Máquinas invisibles

Un mundo de ciencia ficción

Películas como La Guerra de las Galaxias llenan nuestra imaginación de mundos llenos de robots, naves espaciales y máquinas extraordinarias, que conviven con los humanos
y otras formas de vida. Más allá de los relatos y las historias de ciencia ficción, nuestro mundo está presenciando el nacimiento de una nueva tecnología que podría hacer realidad estas visiones, las que hasta la fecha parecían condenadas a permanecer dentro de las fronteras de nuestra imaginación. La responsable de todo esto es la nanotecnología, y sus primeros productos ya forman parte de nuestra vida aunque no seamos conscientes de ello.

¿Qué és la nanotecnología?

La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería de las cosas extremadamente pequeñas. Los materiales que utiliza se encuentran en la escala de los átomos y las moléculas, y sus productos son tan minúsculos, que en realidad es imposible construir cosas más pequeñas. La nanotecnología trabaja con materiales de entre 0,1 y 100 nanómetros (un nanómetro es 1000 millones de veces inferior a un metro). Para tratar de entender estas dimensiones, podemos pensar que un nanómetro es para un centímetro lo que la longitud de nuestro pie es para la anchura del océano Atlántico. Un nanómetro es también la longitud que crecen nuestras uñas cada segundo. Esta es la escala en la que operan la mayor parte de procesos biológicos: la molécula de ADN mide unos 2 nm de ancho; las membranas de las células, unos 10 nm; los glóbulos rojos, unos 7000 nm de diámetro… Los materiales de estas dimensiones presentan unas propiedades físico-químicas especiales en comparación con los de tamaños más grandes. Estas cualidades permiten a los científicos obtener nuevas tecnologías con aplicaciones infinitas. Por ejemplo, la plata es un material muy apreciado en joyería porque es inerte y tarda mucho en estropearse. Sin embargo, pequeños grupos de átomos de plata a escala nanoscópica presentan una enorme capacidad para catalizar reacciones y son efectivos antibacterianos. Actualmente, se utilizan nanopartículas de plata para crear vendajes para las heridas.

Estas propiedades se deben fundamentalmente a dos factores. Cuanto más pequeño es un cuerpo, más grande es su superficie en comparación con su volumen, cosa que lo hace químicamente más reactivo. Por otro lado, a estas escalas nanoscópicas, los efectos cuánticos del mundo atómico (las fuerzas que actúan a escala atómica y nuclear) empiezan a ser relevantes: estos efectos pueden cambiar de manera imprevisible las cualidades electrónicas, magnéticas y ópticas de los materiales.

Máquinas pequeñas, grandes aplicaciones

En un futuro no muy lejano, la nanotecnología podría crear robots minúsculos capaces de autorreproducirse que patrullarían por nuestro cuerpo y detectarían tumores incipientes mucho antes de que comenzaran a ser evidentes. Nanorrobots que nos informarían en cada momento del estado de nuestras células desde su interior y que diagnosticarían cualquier enfermedad o alteración fisiológica, mucho antes de que sus efectos se pusieran de manifiesto. También se especula sobre la posibilidad de crear nanorrobots autorreplicativos que campasen libremente por el ambiente y que eliminasen la contaminación del agua y del aire. Siendo más realistas y a corto plazo, la nanotecnología puede aportar avances importantísimos en computación, medicina y electrónica. Por ejemplo, científicos del departamento de Bioingeniería de la Universidad Rice de Houston han desarrollado un posible método para eliminar cánceres inoperables. Mediante la unión de anticuerpos a nanopartículas de oro, han conseguido que estas se adhieran específicamente a las células cancerosas de un enfermo, y mediante una radiación infrarroja inofensiva, se calienten hasta matar las células malignas. En lo que se refiere al medio ambiente, diversos grupos de investigación están encontrando aplicaciones nanotecnológicas muy útiles en la limpieza de residuos tóxicos de las aguas subterráneas, así como en la producción de nuevas y más eficientes células de energía solar.

¿Cómo montar una nanomáquina?

Construir nanomáquinas no es una tarea sencilla. Hasta la fecha, los componentes fabricados se han obtenido a partir de uno de dos procesos posibles: o bien se han construido uniendo una pieza detrás de otra, o bien se han conseguido dividiendo estructuras más grandes en piezas más pequeñas. No obstante, los expertos consideran que en el futuro las nanoestructuras se obtendrán mediante la utilización de maquinaria molecular preexistente en los seres vivos. Así, por ejemplo, investigadores estadounidenses del Instituto de Tecnología de Massachusets utilizan en la actualidad virus modificados genéticamente para construir nanopiezas que se podrían utilizar para fabricar desde chips de computadoras hasta nuevos tipos de baterías y células solares.

Ya están entre nosotros

La nanotecnología ya se encuentra presente en muchos de los objetos cotidianos que nos rodean: en el disco duro de los ordenadores, en algunas partes de los coches, en las gafas de sol, en los pintalabios, en algunas herramientas utilizadas para cortar metales, en vendajes antibacterianos, en ventanas autolimpiables… Poco a poco, se abre camino en nuestros hogares. Y su impacto social puede ser tan revolucionario como la aparición de la máquina de vapor o Internet.

En el futuro podríamos utilizar ropa elaborada con tejidos inteligentes que supervisarían nuestro estado corporal.

Tatuajes atómicos

La escala de trabajo de la nanotecnología es tan pequeña que, por ejemplo, permitiría realizar un tatuaje en el lomo de una pulga. Eso recibe el nombre de nanolitografía, una técnica que nos permite «pintar» objetos utilizando el microscopio como si fuese un pincel y los átomos o las moléculas como si fueran tinta.

Ver los átomos

Los físicos G. Binning y H. Rohrer, del laboratorio de IBM en Zürich, desarrollaron, en 1981, el microscopio de efecto túnel. Esto permitió observar por primera vez los átomos de forma
individual. Pocos años después, estos investigadores presentaron a la comunidad científica el microscopio de fuerzas atómicas. Con él, fue posible observar muestras de tipo biológico con una resolución imposible hasta la fecha. En 1986, Binning y Rohrer fueron galardonados con el premio Nobel de Física.

Izquierda: Imagen de reconstrucción superficial en una superficie de oro limpia obtenida mediante microscopía de barrido de efecto túnel. Los átomos individuales que componen el material son visibles. Derecha: Átomos de silicio observados en la superficie de un cristal de carburo de silicio (SiC) usando un microscopio de barrido de efecto túnel.

Con los microscopios de efecto túnel y de fuerzas atómicas (¿o se tendrían que llamar nanoscopios?) no sólo es posible ver los átomos y las moléculas, sino que también podemos manipular estas moléculas, estirarlas o determinar sus propiedades de forma individual. Para entendernos, podemos comparar un grupo de moléculas con un plato de espaguetis: podemos separar un solo espagueti del resto, manipularlo e incluso saber si está o no al dente.