Introducción

LA NANOCIENCIA

Y LA NANOTECNOLOGÍA

Si estás leyendo este libro es porque, obviamente, quieres aprender de qué va esto de la nano. Quizás lo has oído en la tele, quizás lo has leído en una revista científica, quizás has oído a alguien hablar de ello en YouTube, o quizás estás a punto de empezar una carrera científica. Fuere como fuere, mi tarea es explicarte qué demonios es esto de la nanociencia y la nanotecnología, y antes de empezar quiero que sepas que este libro tiene la intención de ser un arma divulgativa para que todo el mundo pueda comprender los conceptos de la nano..., pero también va a ser un reto. Y va a ser un reto por una razón muy sencilla: cuando termines de leer estas páginas, vas a conocer los conceptos científico-técnicos básicos de la nanociencia y la nanotecnología. Para ello, vamos a empezar por el principio: ¿qué significa nano?

Pues el prefijo nano- proviene del griego y significa «enano», «pequeño», «diminuto». Por tanto, la nanociencia es aquella ciencia que estudia la materia pequeña y la nanotecnología es la aplicación de este conocimiento en procesos tecnológicos. En el ámbito científico-técnico, además, nano- se usa para referirse a «una milmillonésima parte». Es decir, que un nanómetro es mil millones de veces más pequeño que un metro; un nanolitro es mil millones de veces más que pequeño que un litro; un nanoamperio es mil millones de veces más pequeño que un amperio, etc. Veremos qué significa realmente que algo sea nano cuando hablemos de la escala de las cosas y pongamos los diversos tamaños de la materia en perspectiva, pero de momento lo importante es entender que la nanociencia es el estudio de las cosas que se pueden medir en nanómetros (nm).

Sin embargo, resulta obvio pensar que, por mucho que la nanociencia y la nanotecnología sean recientes, el mundo de lo pequeño siempre ha estado ahí. Piensa en cualquier cosa: una silla, un pelo, un grano de sal de cocina...; todos ellos están compuestos por partículas extremadamente pequeñas organizadas de una manera u otra: los átomos. Independientemente de si podemos analizarlos o no, los átomos siempre han estado, están y estarán ahí. Por tanto, son su estudio y su aplicación (la nanociencia y la nanotecnología) lo que resulta más moderno y lo que vamos a discutir en estas páginas, comenzando por su historia y sus raíces.

HACIENDO HISTORIA

Si quisiéramos echar la vista atrás y remontarnos al primer momento en que el ser humano pensó que, quizá, la materia se compone de materia aún más pequeña, deberíamos hablar de Demócrito y de su mentor, Leucipo, que fueron dos grandes filósofos griegos del siglo V a.C. Ellos sostenían que toda la materia es continua, y que está compuesta por partículas tan diminutas que rozan el límite de lo pequeño y que son indivisibles (serían lo que más tarde llamaríamos átomos).^*

Lo cierto es que ni la materia es continua, pues existe el vacío —que es la ausencia de partículas en un espacio—, ni los átomos son indivisibles, pues están compuestos por subpartículas como los quarks. Sin embargo, la idea de que todo lo que conocemos está formado por una materia diminuta no fue nada trivial, por más que pueda parecerlo. Las conclusiones de Demócrito y Leucipo ayudaron a fomentar la base sobre la que hemos construido el conocimiento que hemos adquirido hoy en día, y es que no hay que olvidar que el esfuerzo acumulativo es lo que, día a día, generación tras generación, empuja a la ciencia y la tecnología.

Por eso, vamos a ver brevemente los distintos pasitos de hormiga que, a lo largo de la historia, nos han llevado a crear la rama del conocimiento que llamamos nanociencia: desde la antigua Grecia hasta ti, que estás leyendo estas páginas.

Los primeros nanomateriales

Aunque el uso intencional de la nanociencia y la nanotecnología no se desarrolló hasta hace poco menos de cien años, a lo largo de la historia ha habido momentos en los que, por pura suerte y casualidad, alguna persona o grupo de personas fabricaron los nanomateriales: materiales con propiedades especiales gracias a su composición y estructura a nivel nano. Y, por supuesto, tipos de nanomateriales hay muchos. Muchísimos. Los primeros en usarse, sin ninguna pretensión y de forma completamente inconsciente, fueron posiblemente las nanopartículas (NP), que son partículas (del material y la forma que sean) que miden entre 1 y 100 nm, aproximadamente.^*

El uso de nanopartículas se remonta al siglo IV a.C. en el Imperio romano, a través de uno de los objetos más curiosos de la Antigüedad: la copa de Licurgo. Este es el ejemplo de nanomaterial más antiguo conocido hasta la fecha. Está hecho de vidrio dicroico y hoy en día se puede visitar en el Museo Británico, en Londres.

«¿Y qué es el vidrio dicroico?», te podrías preguntar. Pues es un material que cambia de color según las distintas condiciones de luz. Se puede fabricar de múltiples maneras, pero en este caso en concreto, los romanos utilizaron nanopartículas de plata (Ag) y oro (Au) que mezclaron en la matriz vítrea. Imagina su cara de sorpresa cuando, sin entender ni cómo ni por qué, la copa que habían fabricado se veía de color rojo intenso o verde mate dependiendo de cómo le incidiera la luz.

Si quieres entender en profundidad cómo funciona un vidrio de estas características y, en específico, la copa de Licurgo, puedes saltar a «Vidrio dicroico: la copa de Licurgo» y empaparte de los tecnicismos, pero te recomiendo que me sigas mientras aprendemos primero las bases de la nanociencia, poco a poco y por orden, sin adelantar acontecimientos.

Además de la copa de Licurgo hay otros ejemplos de vidrios dicroicos que contienen nanopartículas de diversos metales y/u óxidos y que confieren al material la capacidad de jugar con la luz y el color, lo que de otra forma sería imposible. Un claro ejemplo de este tipo de nanomateriales son las vidrieras medievales que podemos observar en algunas catedrales europeas cuya construcción se remonta a los siglos VI al XV y que contienen nanopartículas de diversos tipos de cloruros (Cl⁻) y oro (Au). Asimismo, existen piezas de cerámica del Imperio otomano (siglos IX-XVII) que exhiben un lustre y unos colores brillantes y casi imperecederos gracias a su barniz, que contiene nanopartículas de plata, cobre y otros metales.

Aunque las nanopartículas proveyeran de color y brillo a los diversos objetos que hemos visto, uno de los nanomateriales más fascinantes de la Antigüedad sin duda alguna no debe sus propiedades a diminutas partículas, sino a nanohilos (NW) y nanotubos (NT) de carbono. Estamos hablando del acero de Damasco, que se usaba para crear la hoja de diversos sables y espadas en Oriente Próximo entre los siglos XIII y XVIII. Las nanoestructuras de carbono y cementita que forman parte de este tipo de acero fueron producto del proceso de forjado y proveían a los sables y espadas de tal dureza que numerosas leyendas perduran a día de hoy sobre sus increíbles características: se dice que el acero de Damasco es capaz de cortar el barril de un fusil e incluso seccionar un pelo en el aire.

Como ves, el uso de nanopartículas, nanohilos e incluso nanotubos tiene una larga historia. Aunque nuestros antepasados no entendieran por qué estos objetos tenían propiedades especiales, la nanotecnología dejó huella en nuestra civilización, por mucho que pasara desapercibida..., al menos hasta 1857, cuando un ya mayor Michael Faraday haría un descubrimiento que lo cambiaría todo.

La era moderna

Michael Faraday (1791-1867) fue un científico inglés vastamente conocido por sus estudios sobre el electromagnetismo, la inducción y la electrólisis. Sin embargo, el experimento que nos concierne ahora mismo tuvo que ver con la luz, el oro y el tamaño. Todo empezó con una suspensión de partículas de oro (Au) a nivel macroscópico (o macro, es decir, «grande»). Al dispersar las partículas en agua, la solución se veía de color dorado, tal y como podríamos esperar de un material que siempre hemos visto de este color. Lo que sorprendió a Faraday fue que, al hacer una suspensión de partículas de oro (Au) con un tamaño mucho menor —aunque a día de hoy no podemos conocer qué tan menor dado que en 1850 no existía la tecnología necesaria para ver y examinar el mundo de lo pequeño—, la solución se veía de color rojo rubí. Y es que resulta que la dimensión de las partículas de oro que están suspendidas en el líquido cambia la forma en que estas interaccionan con la luz. De esta manera, Faraday determinó algo que sería vital para el futuro desarrollo de la nanociencia: EL TAMAÑO IMPORTA.

Pero, aunque ya existiera esta hipótesis, no sería hasta un siglo después, en 1959, cuando un profesor de física del Instituto Tecnológico de California (Caltech) haría hincapié en la relevancia del mundo de lo pequeño en una famosa conferencia titulada: «There is Plenty of Room at the Bottom» («Hay mucho espacio ahí al fondo»). El físico del que estamos hablando es Richard Feynman (1918-1988), considerado por muchos el precursor de la nanociencia tal y como la conocemos hoy. En su conferencia recalcó la importancia que tendría el mundo de lo pequeño y añadió que algún día seríamos capaces de manipular la materia átomo a átomo (spoiler alert, podemos hacerlo desde 1989). Feynman no mencionó el mundo nano, pues en realidad la palabra nanotecnología fue acuñada por Norio Taniguchi (1912-1999) en 1974, pero sus predicciones no han resultado menos ciertas por ello. Y es que, desde la década de 1980, la nanotecnología no ha hecho más que evolucionar a marchas forzadas: desde el microscopio de efecto túnel, los puntos cuánticos, los fullerenos, el microscopio de fuerza atómica y los nanotubos de carbono hasta las primeras empresas dedicadas a la nanotecnología y las nanomáquinas. Estos son algunos de los ejemplos de la nanotecnología moderna, y son algunos de los conceptos en los que nos vamos a centrar a lo largo de estas páginas. Así que, ya sin más preámbulos, hablemos de qué demonios es esto de la nanociencia y la nanotecnología.

¿QUÉ DEMONIOS ES EL NANOMUNDO?

Ahora que ya sabemos lo más básico, es decir, que la nanociencia y la nanotecnología estudian y trabajan el mundo de lo pequeño, es hora de ponernos un poco más serios. Para poder entender realmente cómo de pequeño es el mundo de la nano tenemos que interiorizar y visualizar lo que es realmente un nanómetro. Es muy fácil decir «un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro», pero no es igual de fácil visualizarlo y poder compararlo con el tamaño de cosas con las que sí estamos acostumbrados a trabajar. Debido a esto, vamos a hablar de objetos, tamaños y comparativas, usando lo que a mí personalmente me gusta llamar «la escala de las cosas».

La escala de las cosas

Bien. Para empezar, te voy a pedir que hagas lo siguiente. Imagina que alguien te pide que le digas tu altura. ¿Qué unidades de medida utilizarías para comunicar tu respuesta? Lo cierto es que no hay una sola respuesta correcta, pues podrías responder con varias opciones distintas. En mi caso, una respuesta elocuente podría ser: «Mido 160 centímetros». Si me hubiera bebido dos cervezas quizás diría: «Mido 1.600 milímetros». Si me hubiera bebido cuatro cervezas podría decir: «Mido 0,0016 kilómetros», lo cual roza ya lo absurdo. Y ya, en un caso completamente imposible y solo si se me hubiera ido la olla completamente podría decir: «Mido 5,3 pies».^*

Como digo, en realidad todas estas respuestas son técnicamente correctas, pero las unidades que nos facilitarían más la comunicación en este caso son los metros (chúpate esa, sistema métrico americano). Es decir, que yo en circunstancias normales respondería: «Mido 1,60 metros». Al final, hemos creado las unidades de medida para que nos ayuden a comunicarnos entre nosotros de forma más clara y precisa, ya sea entre personas de la comunidad científica o no. Por eso existe el sistema métrico internacional, que nombra las unidades en potencias de 10. Así, hablemos de las distintas unidades de medida y de las cosas que tiene sentido medir con todas ellas, y formemos juntos una escala de las cosas que nos ayude a entender los tamaños relativos de los objetos del mundo que nos rodea.

Figura 1: La escala de las cosas

Para entendernos, vamos a empezar con la unidad de medida que más conocemos y usamos, que son los metros (m). En metros medimos un montonazo de cosas: personas, distancias, edificios, coches, espacios interiores, y un largo etcétera. Si partiéramos un metro en mil pedacitos iguales, entonces lo que tendríamos es un milímetro (mm); es decir, que un milímetro es exactamente una milésima parte de un metro. Cosas que tenga sentido contar en milímetros hay muchas; por ejemplo, la punta de un lápiz, un grano de arroz o un mosquito menudo. Por ahora hemos hablado de metros y de milímetros, que son unidades a las que estamos más que acostumbrados. Pero ¿qué pasa si dividimos un milímetro en mil partes iguales? ¿Cuál es la milésima parte de un milímetro? Pues aquí, amigos, es donde la cosa se pone más interesante porque entramos en el mundo de las cosas que no se ven a simple vista: el micromundo.

La milésima parte de un milímetro es el micrómetro o micra (μm). Aquellos objetos que miden poco menos de un milímetro y se puedan contar en micras (como muchos tipos de células, bacterias, o muchos de los componentes electrónicos de nuestros teléfonos móviles) pertenecen al micromundo. Por supuesto, estos objetos no se pueden ver a simple vista y para poder analizar su aspecto tenemos que visualizarlos bajo un amasijo de lentes que focalicen la luz y nos permitan amplificar su imagen; lo que de toda la vida llamamos microscopio óptico. Así, todos aquellos objetos que miden entre 0,1 y 100 μm son el objeto de estudio de ramas del conocimiento como la microtecnología, la microbiología o la microelectrónica.

Y ahora, si dividiéramos una micra en mil pedazos iguales, entonces lo que tendríamos sería la unidad de medida que da nombre a este libro y a toda la ciencia que vas a aprender con él: el nanómetro (nm). El nanómetro es mil veces más pequeño que la micra (1 nm=10⁻³ μm), un millón de veces más pequeño que el milímetro (1 nm=10⁻⁶ mm) y mil millones de veces más pequeño que el metro (1 nm=10⁻⁹ m). Vaya, que es extremadamente pequeño en comparación con las cosas con las que estamos acostumbrados a tratar en nuestra vida diaria. Todos aquellos objetos o cosas que miden entre 0,1 y 100 nm (y muchas veces incluso aquellos que miden micras, porque al final todo es cuestión de definiciones) pertenecen al nanomundo y son el objeto de estudio de la nanociencia. Además, se sitúan en un rango de tamaños en que ni siquiera el microscopio óptico puede operar, pues su resolución nos permite ver objetos de hasta 200 nm, pero no menores. Para poder caracterizar^* los materiales nano, vamos a necesitar otras técnicas como la microscopía electrónica, la resonancia magnética, la difracción electrónica y muchas otras que veremos a su debido tiempo.

Por ahora, hagámonos una pregunta mucho más simple: ¿qué hay en el nanomundo?

¿Qué hay ahí abajo?

El nanomundo... lo comprende todo. Absolutamente todo. Piensa que cualquier cosa que puedes ver y tocar (e incluso muchas cosas que tus sentidos no pueden percibir) se puede estudiar a escala nano: la estructura de la materia, es decir, la ordenación de los átomos que la componen, es una cualidad que tienen todos los materiales y que pertenece al nanomundo, pues se mueve dentro de ese rango de tamaños.

La estructura atómica de los materiales (del plástico, de una piedra, del oro, etc.), el diámetro de la cadena de ADN, muchos de los orgánulos que hay dentro de nuestras células y un montón de moléculas como la adrenalina o el colesterol son algunos ejemplos de los tipos de objetos que podemos encontrar en el nanomundo de forma natural. Todo lo que nos rodea se puede estudiar a escala nano. Entonces, ¿podemos decir que todos los materiales son nanomateriales? Pues, bueno..., no.

Un nanomaterial es, según la definición de la normativa ISO/TS 80004, un material que tiene al menos una dimensión perteneciente a la nanoescala. Por ejemplo, un nanohilo tiene dos dimensiones —el ancho y el espesor de tamaño nano, mientras que tiene una dimensión —el largo— más grande. Por el contrario, una nanopartícula es nano en las tres dimensiones. Por tanto, aunque todos los materiales se puedan estudiar a nanoescala, consideramos nanomateriales aquellos que presentan propiedades que se deben a sus peculiaridades nanométricas. Así, un pedazo de oro del tamaño de un puño (es decir, macro) no se considera un nanomaterial, pero una solución que contiene nanopartículas de oro en suspensión sí que lo es. Esta definición aplica para los nanoobjetos (el nanohilo o la nanopartícula en sí) y también para los materiales nanoestructurados, es decir, aquellos materiales que tienen o bien una estructura interna o bien una rugosidad superficial con motivos nanométricos (como podrían ser un polvo de nanopartículas o una superficie cubierta de nanohilos, como algunos recubrimientos impermeables).

Habiendo concretado la definición de nanomaterial, entonces queda preguntarnos ¿podemos encontrarlos en la naturaleza? Por supuesto. Entre los nanoobjetos naturales están la cadena de ADN, las moléculas y los orgánulos, que forman parte de casi todos los seres vivos. Asimismo, también existen materiales nanoestructurados, como las alas de las mariposas Morpho (que tienen rugosidades nanométricas en las alas que les confieren ese color azul iridiscente) o el pico de los tucanes (que contiene un material poroso a escala nano y les confiere ligereza y dureza a la vez). En los capítulos sucesivos vamos a ver todos estos materiales nanoestructurados con mucho más detalle, pero primero debemos aprender cómo los nanomateriales se comportan con la luz, con la tensión superficial y con el espacio y el resto de las leyes de la física que los gobiernan. Todo a su debido tiempo.

Bueno, nos queda claro que en la naturaleza hay nanomateriales, pero ¿es eso todo? Lógicamente, no. Hemos puesto algunos ejemplos de nanomateriales que existen de forma no artificial, pero como adelantamos antes, así como existe la nanociencia (que es el estudio de estos materiales), también existe la nanotecnología (que es la aplicación de este conocimiento). Gran parte de la nanotecnología consiste en fabricar nanomateriales de forma artificial, con un amplísimo abanico de técnicas de nanofabricación. Y aunque cueste de creer..., los nanomateriales artificiales están en todas partes. Son casi ubicuos: nanoemulsiones en el gel de baño y los champús, nanopartículas de carbono en el rímel, superficies nanorrugosas para crear algo superhidrofóbico (impermeable), capas ultrafinas para celdas solares, nanotubos de carbono para la industria del deporte y, por supuesto, todos los transistores modernos, incluidos los de tu teléfono móvil (los hay de hasta 5 nm de diámetro, imagínate).

Por supuesto, para fabricar todas estas cosas, aparte de las técnicas, necesitamos también una maquinaria especializada. Y puede haber diversas formas de fabricar un mismo objeto, pero a rasgos generales podemos distinguir entre dos famosas estrategias: top-down y bottom-up.

Los dos «caminos» de la nanotecnología:

top-down y bottom-up

Cuando hablamos de fabricar cosas nano, hemos de tener claro que tendremos que elegir entre dos estrategias (o una combinación de ambas si pensamos fabricar algo lo suficientemente complejo para que lo requiera). Estas dos estrategias son lo que en nanotecnología se conoce como top-down (de arriba abajo) y bottom-up (de abajo arriba).

Cuando hablamos de una estrategia top-down, nos referimos a algo muy parecido a lo que haría un escultor. Un escultor elimina pedazos de un material (que en su caso puede ser roca o madera) y poco a poco va definiendo la escultura que está creando. Cuando una persona que se dedica a crear formas nanométricas usa una técnica top-down, elimina a propósito y minuciosamente el material que no necesita, y así va escarbando la forma deseada, de arriba abajo. Podemos «esculpir» nanomateriales de diversas maneras; una de las más comunes es irradiar nuestra muestra con un haz de iones (por ejemplo, Ga⁺) que tenga la suficiente energía como para arrancar los átomos de nuestro material.

La otra estrategia posible, el bottom-up, consiste en hacer completamente lo contrario. Imagina que tu objetivo es construir una maqueta con bolitas de plastilina, irás juntando las pequeñas piezas poco a poco hasta crear la estructura que quieras. Lo mismo hace una nanotecnóloga cuando quiere nanofabricar algo con una estrategia bottom-up: parte de las piezas más pequeñas para llegar a las piezas más grandes, de abajo arriba. A través de procesos bottom-up podemos, por ejemplo, crear estructuras de forma espontánea bajo circunstancias específicas, como en los procesos hidrotermales.

Más adelante veremos todo tipo de técnicas que, combinando procesos top-down y bottom-up, nos permiten nanofabricar de las formas más complejas y originales que puedas imaginarte y crear dispositivos tan importantes como el transistor.

Una ciencia transversal

Antes de ponernos del todo serios con la ciencia y las mecánicas del nanomundo, vamos a dejar clara una cosa: la nanociencia no es una ciencia ni específica ni de nicho. Es una ciencia completamente transversal, que toca muchos otros campos. Imagina todas las ramas de la ciencia que se han dedicado a estudiar el mundo macroscópico (la física clásica, la química, las matemáticas, la biología, etc.) y ahora dime, ¿crees que una persona es capaz de estudiar todo esto a nivel macroscópico por sí sola? Pues quizás sí hasta el Renacimiento, cuando lo que conocíamos del mundo era mucho más reducido que ahora. Pero indiscutiblemente requeriría algún tipo de superpoder conocer todos los entresijos del mundo macroscópico, al menos a día de hoy. Pues lo mismo pasa con el nanomundo. El paraguas de la nanociencia engloba múltiples disciplinas, es decir, que es muy interdisciplinar y versátil, y no una cosa superespecífica, como mucha gente cree. En el fondo, si para estudiar el mundo macroscópico se unen varios campos, ¿por qué no iba a pasar lo mismo al estudiar el mundo nano?

Las disciplinas que incluyen el estudio o la fabricación de dispositivos nanométricos son muchas y muy diversas y todas ellas tienen aplicaciones fundamentales en la industria. Estas son: la electrónica, la química, la física, la biología, la bioquímica, la biotecnología, la medicina, el diagnóstico, la energía y, bueno..., casi todas las demás. El estudio de los materiales nano se puede hacer desde tantos ángulos distintos y con tantos fines diferentes que yo, al menos, me atrevería a decir que es de las ciencias más generales que existen. Así que, ahora sí que sí, vamos a adentrarnos en el universo de lo minúsculo y a intentar entender e imaginar cómo está construido el mundo desde lo más nano hasta lo más macro; desde los átomos hasta las mismas hojas de papel (o la pantalla digital) en las que estás leyendo estas palabras.