecnología? ¿Conocen sus implicaciones y sus riesgos? La respuesta no es evidente. Hay indicios que demuestran que desde hace más de una década existe un creciente interés por la nanotecnología y sus repercusiones. Sólo hay que utilizar cualquier buscador de páginas web en Internet para encontrar varios millones de estas páginas relacionadas con el término inglés nanotechnology. Entre los enlaces se encuentran páginas de grupos e institutos de investigación, de universidades y empresas, medios de difusión de noticias científicas, lugares de divulgación científica y foros de debate. En estos últimos se cruzan encendidas opiniones sobre las ventajas e inconvenientes sobre el tema, y se emplean argumentos que, en muchos casos, penetran peligrosamente en el territorio de la infundada especulación o de la deseable ciencia ficción.

Estos encendidos debates son un reflejo de la fascinación que provoca en las personas el conocimiento, el control y el aprovechamiento de lo extremadamente pequeño. Efectivamente, es un tema de investigación fascinante porque permite a los seres humanos abrir una nueva senda con la que dominar la materia y generar, por ejemplo, materiales que la naturaleza no ha tenido la oportunidad de producir de forma natural y que exhiben inesperadas propiedades. También causa fascinación saber que la nanotecnología es un difuso punto de encuentro de disciplinas tradicionales, un escenario donde átomos, moléculas, dispositivos minúsculos, nuevos materiales, virus o células son sus actores principales. En realidad, hablar de lo pequeño es hablar de casi todo. Esa amplitud hace aún más difícil la comunicación entre los propios científicos y entre éstos y la sociedad, porque se necesita estar al tanto de conceptos y avances pertenecientes a áreas de investigación muy diferentes.

En este contexto, esta modesta obra tiene entre sus objetivos: 1) proporcionar al lector una visión rápida del camino recorrido hasta este momento y de las investigaciones que actualmente se llevan a cabo en los laboratorios dedicados a la nanotecnología; 2) conocer las técnicas y la variada jerga que se emplean en dichos laboratorios; 3) describir aquellos sectores económicos en los que la nanotecnología ya tiene o va a tener una influencia decisiva; 4) anticipar el impacto social y cultural de la nanotecnología; y 5) permitir el desarrollo de una postura crítica y racional ante la avalancha nanotecnológica que nos sacudirá durante las próximas décadas.

Los diferentes capítulos en los que se estructura este libro intentarán satisfacer los objetivos antes mencionados. Los tres primeros se centran en describir las principales características de la nanotecnología, los materiales que la protagonizan y los equipos que usamos para observarlos y fabricarlos. Los siguientes nos mostrarán las aplicaciones de la nanotecnología en los tres sectores sobre los que ésta tiene mayor impacto: tecnologías de la información y comunicaciones, energía y medio ambiente, y salud y alimentación. El libro finaliza con un capítulo dedicado a poner de manifiesto cómo se está produciendo la interacción de la sociedad con este nuevo paradigma científico.

No se ha considerado oportuno incluir un glosario de términos debido a la inmensa cantidad de vocablos relacionados con la materia que provienen de diferentes disciplinas científicas. En su lugar, se ha considerado más oportuno incluir las referencias a algunos buenos glosarios ya existentes en Internet en la sección dedicada a la bibliografía. El texto se completa con un cronograma que mostrará los hitos que han configurado el largo camino hacia la nanotecnología.

capítulo 1

¿Qué es la nanotecnología?

El ‘nanomundo’, territorio por descubrir

Desde la más remota antigüedad, el hombre, impulsado por su curiosidad, ha observado los fenómenos de la naturaleza y les ha buscado explicaciones de muy diverso tipo. Las primeras explicaciones fueron relativamente sencillas, aferradas a leyendas, mitos y dioses. Los fenómenos por los que los humanos tenían interés siempre se encontraban al alcance de los sentidos: la lluvia, los truenos, la nieve, el mar, el sol, la luna, las estrellas, los animales, las plantas... Sin embargo, el mundo de las cosas pequeñas quedaba al margen de la percepción sensorial: lo que no se veía, no existía. Las entidades más pequeñas que se manejaban en la antigüedad de manera consciente eran delgadas fibras con las que se elaboraban tejidos y papiros, y diminutas cantidades de metales preciosos utilizados en orfebrería.

La situación cambió cuando un grupo de eruditos se plantearon cuestiones sobre la complejidad que se observa a nuestro alrededor, intuyendo la existencia de un orden subyacente basado en unas estructuras mucho más sencillas. De esta manera, filósofos como Tales de Mileto, Anaxímenes, Heráclito, Empédocles, Platón o Aristóteles buscaron e idearon unos principios con los que explicar el origen de todas las cosas. Así se llegó, por ejemplo, a una representación basada en cinco elementos fundamentales vinculados a cinco figuras geométricas perfectas: la tierra (representada por el cubo), el aire (octaedro), el agua (icosaedro), el fuego (tetraedro) y el invisible éter (dodecaedro). También se desarrollaron otras teorías, como la atomística debida a Leucipo y Demócrito, fundamentada en la existencia de unas pequeñas entidades (los átomos, partículas sin división) que eran imperceptibles a la vista de los humanos. Estos entes invisibles tendrían que ser muy diferentes entre sí para poder explicar la gran variedad de materiales y seres vivos existentes, por lo que la explicación resultaba demasiado compleja y no prosperó.

La invención del microscopio óptico en el siglo XVI, atribuida a los holandeses Hans y Zacarias Janssen, permitió atisbar un riquísimo mundo hasta entonces invisible. En esa exploración destaca el trabajo del también holandés A. van Leeuwenhoek, que estableció, en el siglo XVII, los fundamentos de lo que luego se ha conocido como microbiología. El funcionamiento de estas herramientas está condicionado por la limitación que tiene el ojo humano para percibir sólo la parte del espectro electromagnético que se extiende entre el ultravioleta y el infrarrojo, y que denominamos luz visible. Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz y se caracterizan por su frecuencia o su longitud de onda. En el caso de la luz visible, la longitud de onda