El arte de lo invisible. Logros, beneficios sociales y desafíos de la nanotecnología
La historia de la ciencia y la ingeniería como fuerzas
sociales de importancia es relativamente breve. La mayoría situarían su
origen en la revolución copernicana del siglo xvi, es decir, que su
existencia equivaldría a menos de la cuarta parte del tiempo que el
hombre lleva sobre la Tierra. Con la llegada del progreso científico —y
su empleo de herramientas agnósticas de matemáticas, cuestionamiento,
postulación, teorización, predicción, verificación, creer en teorías lo
suficiente como para seguir adelante en las investigaciones pero al
tiempo dudando lo bastante como para detectar errores y fallos— llegó
también el enfoque moderno del aprendizaje y la invención. Superar los
dogmas, incluso frente a observaciones contradictorias, puede constituir
un desafío para la sociedad y así será siempre; la comodidad que supone
hacer «el trabajo de siempre» no es algo a desdeñar. Todo esto es
cierto también en la empresa científica. Pero las ciencias físicas y de
la naturaleza, la ingeniería y las matemáticas en tanto que áreas de
trabajo son de las pocas empresas en las que las revoluciones pueden
ocurrir con relativa facilidad. La teoría de la relatividad de Einstein
—el «absoluto» de la velocidad de la luz y la gravedad como deformación
del espacio-tiempo, la mecánica cuántica como una concepción
completamente nueva de la mecánica para describir la realidad basada en
enfoques probabilísticos—; también la comprensión filosófica de la
realidad como resultado de la observación; el teorema de Gödel sobre los
límites de la «demostrabilidad» dentro de un sistema axiomático; la
descodificación genómica del origen de la vida y la comprensión del
metabolismo, la replicación y la reproducción, son todas ideas que
fueron rápidamente adoptadas por la comunidad técnica una vez superaron
el examen del enfoque científico.
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La búsqueda científica de verdades y el impulso de ponerlas en
práctica no conocen fronteras nacionales y se adaptan a las condiciones
de cada época. Entre los progenitores de los albores de la civilización
científica, Copérnico fue un hombre de Iglesia y polaco; Bruno, que pagó
con su vida la defensa de sus creencias frente al dogma, fue teólogo de
Italia; Tycho de Brahe, el matemático imperial, era de Dinamarca, y
Johannes Kepler, alemán, y Galileo Galilei fueron profesores en Italia.
No todos los pioneros de la ciencia fueron profesores, aunque las
universidades como instituciones dedicadas a la enseñanza (1) existen
desde hace mucho tiempo. En el siglo pasado Albert Einstein comenzó como
abogado de patentes, y las contribuciones científicas de Neils Bohr
surgieron de su estilo de vida nómada, que le hacía alejarse de la
institución estatal donde trabajaba, un poco a la manera de Copérnico y
Kepler. En la actualidad, cuando el poder y el impacto económico de la
ciencia y la ingeniería han aumentado de forma drástica, se han fundado
numerosas instituciones dedicadas a la investigación impulsadas por los
científicos mismos (2) que se autofinancian o bien están financiadas por
filántropos y otra suerte de mecenas modernos: inversores de capital
riesgo y fundadores de pequeñas compañías que se han enriquecido
inmensamente gracias a aplicaciones de ciencia y de ingeniería. Las
universidades, como en el pasado, desempeñan su papel, pero no son los
únicos agentes de progreso. Los laboratorios fundados por el Estado, los
independientes y los industriales, en especial los dedicados a las
ciencias biológicas, colaboran también en la investigación científica y
en sus aplicaciones.
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Una revolución científica se origina a partir de individuos
poseedores de una increíble voluntad y fortaleza interior, personas
capaces de generar una poderosa fuerza centrípeta a partir de un único
concepto como principio organizador universal (3). El progreso
científico, periodo de consolidación, se produce porque hay individuos
que persiguen varias conclusiones de forma centrífuga empleando una gran
variedad de recursos para aprovechar las conexiones centradas en el
principio organizador de un mundo lleno de complejidad. El progreso en
la ciencia y la ingeniería depende tanto del descubrimiento central como
de su posterior articulación. La creación de Mendeleev de la tabla
periódica antes de que se conocieran las partículas y los átomos; la
formulación de Darwin del principio de la evolución sin ninguna clase de
conocimiento molecular, genético y organísmico, y el desarrollo de
Heisenberg de la mecánica cuántica que reemplazó el determinismo
newtoniano son ejemplos de superación de dogmas y creación de principios
científicos nuevos.
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Darse cuenta de que la química, la biología y la física tal como las
conocemos y las empleamos hoy en ingeniería y medicina prácticamente no
existieron hasta hace sólo un siglo y medio es toda una lección de
humildad. A partir del descubrimiento y comprensión de los elementos
químicos pronto desarrollamos la capacidad de fabricar amoniaco, y a
partir de ahí fertilizantes para la agricultura que hacen posible al
existencia de casi 7.000 millones de personas sobre la Tierra. Las
interacciones genéticas y la progresiva comprensión de las mutaciones
constituyen enfoques fundamentales en la lucha contra las enfermedades y
harán posible que las personas vivan mejor y más tiempo. La informática
y las comunicaciones, que dependen directamente de la electrónica,
desarrollan los principios de su hardware a partir de la mecánica
cuántica y de la teoría de la información. Somos muy afortunados de
vivir en una época de descubrimientos y asistir a la aventura de la
aplicación práctica de todos ellos.
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Los avances centrífugos también dependen de la disponibilidad de
herramientas: instrumentos de observación y creación. Cuanto más pequeña
es la herramienta, mayores son las probabilidades de que sea
personalizada o, lo que es lo mismo, individualizada y humanizada; es
decir, de más fácil manejo. Debido a esta cualidad las herramientas son
empleadas por numerosos científicos e ingenieros, que estimulan así su
creatividad, lo que a su vez repercutirá en gran parte de la sociedad.
El molino de agua evolucionó hasta convertirse en la máquina de vapor, y
de ahí al motor eléctrico, de combustión, etcétera. Cada uno surgió
bajo muchas formas. El motor de combustión, con distintos formatos,
propulsa al avión, el coche y la motocicleta. El motor eléctrico hace
funcionar el tren, el aire acondicionado e incluso el disco duro de un
ordenador portátil. Hoy sabemos que existe un motor de energía
molecular, llamado ATP sintasa, que convierte energía química en
movimiento mecánico dentro de nuestro organismo. ¿Quién sabe qué puertas
abrirán este descubrimiento y sus reproducciones sintéticas en el
laboratorio? Pero el propósito común que ha impulsado este proceso de
miniaturización es el de encontrar aplicaciones que son útiles a los
seres humanos. Los procedimientos médicos han cambiado drásticamente
gracias a las herramientas endoscópicas; en la mayoría de los casos los
ingresos prolongados en hospitales se han eliminado, el teléfono móvil y
otros instrumentos de comunicación están por todas partes, incluso en
las regiones más pobres del mundo, supuestamente con grandes beneficios
derivados de un mejor intercambio de información. Los programas de
software para escribir, dibujar y visualizar en nuestros pequeños
ordenadores son innumerables. En todos estos casos la miniaturización y
la personalización han tenido un impacto espectacular.
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El progreso tecnológico tiene también, por supuesto, su lado oscuro
en función de las innovaciones mismas y de la forma en que son
difundidas y utilizadas. Los fertilizantes, los ordenadores y los
motores de combustión consumen grandes cantidades de energía (4), son
agentes contaminantes y han alterado el equilibrio del planeta. La
Revolución Industrial en Europa redujo de forma drástica la esperanza
media de vida. Gran parte de la energía consumida en el mundo hoy tardó
miles de millones de años en acumularse en nuestro planeta, haciendo
posible la existencia de 7.000 millones de humanos, en lugar de, tal
vez, 1.000 millones, pero a cambio afectando el clima global. El impacto
de las herramientas personalizadas es de efecto multiplicador. Los
coches son un buen ejemplo de ello, pero también lo es el teléfono
móvil. Cada nueva creación y las nuevas maneras en las que interactúan
la sociedad en su conjunto y los individuos entre sí generan una nueva
línea divisoria entre tener y no tener, entre aquellos que se adaptan y
los que no, entre quienes aprenden y se benefician económica y
socialmente de las herramientas y aquellos que no lo hacen. De manera
que, mientras la media puede ser elevada, suelen aparecer desigualdades.
Debido a que la tecnología a menudo facilita las tareas manuales,
aquellos que se encuentran en el peldaño inferior de la escalera
económica son más susceptibles de salir perjudicados con las nuevas
tecnologías.
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En este contexto social analizaremos ahora la promesa y los desafíos
de la nueva y floreciente era de la especialización técnica: la ciencia,
la ingeniería y la tecnología a nanoescala, a menudo resumidos con el
término «nanotecnología». Básicamente la nanotecnología es un fenómeno
relativo al tamaño, a la dimensión. Al igual que la biología, que abarca
una gran variedad de ciencias de la vida, la nanotecnología afecta a
aquellas áreas de la ciencia, la ingeniería y la tecnología donde
interviene la escala. Tal vez en el futuro decidamos llamarla
«nanología» para reflejar así este amplio radio de influencia, en lugar
de hablar de nanotecnología, nanociencia y nanoingeniería.
Si tomamos cualquier material a granel que podamos ver con los ojos,
ya se trate de material duro o blando, orgánico o inorgánico, y lo
hacemos más pequeño, sigue conservando algunas propiedades. Un trozo
grande de diamante, de hierro o de caucho posee las mismas propiedades
que uno pequeño, y estos materiales y su reproducibilidad nos serán más
útiles cuando conservan sus propiedades después de reducidas sus
dimensiones. Los puentes pueden ser grandes y pequeños, un solo carril
para coches sobre un riachuelo o lo suficientemente amplios para
permitir que un tren cruce el océano. El plástico se emplea en los
coches y también en pequeños relojes de pulsera. Por otra parte, si
vamos al extremo contrario y reducimos el tamaño de un material al
máximo, es decir, a escala atómica o molecular, sus propiedades serán
completamente distintas. Un átomo o molécula tiene propiedades que
resultan de las interacciones de mecánica cuántica y que conducen a su
existencia como unidad estable. El carbón a escala atómica forma
diamantes, pero también grafito, y además es el principal componente del
hollín, resultado de combustión ineficiente. Todas estas formas de
carbón poseen diferentes propiedades, de manera que la transición de la
escala atómica a la escala a granel implica una transformación en las
propiedades del material, que se mide en nanómetros. Las propiedades de
los materiales y sus interacciones físicas y químicas surgen de las
fuerzas de la naturaleza: el enlace atómico o molecular es resultado de
la mecánica cuántica y de fuerzas electromagnéticas. Por medio de las
interacciones de y entre átomos, moléculas, electrones —portadores de
corriente eléctrica—, y fotones —portadores de luz— los procesos
químicos y biológicos experimentan una transformación radical de sus
propiedades a nanoescala. Ello resulta en que el átomo y la molécula se
ensamblan por un lado y los materiales a granel por otro. La razón es
que las fuerzas que están en el centro de estas interacciones, las que
resultan de las propiedades características, son básicamente de
naturaleza nanométrica.
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Y los cambios a nanoescala no son simplemente más pequeños; pueden
ser tan radicales como la aparición de nuevas propiedades a las que
antes no teníamos acceso ni a macro ni a microescala.
El tunelado de la mecánica cuántica es un fenómeno que se ha empleado
con éxito en la última década: en memorias semiconductoras que no
pierden sus datos y no tienen parte móvil, como las que emplean una
cámara fotográfica, un teléfono móvil y el thumb drive o unidad de
almacenamiento en miniatura. En estos mecanismos los electrones circulan
por una región de aislamiento magnético a bajo voltaje (tunelado). Ello
sucede gracias a la naturaleza ondulante del electrón y la capacidad de
la onda de penetrar pequeñas distancias —distancias de nanoescala— que
generan un aislamiento magnético. Las propiedades básicas tales como
temperatura de fundición, magnetización, capacidad de corriente
eléctrica, etcétera, pueden alterarse sin que cambie la composición
química del material, debido precisamente a este comportamiento
ondulante y a las interacciones que se producen a nanoescala, una
propiedad que los sopladores de vidrio de la Edad Media empleaban en la
fabricación de vidrio policromado. El vidrio policromado a menudo emplea
nanopartículas de oro y plata que crean el rojo, el azul, el marrón y
otros colores resaltando la diseminación de un color particular
dependiendo del tamaño de las partículas. Los electrones presentes en
nanopartículas de oro y plata interactúan con los fotones de luz creando
el color. Los científicos describen esta interacción colectiva entre
electrones de plasma y fotones mediante una partícula a la que llaman
«plasmón». Los sopladores de vidrio desarrollaron sin saberlo la
tecnología que permite precipitar estos plasmones de forma controlada a
ese tamaño. La luz que transportan las fibras ópticas y que hace posible
la rápida transmisión de datos se fabrica empleando láseres que
constituyen fuentes de luz altamente eficientes por medio de
interacciones entre electrones y fotones que surgen a nanoescala en
pozos cuánticos artificialmente creados. Incluso la fibra óptica emplea
confinamiento de luz a nanoescala para desplazarla con las mínimas
pérdidas posibles a través de largas distancias.
Las reacciones químicas resultan de interacciones entre átomos y
moléculas en estado neutro o activado o excitado. Las especies
resultantes de esta reacción necesitan acercarse y disponer de vías
favorables desde el punto de vista energético para que las reacciones
sean efectivas. La catálisis es central a la hora de hacer posible esto:
un catalizador, aunque permanezca químicamente inalterado, proporciona
una vía de baja energía a los índices crecientes de reacción. Para ello
crea una superficie en la que se juntan las moléculas y reaccionan unas
con las otras en condiciones energéticamente favorables, dejando el
catalizador inalterado una vez finalizadas las reacciones. Cuando
descendemos al nivel de las pequeñas dimensiones, aumenta la relación
superficie/volumen, un efecto de la nanoescala. Un mero reforzamiento no
lineal de esta sencilla propiedad hace la catálisis enormemente
efectiva. El proceso Haber-Bösch de producción de amoniaco, un
ingrediente clave en la fabricación de fertilizantes, emplea la
catálisis en muchas de sus etapas. El hidrógeno se obtiene del metano
presente en el gas natural empleando óxido de níquel. El amoniaco se
forma a partir de nitrógeno y de este hidrógeno empleando hierro,
derivado de la magnetita, con una eficiencia de conversión última del
99%, es decir, casi perfecta.
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La magnetita, una forma de óxido de hierro, es un material cuyas
propiedades nanométricas ha empleado la naturaleza durante siglos, desde
antes incluso que existieran los sopladores de vídrio. La magnetita es
magnética. Puesto que está hecha de una colección de nanocristales
ordenados en forma de cadenas y que por tanto constituyen un magneto
altamente sensible, dota a los organismos de una propiedad llamada
magnetotaxis, que es la capacidad de responder a los campos magnéticos
de la Tierra. Así, la Magnetospirillum magnetotacticum, una bacteria que
se encuentra en estanques y que fue aislada por vez primera en 1975
junto con muchas otras, es magnetotáctica porque en pequeña escala y
formando un conjunto, un organismo primitivo puede identificar
desviaciones de los campos magnéticos terrestres. Muchas especies
animales emplean la información magnética para orientarse, incluidas la
paloma, la tortuga boba y la langosta espinosa. En el proceso evolutivo
la naturaleza desarrolló maneras mediante las que los nanocristales
inorgánicos podían agruparse en sistemas mayoritariamente orgánicos,
algo que aún estamos aprendiendo a hacer de forma controlada en el
laboratorio. Otro ejemplo interesante de escala nanométrica en la
naturaleza es el color iridiscente de algunas mariposas y plumas de pavo
real. Son efectos ópticos a nanoescala resultantes de las estructuras
tridimensionales que crea la naturaleza, y su recreación en laboratorio
se encuentra todavía en fase temprana. Los fenómenos biológicos tienden a
ser inmensamente complejos, al ser resultado de una combinación
aleatoria de hechos y de un gran número de interacciones que se producen
entre gran número de entidades bajo la influencia de fuerzas locales.
Estos fenómenos son sensibles a las condiciones iniciales y a mínimas
perturbaciones, tienen un gran número de componentes en continua
interacción y a menudo también un gran número de vías por las que puede
evolucionar el sistema. Si un ser humano recibe una cantidad
insuficiente de energía, es decir, si no ha comido lo suficiente, su
cuerpo sabe cómo ralentizar el metabolismo. A diferencia de mucho de lo
que hacemos en los campos de la física, la química y la ingeniería, esto
es algo mucho más complejo e implica una variedad de interacciones a
diferentes escalas. Que esos organismos simples y complejos hayan
encontrado la manera de hacer que dominios magnéticos a nanoescala de un
solo cristal adquieran estas propiedades es un tributo a los recursos
de la naturaleza y a la inteligencia de la biología, características que
la especie humana descubre con regularidad.
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Las últimas décadas prepararon el terreno para el desarrollo de la
ciencia y la ingeniería de la materia condensada, donde el empleo de
herramientas pequeñas y personalizadas se difundió y la capacidad de
controlar y observar a nanoescala se volvió accesible para un gran
número de personas. Estas herramientas nos permiten ensamblar,
manipular, controlar, sondear, fotografiar y observar una miríada de
propiedades a nanoescala. De todas las herramientas, las que más
publicidad han recibido son el microscopio tunelador escáner y la
microscopía de fuerza atómica. Pero igualmente importantes han sido las
herramientas de fabricación que nos permiten definir y ensamblar a
escala nanométrica, las nuevas técnicas para visualización, los
instrumentos que permiten el autoensamblaje de monocapas en superficies,
las herramientas que hacen posible sintetizar y, en general, las que
nos permiten hacer todo esto en serie, rápidamente y a bajo coste. Ahora
tenemos la capacidad de sintetizar átomo a átomo y también de esculpir
los materiales hasta descender el nivel atómico. Podemos testar
fenómenos que se producen a nanoescala a través de una amplia variedad
de herramientas, que a su vez hacen posible una variedad de enfoques. Y
debido a que las propiedades cambian radicalmente cuando se desciende al
nivel de las unidades más pequeñas, podemos actuar sobre ellas mediante
técnicas de ensamblado y escultura. Esto, a su vez, ha hecho posible
que una amplia comunidad de individuos pueda descender al mundo de la
nanoescala. La nanoescala es una dimensión, no una disciplina, y sus
propiedades se ponen de manifiesto en y están relacionadas con todas las
disciplinas. El resultado de esto, a través de la participación a gran
escala de la comunidad y la amplitud de disciplinas, ha sido que en las
interfaces ha surgido un nuevo y gran campo de trabajo. La ingeniería,
las ciencias físicas y de la vida han convergido como nunca antes lo
habían hecho. Y ello ha conducido a niveles de progreso y utilidad que
hasta hace una década resultaban inimaginables.
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Unos pocos ejemplos de esta variedad, que reside en el corazón de la
existencia humana, ilustrarán este punto. Examinemos algunos de los
desafíos a los que en la actualidad se enfrenta el mundo. Los más
importantes tienen que ver con la sostenibilidad, con que una comunidad
compleja y cada vez más amplia de personas y de millones de otras
especies puedan vivir de forma sostenible, a saber, en equilibrio las
unas con las otras y con el mundo natural. La energía, la salud, la
igualdad, la pobreza, la educación y la conservación son asuntos que nos
vienen inmediatamente a la cabeza como pasos previos para la
sostenibilidad. Pronto surgen también determinadas preguntas: ¿podemos
reducir el consumo de energía en transportes, en iluminación, producción
de alimentos y otras facetas de la vida diaria mediante una recreación
de nuestro entorno (calefacción, refrigeración y estética) y de las
comunicaciones (en el intercambio de información, en informática y en
todos los instrumentos móviles)? ¿Podemos ayudar a solucionar los
problemas de escasez de agua produciendo agua limpia, eliminando
impurezas derivadas de los metales pesados tales como el arsénico y
reduciendo el consumo de agua? ¿Podemos mejorar la productividad
agrícola desarrollando plantas de consumo saludable que sean más
resistentes a las enfermedades y consuman menos energía y menos agua?
¿Podemos diseñar un secuestro más eficiente del carbono empleando
enfoques físicos y biológicos? ¿Podemos mejorar la gestión de los
recursos forestales consumiendo menos papel e introduciendo técnicas de
producción de papel más eficientes? ¿Podemos mejorar la asistencia
sanitaria haciendo posible diagnósticos más tempranos y menos costosos,
detectar la contaminación, curar enfermedades, mejorar el tratamiento o
ralentizar el avance de las enfermedades degenerativas y atacar las más
perniciosas como la malaria y el cáncer? La nanotecnología encierra la
promesa de una posible respuesta a todas estas preguntas.
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La fortaleza de los materiales y las propiedades de superficie de
éstos se emplean en todas partes. Los polímeros, cuya síntesis a escala
industrial se generalizó a mediados del siglo xx, son hoy prácticamente
ubicuos. Hay quien argumentaría que los plásticos fueron la columna
vertebral de la revolución industrial de China y la clave de la
transformación de la vida cotidiana, con su empleo en la fabricación de
juguetes infantiles hasta las bol-sas de la compra y envoltorios
variados. Los plásticos y los polímeros adquieren sus propiedades
mediante interacciones de superficie de cadenas de hidrocarbonos y ambos
se han visto beneficiados de los nuevos inventos nanotecnológicos. Los
nanotubos de carbono, basados en un fuerte enlace entre los átomos de
carbono —una configuración distinta de la del diamante— proporcionan
propiedades de interacción de superficie intrínseca; soportan fuerzas
más poderosas que el acero de dimensiones similares (5). Si se
transforman en hebras, de manera similar a como se hace con los
polímeros, tendremos materiales de gran resistencia. Los nanotubos de
carbono se están empezando a incorporar a la fabricación de plásticos
para hacerlos más resistentes, por ejemplo en material deportivo como
raquetas de tenis y palos de golf. Compuestos como el hormigón, la fibra
de vidrio y el Kevlar son combinaciones de materiales que se vuelven
más fuertes gracias a interacciones de superficie. El hormigón puede
hacerse más ligero y conservar no obstante su resistencia mediante el
uso de cenosferas, las estructuras huecas de sílice y alúmina parecidas a
los fullerenos (molécula de carbono 60) presentes en las cenizas de
plantas de energía de carbón. La resistencia del nanomaterial y la
poderosa interfaz hacen posible que estos compuestos sean más fuertes
que nunca. La superficie es clave en esta propiedad.
Hemos mencionado la catálisis y su importancia en los procesos de
producción de amoniaco como uno de los grandes avances del siglo xx. Hoy
los zeolitos desempeñan un papel similar. Son sólidos microporosos que
se transforman en eficientes catalizadores a partir de óxidos de
aluminio y silicio. Usados en millones de toneladas ayudan a craquear el
petróleo para la obtención de gasolina e hidrocarbonos, reduciendo el
impacto ambiental del petróleo.
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Parece probable que los avances en nanotecnología tengan efectos muy
positivos en la producción y consumo de energía, en las comunicaciones y
en la salud. Consideremos algunos de ellos.
Las células de combustible, la energía fotoeléctrica y la conversión
de energía fotoeléctrica son ejemplos de que las mejoras eficientes
relacionadas con la energía están aumentando rápidamente gracias a
nuevos materiales, las membranas ultra delgadas y los nuevos procesos de
conversión. Las fuentes de luz obtenidas mediante semiconductores son
altamente eficientes, con un factor de sostenibilidad 10 frente a la
bombilla incandescente; además resultan más fiables y duraderas. Hoy
podemos verlos en semáforos, pero pronto también en el alumbrado
general, en cuanto se resuelvan cuestiones relativas al coste y a la
preferencia de ciertos colores. También se están creando fuentes de luz a
partir de materiales orgánicos, aunque en este caso el desafío de la
fiabilidad es mayor. La generación de luz fotovoltaica también se está
beneficiando de los avances a nanoescala. Un nuevo tipo de célula solar,
llamada Grätzer, comienza a hacer su transición de los laboratorios a
la fabricación industrial. Estas células utilizan titanio
nanocristalino, colorantes y materiales orgánicos en el transporte de
electrones para alcanzar un porcentaje de eficiencia en la conversión
energética. El titanio es un material que se encuentra en la pintura, en
el papel de lija y en muchos otros lugares donde interviene la fuerza.
También absorbe protones de manera eficiente y por tanto se emplea en
lociones solares. Las nuevas estructuras fotovoltaicas emplean procesos
de baja energía en su fabricación, a diferencia de la mayoría de los
silicios fotovoltaicos populares hoy día, reduciendo también en
consecuencia el coste y la energía requerida para su fabricación. Las
interacciones reforzadas de superficie pueden ayudar a controlar la
contaminación. En regiones densamente pobladas como la llanura
Indogangética, el descenso de la pluviosidad ha dado lugar a grandes
concentraciones de arsénico originado por causas naturales en los pozos
de agua potable. La mayor eficiencia de los procesos electroquímicos
aplicados a la superficie hace posible depurar el arsénico con ayuda de
nanopartículas de óxido de hierro.
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La electrónica, la informática y las comunicaciones se han
beneficiado enormemente de las propiedades de la nanoescala, en la cual
las ondas de electrones y el material interactúan de múltiples maneras
para producir interesantes propiedades. Consideremos, por ejemplo, el
almacenamiento de datos. En la actualidad la humanidad crea cada día más
datos que la cantidad total de éstos almacenada hace 20 años. El
almacenamiento semiconductor no volátil se emplea en cámaras de fotos,
teléfonos, minirreproductores de música y también para almacenar e
intercambiar información. Esto funciona porque tiene lugar, a
nanoescala, un fenómeno de mecánica cuántica llamado «tunelado». El
inmenso volumen de datos que procesa Google y que las empresas almacenan
es viable porque las unidades de disco magnéticas almacenan más en
menos espacio, es decir, son más compactas y también cuestan menos. Esto
es posible porque se han aprovechado la rotación (spin) del electrón y
las interacciones de campo que se producen a nanoescala. Nuestra veloz
infraestructura de comunicaciones depende de la transmisión óptica. Lo
diodos láser de pequeño tamaño y los amplificadores y las fibras ópticas
emplean confinamiento de portadores y fotones en dimensiones reducidas
para obtener una mayor eficiencia en generación y transmisión de
señales. Los mecanismos de menor tamaño también consumen menos, de
manera que el índice de consumo energético por mecanismo ha disminuido
con el tiempo. Sin embargo, la personalización de pequeñas herramientas,
por ejemplo, ordenadores, también significa que ha aumentado su número
de usuarios. De ahí que las cifras generales sigan siendo las mismas.
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El empleo generalizado en electrónica de estos mecanismos de
detección y control también ha sido determinante en cómo se aplica la
nanotecnología a la ciencia. Uno de los principales desafíos en
biociencia ha sido la comprensión minuciosa de los fenómenos bajo las
condiciones químicas y físicas específicas que se dan en entornos
reales. La invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR por
sus siglas en inglés) proporcionó una técnica para amplificar una
muestra de ADN que fuera de interés, posibilitando hacer tantas copias
de la misma como se precisaran para su estudio y análisis. En forma de
nanoherramienta, el PCR hizo posible generar millones de copias de una
hebra concreta de ADN y usarlas para manipulación genética. Las técnicas
de microconfiguración (microarray), monoclonales y de prótesis
fluorescentes han resultado ser igualmente provechosas. Gran parte de la
investigación biológica, sin embargo, continúa dependiendo del análisis
estadístico de datos, en los cuales se producen una gran cantidad de
interacciones como las mencionadas y a continuación se extraen de ellas
los modelos posibles para describir la especificidad. Las técnicas de la
ciencia física tienden a descartar todos los fenómenos superfluos y a
simplificar el sistema de forma que las propiedades relevantes puedan
estudiarse con el debido rigor. Con la aparición de numerosas
«nanotécnicas», es decir, técnicas capaces de descender a la escala más
pequeña que existe, comienza a ser posible evitar la dependencia del
análisis estadístico y estudiar las posibilidades de manera exhaustiva.
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Hacer esto, no obstante, requiere disponer de ultrasensores. La
nanotecnología permite fabricar una gran variedad de ellos. Una molécula
fluorescente puede ser reemplazada por una nanopartícula ópticamente
más activa sintonizada con una longitud de onda específica y ligada a
una molécula cuya química se está estudiando. Se pueden usar las
interacciones plasmónicas (de electrones de plasma y electromagnéticas)
para localizar el calor durante el emparejamiento energético a escala
nanométrica. Las vigas empleadas en construcción pueden reducirse hasta
el punto de que sea posible detectar la sensibilidad al peso a escala de
un solo átomo. Las nanoherramientas pueden empelarse para aislar y
testar células en enlaces bi- y tridimensionales. Es posible también
usar pinzas ópticas para atrapar nanopartículas, desplazarlas y, si se
quiere, estudiar sus distintas reacciones así como las moléculas unidas a
ellas. Por tanto hoy día resulta concebible colocar nanopartículas y
otras herramientas para que observen e interactúen en el interior de
células y tejidos y observarlas y representarlas ópticamente a tiempo
real, lo que permitiría descifrar el complejo funcionamiento interno de
la célula. Es posible trabajar con estas herramientas en condiciones
realistas debido a los grandes avances realizados en detección,
representación óptica y control que la nanoescala ha hecho posibles.
Los científicos tienden a menospreciar lo que es posible lograr a
corto plazo —digamos diez años— y también lo que puede hacerse a largo
plazo: cincuenta años. Lo que resulta muy interesante de la
nanotecnología es que, debido a que se basa en la escala nanométrica,
tiene aplicaciones en muy diversas disciplinas. Nunca antes en la
historia de la humanidad han generado los científicos información de
tanta utilidad para los más variados ámbitos. La última década ha sido
un buen comienzo, pero conforme se desarrollen las herramientas y la
comprensión de la nanotecnología se descubrirán nuevas aplicaciones que
surgirán de la intersección entre distintas disciplinas. El progreso
deberá mantener su ritmo tanto en la ciencia física como en la
ingeniería, de manera que la iluminación fotovoltaica, la informática de
consumo eficiente, el almacenaje y obtención de información y las
comunicaciones continúen avanzando. Puede argumentarse, con razón, que
la química y la ciencia de los materiales deberían haberse centrado en
la nanotecnología desde el principio; después de todo, la catálisis o la
síntesis de moléculas, la preparación de compuestos y los
recubrimientos duros se conocen desde hace tiempo y se basan en
interacciones a nanoescala. Lo que sí es nuevo es que los sensores
ultrasensibles nos dan la capacidad de comprender estos fenómenos mejor.
Las nuevas técnicas de síntesis —de membranas, de nanocristales y de
nuevos materiales— deberían contribuir a mejorar la tecnología allí
donde la sociedad más lo necesita: en células de combustible,
almacenamiento de energía y control de la contaminación. En el campo de
las ciencias de la vida, el uso de nanoherramientas y el desarrollo de
la nanotecnología están dando aún sus primeros pasos. Para que pueda ser
de más utilidad las herramientas deben ser de más fácil manejo, una
tarea que requiere un nuevo diseño de los sistemas pero que haría
posible descifrar de manera rápida y barata la genética de un organismo
complejo, diagnosticar y también administrar medicamentos a través de
nanosistemas encapsulados, con la contribución que ello supondría para
la medicina preventiva.
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Antes de terminar, volveremos a la cuestión de cómo están afectando a
la sociedad los avances en ciencia e ingeniería y, específicamente, en
nanotecnología. La conclusión a que llegamos es que los problemas tienen
que ver sobre todo con el empeño de individuos e instituciones por
«triunfar». En las ciencias de la vida ha habido una gran toma de
conciencia por parte de la sociedad debida, entre otras razones, al
protagonismo de las compañías farmacéuticas y a la relativa facilidad
con que se producen calamidades (pensemos en el ántrax, el Vioxx, el
tabaco o la taliamida). Los científicos que trabajan en los campos de la
física y la ingeniería necesitan desarrollar nuevos enfoques de manera
que los procesos de investigación y el desarrollo continúen siendo
éticos y tengan el bienestar de la sociedad como fin último.
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La investigación a nanoescala, debido a su gran potencial, sobre todo
en los ámbitos de la salud y el medioambiente, requiere ser conducida
de acuerdo a determinados principios éticos y puesta en práctica de
manera responsable. Es aquí donde surgen algunos conflictos potenciales.
El bajo coste de conectarse para intercambiar información, la gran
cantidad de información almacenada y la inclinación natural de los
individuos y de los Estados a fisgonear constituyen una pesadilla
potencial que se ha intensificado en los últimos años tanto en Occidente
como en Oriente.
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-La nanotecnología refuerza esta capacidad potencial. ¿Cómo deben la sociedad y la investigación resolver este problema?
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-La nanotecnología refuerza esta capacidad potencial. ¿Cómo deben la sociedad y la investigación resolver este problema?
La humanidad es la primera creación resultado de la evolución capaz
de transformar la ley de la supervivencia del más fuerte. ¿Cuál es la
relación entre el hombre y la naturaleza? ¿Deberíamos reconocer y
aceptar la supremacía de la naturaleza? ¿Es éticamente aceptable o
responsable alterar, reconstruir incluso, organismos naturales? Cuando
reemplazamos o aumentamos partes de organismos vivos, ¿dónde está el
límite entre el ser humano y la máquina? No pasará mucho tiempo antes de
que sensores neurales nos desvelen los secretos de las emociones
humanas, de la personalidad e incluso tal vez de la conciencia. En los
tribunales de la India ya se empieza a aceptar la resonancia magnética
como indicio de honestidad o fraude. En el laboratorio, se han aplicado
actuadores de impulsos neuronales a monos de laboratorio, estimulándoles
electrónicamente a que pelen un plátano. Los debates Joy-Dysson (6) se
centraron precisamente en los miedos que suscita la potencial llegada de
esta nueva tecnología antes de que la sociedad esté preparada para
manejarla de manera segura y ecuánime.
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¿Debería interrumpirse entonces la investigación relacionada con la
nanotecnología debido a estas cuestiones controvertidas o a los
desastres potenciales que podría acarrear, tal como han sugerido
algunos? Nuestra opinión es que todos los puntos conflictivos deben ser
identificados y cuidadosamente considerados. Pero ello no debe impedir
que prosigan la investigación y el desarrollo, que deberán, no obstante,
tener siempre la práctica responsable como lema principal. Igualmente
importante es proporcionar oportunidades para los que trabajarán en este
campo en el futuro y que hoy todavía son estudiantes, de manera que
puedan reflexionar sobre su labor en el contexto de la sociedad en que
se desarrolla y perfila.
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La importancia de la seguridad en la manipulación y el uso de
nanomateriales, dados los riesgos potenciales debidos a las propiedades
reactivas de la nanoescala, se ha puesto de manifiesto en un estudio
reciente conducido entre investigadores de este campo (7). Las prácticas
seguras están relacionadas con la cultura dentro del laboratorio y en
una comunidad en general. Consideraciones de tiempo, dinero, estatus y
competencia pueden inducir a investigadores y gerentes a rebajar sus
exigencias. Histórica-mente en casi todas las áreas los gobiernos han
hecho lo mínimo en lo referente a seguridad hasta que las circunstancias
les han obligado. La regulación de seguridad ha sido la asignatura
pendiente en la minería, las fábricas textiles, de neumáticos, asbestos,
glicol y otros agentes químicos de la industria de los semiconductores,
así como el plomo en la pintura y la gasolina. Aún seguimos debatiendo
el posible papel de los teléfonos móviles en el aumento de la incidencia
de tumores cerebrales debido a las interacciones electromagnéticas,
casi una década después de que su uso se haya generalizado. Muchos que
desempeñan puestos de responsabilidad siguen sin reconocer la
responsabilidad de los seres humanos y de las emisiones de gases de
efecto invernadero en el calentamiento global. Aunque es muy probable
que la nanotecnología llegue a ser una importante herramienta para
prevenir la contaminación, por ejemplo, facilitando la retirada de
arsénico y la limpieza de las aguas, los nanomateriales también son
potencialmente contaminantes. La plata se emplea como agente
antibacteriano en la industria farmacéutica (en tiritas, etcétera) y
también en la luchas contra los microbios. ¿Qué proporción del material
empleado está penetrando el flujo de agua? (8) Dadas las grandes
cantidades de dinero que se están invirtiendo en desarrollo, las
presiones para que se aprueben medidas reguladoras del medioambiente sin
la investigación científica previa necesaria serán intensas. Aunque
estos riesgos son el resultado de la ausencia de procedimientos y
procesos sociales adecuados y no de la nanotecnología per se, los
investigadores de este campo deberán tenerlos en cuenta.
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Porque tratar de prevenir el daño mientras llevan a cabo su empresa
científica es una responsabilidad ética fundamental de los científicos e
ingenieros. Más allá de fomentar la seguridad en el laboratorio,
preservar la integridad de los datos manejados, reconocer debidamente
las contribuciones y respetar los derechos de propiedad intelectual,
¿tiene el investigador responsabilidades sobre las consecuencias
sociales de su investigación? Las bombas atómicas en Hiroshima y
Nagasaki durante la Segunda Guerra Mundial inauguraron un largo periodo
de introspección y de compromiso público de los científicos con el
debate social (9), porque ¿cómo se controla al genio una vez ha salido
de la botella? De acuerdo a la visión más tradicional, la sociedad en
general y no el investigador individual, es moralmente responsable de lo
que se hace con conocimiento público. Sin embargo, el investigador
individual con conocimiento de causa también tiene parte de
responsabilidad. Los investigadores no siempre pueden declararse
ignorantes de los riesgos que suponen las potentes «máquinas» que crean.
Los investigadores contemporáneos desarrollan y facilitan la difusión
de sus creaciones dentro de sociedades que conocen. Aunque no siempre se
puede predecir que determinados frutos de la investigación resulten en
aplicaciones éticamente dudosas, en algunos casos sí es posible, por
ejemplo, cuando están en juego sustanciosos beneficios potenciales
militares y económicos. Por tanto, si un investigador tiene razones para
sospechar que su trabajo pueda ser puesto en práctica en la sociedad
con riesgo para los seres humanos tiene el deber moral de alertar a las
autoridades pertinentes o al público.
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Los ejemplos expuestos y la breve discusión sobre la cuestión de las
responsabilidades ponen de manifiesto las dificultades surgidas cuando
los avances científicos con implicaciones sociales de magnitud se
producen con rapidez, y la sociedad se ve obligada a encontrar el
equilibrio entre fomentar la investigación y el desarrollo productivos y
defender un marco regulatorio que garantice la seguridad. Una posible
respuesta a este desafío es que, en los últimos años, la presión de la
opinión pública ha servido para que el científico desarrolle una doble
faceta: la de virtuoso técnico y detector de las implicaciones éticas de
su trabajo. En palabras de Samuel Johnson, «la integridad sin
conocimiento es débil y carece de utilidad, y el conocimiento sin
integridad es peligroso y terrible».
Para los científicos e ingenieros, uno de los placeres de su
disciplina es que la gran ciencia siempre es fuente de júbilo, de
satisfacción emocional por el hecho de haber descubierto una porción de
verdad que pueden considerar como propia. La ingeniería creativa
proporciona el placer de combinar el descubrimiento científico con la
alegría de haber hecho una aportación positiva a la humanidad. En su
máxima representación, estas empresas encarnan los ideales de la vida
civilizada, la búsqueda de la verdad y la práctica de la ciudadanía
responsable. La nanotecnología forma parte de esta tradición clásica;
está aquí, crece poderosamente y, convenientemente administrada,
impulsará a la sociedad hacia adelante de muchas y provechosas maneras.
Notas
- En el Este, la Universidad de Nalanda existió desde el siglo v al xii. La universidad oriental más antigua que pervive en la actualidad es la de Al-Karaouine, en Marruecos, fundada en 859, y de las occidentales, la de Bolonia, de 1088. Las primeras universidades surgieron a partir de instituciones religiosas y fueron ganando independencia conforme declinaba el poder de la jerarquía eclesiástica.
- J. Graig Wenter, un importante contribuyente a la secuenciación de los genes humanos en la compañía Celera Genomics dirige hoy el J. Craig Venter Institute, una entidad autofinanciada dedicada a la investigación, cuyo éxito más reciente ha sido el progreso hacia la construcción de la célula artificial. Leroy Hood, que estuvo entre los pioneros del diseño de herramientas para el diagnóstico molecular, dirige el Institute for Systems Biology, una institución independiente. Estos ejemplos no difieren gran cosa de los de Thomas Edison, Graham Bell o Nikola Tesla a finales del siglo xix.
- Para citar a Arthur Koestler, «cuanto más original es un descubrimiento, más obvio resulta a posteriori».
- Se considera que las industrias de fertilizantes y de la información suponen casi un 10% del consumo total de energía, y el motor de combustión aún más.
- En la actualidad hay una enfermedad que se está extendiendo entre la comunidad científica: la sobreabundancia de supuestos hallazgos que bordean la incredulidad. Esta enfermedad, que siempre ha existido, es hoy particularmente perniciosa porque la amplia variedad de disciplinas existentes hace difícil a muchos discernir los hallazgos verdaderos de los que no lo son. Tal vez se trate de un problema social y ético, provocado por la presión que reciben los científicos para que justifiquen sus investigaciones. Existe también una escuela de pensamiento que, con un exceso de optimismo y euforia, anima a los jóvenes a que se dediquen a la investigación científica e ingenieril, una tendencia que se ha visto favorecida por la llegada de Internet, el fenómeno de la inmediatez y la facilidad para crear imágenes visuales poco realistas mediante software personalizado. Los nanotubos de carbono para supuestos ascensores espaciales son uno de estos mitos (ver: «The space elevator: going down?», en Nature online, publicado el 22 de mayo de 2006 y disponible en http://www.nature.com/news/2006/060522/full/news060522-1.html. Existen otras teorías semejantes relativas al uso de moléculas y otros enfoques a la electrónica a escala atómica.
- Véase F. Dysson, «The Future Needs Us!», en New York Review of Books, vol. 50, nº 2, del 13 de febrero de 2003. El comportamiento emergente, es decir, el comportamiento impredecible, aparece en sistemas complejos, a saber, en aquellos con un gran número de elementos en interacción. La conducta de masas es un ejemplo de ello y constituye un tema apropiado de debate y reflexión acerca de creaciones del hombre susceptibles de cobrar vida propia. Sin embargo, un ejemplo de esto inspirado en la nanotecnología y que atrajo considerable atención pública, el libro de Michael Crichton, Presa, está basado en un supuesto científico erróneo. Es especialmente poderosa la descripción que hace el novelista de ejércitos de nanorrobots que colonizan a seres humanos y a su entorno, que son capaces de volar y nadar a gran velocidad a la manera de insectos u otros organismos similares de mayor tamaño. Esto no es posible porque la fuerza de resistencia viscosa sobre el área de superficie aumentada ralentiza los objetos a nanoescala. Es como si un ser humano tratara de nadar en melaza.
- R. McGinn, «Ethics and Nanotechnology: Views of Nanotechnology Researchers», Nanoethics, vol. II, nº. 2, 2008.
- Ver http://pubs.acs.org/cen/news/86/i15/8615news1/html. El impacto de los residuos de nitrógeno y fósforo procedentes del uso a gran escala de fertilizantes puede apreciarse en la mayor parte del mundo occidental. En el oriental, los problemas de las zonas más desfavorecidas son la desaparición de la capa freática (y su sustitución con agua de mar en las zonas costeras) y la perforación de pozos cada vez más profundos que alcanzan la capa contaminada de arsénico, como ocurre en Bengala occidental, en India, y en Bangladesh. Este agotamiento masivo de los recursos de agua fue consecuencia de la generalización del uso del motor diesel y eléctrico, un invento de dos siglos de antigüedad pero que llegó al Tercer Mundo recientemente.
- La ciencia y los científicos rara vez sirven de inspiración al arte. Doctor Atómico, una ópera popular estrenada en 2005, estaba inspirada en el proyecto Manhattan, donde se hizo realidad la bomba atómica. Los principales científicos del país entonces, capitaneados por Robert Oppenheimer, debatían acerca de la bomba mientras trabajaban sin pausa en lo que Oppenheimer, personaje central de la obra, llamó después del ensayo y citando a Bhagwat Heeta: «Soy la Muerte, el destructor de mundos». Es interesante señalar que en los bombardeos de la Segunda Guerra Mundial murieron muchas más personas inocentes que con la bomba atómica. Más tarde, en guerras abiertas y encubiertas, el Agente Naranja, el uranio empobrecido, las bombas de racimo y las minas antipersona han sembrado igualmente la muerte sin desencadenar una reacción similar en la opinión pública, probablemente a causa de que sus efectos perniciosos son más espaciados en el tiempo.
Citar esta publicación
Tiwari, S. y McGinn, R., "El arte de lo invisible. Logros, beneficios
sociales y desafíos de la nanotecnología", en Fronteras del
conocimiento, Madrid, BBVA, 2008.
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