El mundo es realmente diminuto

El asombroso potencial de la nanotecnología, proceso científico de creación de materiales o productos a escala molecular o incluso atómica, promete revolucionar la vida en el futuro. El trabajo a esta escala infinitesimal, donde la unidad básica de medida, el nanómetro, es una mil millonésima de un metro, requiere técnicas innovadoras para crear, manipular y manufacturar sustancias visibles sólo a través de instrumentos tales como el microscopio de electrones. Un cabello humano o una hoja de papel, por ejemplo, miden 100.000 nanómetros de grosor. La nanotecnología ya tiene aplicaciones prácticas en todos los sectores, desde la ropa a los equipamientos para deportes, y científicos e investigadores de Estados Unidos están trabajando para poner esta tecnología al servicio de nuevos adelantos.

Vuelos espaciales

Desde los albores de la era espacial, hace ya medio siglo, el peso del combustible del cohete necesario para elevar una carga útil a la órbita de la Tierra, o más allá, ha impuesto serias limitaciones a los vuelos espaciales. La investigación en torno a dos técnicas revolucionarias que emplean nanotecnología ofrece la promesa de superar esta barrera, aunque su aplicación práctica todavía se prevé para un futuro lejano.

A primera vista, un “ascensor espacial”, artefacto que podría, literalmente, elevar una carga útil a unos 35.000 kilómetros en el espacio, por medio de un cable que se extendería de la superficie de la Tierra a un satélite situado en una órbita geoestacionaria, parece algo más propio de la ciencia-ficción que de ciencia auténtica. Las dificultades técnicas que plantearía la construcción de ese tipo de ascensor espacial serían inmensas, en particular, la fabricación de un cable súper resistente, de esa enorme longitud y fuerza de tensión.

La nanotecnología puede encerrar la clave de la transformación de este concepto en realidad. Se está investigando la posibilidad de utilizar nanotubos de carbono, estructuras de unos pocos nanómetros de diámetro, pero de varios miles de nanómetros de longitud, para construir este cable. Dado que los átomos de carbono que forman el nanotubo ejercen una fuerza de enlace entre sí de extrema potencia, un nanotubo es 100 veces más resistente que el acero. Por supuesto, todavía quedan por salvar inmensos obstáculos científicos y de ingeniería para la construcción de este cable de nanotubos, pero los adelantos continúan. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Rice en Houston, Texas, ha descubierto que al combinar nanotubos de carbono con ácido sulfúrico los nanotubos se alinean en la misma dirección, lo que les da mayor resistencia. Si bien un ascensor espacial funcional, basado en nanotecnología, está todavía a décadas de realizarse, encierra la promesa de reducir radicalmente el costo extremadamente elevado que supone poner una carga útil en órbita hoy día, que la Administración de Aeronáutica y del Espacio calcula en alrededor de 22.000 dólares por kilo, a tal vez, unos cuantos dólares por kilo.

La relación carga útil-combustible también es un importante factor en los vuelos interplanetarios, dadas las enormes distancias que tendría que recorrer una nave espacial que viajara por el sistema solar. Brian Gilchrist, ingeniero eléctrico de la Universidad de Michigan, ha propuesto el uso de nanotecnología para construir una nave espacial impulsada por una serie de motores a escala nanométrica, cada uno de los cuales emitiría una corriente continua de nanopartículas cargadas eléctricamente a través de aceleradores microscópicos, para propulsar la aeronave hacia adelante. Millones de estos motores se agruparían en una oblea de silicio de tan sólo unos pocos centímetros de diámetro; varias de estas obleas combinadas constituirían el sistema de propulsión de la aeronave. Aunque este sistema no tendría suficiente potencia para lograr el despegue de la aeronave de la Tierra, una vez en el vacío del espacio, los nanomotores podrían acelerar de manera gradual y eficaz la aeronave a través del sistema solar hasta su destino final.

Medicina

Las aplicaciones biomédicas actualmente en estudio podrían ser precursoras de un nuevo concepto en el diagnóstico y lucha contra las enfermedades. La clave radica en el increíblemente minúsculo tamaño de las nanopartículas, suficientemente pequeñas para que puedan infiltrarse en bacterias o incluso en virus y atacar a estos organismos desde su interior.

En el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, cerca de San Francisco, un grupo de científicos está estudiando medios de construir nanomoléculas, llamadas shals (synthetic high-affinity ligands) o ligas sintéticas de alta afinidad, especialmente diseñadas para adherirse a un punto determinado en la superficie de una célula humana. Aunque las ligas se concibieron inicialmente como medio de defensa contra el bioterrorismo, por su capacidad de detectar y neutralizar patógenos tales como el ántrax, bioquímicos de la Universidad Nacional Lawrence Livermore y del Centro Davis para el Cáncer de la Universidad de California no tardaron en percatarse de las posibilidades mucho más amplias que ofrecían en el campo médico. Al construir ligas sintéticas de alta afinidad específicamente diseñadas para adherirse a sitios de un receptor único en la superficie de las proteínas de una célula cancerosa, los científicos esperaban utilizarlas como nueva arma en la lucha contra el cáncer. En combinación con un isótopo radioactivo o un medicamento contra el cáncer, las ligas no sólo buscarían, sino destruirían, las células cancerosas al introducir estos antipatógenos directamente en el tumor. Actualmente se están llevando a cabo experimentos para evaluar las ligas como tratamiento del cáncer de próstata y el linfoma cuando no es de Hodgkins.

Si bien este método de lucha contra el cáncer basado en la nanotecnología todavía está en sus etapas iniciales, ya tiene algunas aplicaciones médicas. Una compañía de productos farmacéuticos de Estados Unidos, Nucryst Pharmaceuticals, elabora productos médicos que contienen nanocristales de plata, elemento que posee propiedades antimicrobianas. Los vendajes médicos impregnados con estos nanocristales de plata, de tamaños que oscilan entre 1 y 100 nanómetros, provocan una descarga continua y de efecto rápido de iones de plata en las heridas para acelerar su curación. La tecnología ya se utiliza en centros de tratamiento de quemaduras en todo el territorio de los Estados Unidos. Nucryst piensa que esta tecnología de nanocristales también será eficaz en el tratamiento de otros tipos de infecciones e inflamaciones.

Ciencias medioambientales

La utilidad de la nanotecnología a menudo radica en el hecho de que, a escala nanométrica, los materiales pueden mostrar propiedades físicas o químicas marcadamente diferentes de las que poseen en tamaño más grande. La dimensión atómica de la nanotecnología en sí y por sí ofrece posibilidades singulares. Los científicos están estudiando si estas ventajas de la nanoescala se pueden utilizar para crear un medio ambiente más saludable.

En muchos lugares del mundo, el agua potable está contaminada con sustancias tóxicas, incluidos metales como el arsénico. Para eliminar estos contaminantes se necesita, no sólo un equipo moderno, sino también una fuente continua de energía para impulsar dicho equipo, y probablemente ninguno de los cuales está fácilmente disponible en gran parte del mundo en desarrollo. En la Universidad de Rice hay investigadores en busca de una solución que no requiere tecnología avanzada para este problema mediante el uso de nanocristales de magnetita, un compuesto de hierro y oxígeno capaz de absorber el arsénico. Cuando estos nanocristales se añaden a una solución de agua contaminada por arsénico, se combinan con este elemento. Un simple imán atrae a los nanocristales impregnados de arsénico al fondo de la solución, de donde posteriormente pueden retirarse. Esta técnica tiene la ventaja de funcionar con imanes ordinarios de uso corriente, mientras que el uso de partículas más grandes de magnetita exigiría imanes mucho más potentes. Esta investigación ofrece un nuevo y sencillo procedimiento para proporcionar agua potable no contaminada a poblaciones de zonas remotas.

El tamaño mismo de la nanotecnología, de por sí abre nuevas posibilidades. En la Universidad de Lehigh, en Pennsylvania, el científico medioambiental Wei-xian Zhang ha estado estudiando el uso de nanopartículas de hierro para limpiar suelos y aguas freáticas contaminados por metales pesados, pesticidas, y disolventes orgánicos. Cuando se inyectan estas nanopartículas de hierro por medio de una mezcla pastosa directamente en un sitio contaminado, su tamaño les permite introducirse entre las partículas del suelo. Al oxidarse estas nanopartículas de hierro, descomponen los contaminantes químicos como las dioxinas o los bifenilos policlorados (PCB) creando compuestos de carbono menos tóxicos. Metales pesados como el plomo y el mercurio pierden, asimismo, parte de su toxicidad, ya que el proceso de oxidación los reduce a una forma insoluble con menos posibilidades de filtrarse en el agua freática. Se ha demostrado que el grado de contaminación empieza a disminuir radicalmente en torno al lugar de la inyección en un período de 48 horas, y que la contaminación tóxica desaparece casi totalmente después de algunas semanas.

Energía

La convergencia de varios factores: la continua presión del crecimiento demográfico y la economía mundiales en los suministros tradicionales de combustibles fósiles, la preocupación por el calentantamiento mundial y el marcado aumento del precio del petróleo, contribuye al mayor sentido de urgencia en la exploración de nuevas fuentes de energía. Investigaciones actualmente en curso en Estados Unidos en el campo de la nanotecnología ofrecen interesantes posibilidades, que podrían revolucionar la extracción de energía de fuentes limpias y renovables, en particular la energía solar.

Por ejemplo, científicos de la Universidad de Harvard han construido células solares de "nanoalambre", de tan sólo 300 nanómetros de diámetro. Según datos publicados en la revista del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) Technology Review, estas células solares constan de un núcleo de silicio cristalino y varias capas concéntricas de silicio con distintas propiedades electrónicas. Cada una de estas capas realiza la misma función de absorber luz y captar electrones para generar electricidad que las capas semiconductoras de células solares tradicionales. Si bien estas células solares microscópicas se podrían utilizar inicialmente como generadores de otros nanodispositivos, es posible que con el tiempo se puedan agrupar en gran número para reemplazar los paneles solares convencionales actualmente en uso. No obstante, la comercialización de esta tecnología todavía se enfrenta a varios obstáculos; será necesario idear nuevos medios de producir estos nanoalambres solares en grupos más densos que hasta ahora y mejorar su bajo grado de eficacia (que no llega a una quinta parte de la que tienen los paneles solares) para convertir la luz en electricidad.

A unos 35 kilómetros de Harvard, en la antigua ciudad textil de Lowell, en el estado de Massachussets, una empresa particular de tecnología avanzada llamada Konarka aborda con un criterio distinto la aplicación de la nanotecnología a la obtención de energía solar. La empresa ha inventado un procedimiento para aplicar partículas a escala nanométrica de la sustancia química semiconductora dióxido de titanio a una película de plástico que, después, se recubre con un tinte fotosensitivo. Cuando la luz del sol, o incluso la luz artificial de interior, incide sobre el tinte, las partículas de dióxido de titanio producen electricidad. Aunque esta tecnología todavía está en etapa de gestación, Konarka prevé una multitud de aplicaciones prácticas de esta tira plástica flexible de células solares donde los paneles fotovoltaicos rígidos tradicionales no son prácticos. Por ejemplo, estas tiras generadoras de energía podrían enrollarse alrededor de aparatos tales como teléfonos móviles u ordenadores portátiles para recargarlos, colocarse sobre estructuras de cualquier tipo (incluso carpas) como generadores independientes, o incluso directamente sobre la ropa para proporcionar el no va más de energía portátil para aparatos electrónicos personales.

Domenick DiPasquale es un escritor independiente. Durante 27 fue diplomático al servicio de la Agencia de Información de los Estados Unidos y del Departamento de Estado, estuvo destacado en Ghana, Kenia, Brasil, Bosnia, Singapur y Eslovenia.

Las opiniones expresadas en este artículo no reflejan necesariamente los puntos de vista o políticas del gobierno de Estados Unidos.