Nanotecnología: ingeniería a la escala de los átomos

La noche del 29 de diciembre de 1959, durante la cena anual de la Sociedad Estadounidense de Física en Caltech, en Pasadena, Richard Feynman se puso de pie ante el atril y le dijo a una sala llena de físicos que había mucho espacio ahí abajo. Se refería al fondo de la escala del tamaño, el reino de los átomos y las moléculas, y dedicó su charla de sobremesa a sostener que nada en las leyes de la física nos prohibía construir máquinas, herramientas y escritura tan pequeñas que la Enciclopedia Británica entera cupiera en la cabeza de un alfiler. Para que la idea calara, ofreció dos premios de mil dólares cada uno, uno para el primer motor eléctrico que funcionara y midiera menos de una sesentaicuatroava parte de pulgada, y otro para quien lograra escribir una página de texto reducida en un factor de veinticinco mil. El premio del motor lo reclamó un ingeniero en menos de un año, usando herramientas corrientes y paciencia. La página reducida tardó más.

La charla, titulada There's Plenty of Room at the Bottom, ni siquiera tendría un campo al que pertenecer durante otra década, porque la palabra "nanotecnología" aún no se había acuñado. Pero con razón se la recuerda como el texto fundacional de la disciplina, el momento en que alguien de credenciales impecables dijo en voz alta que lo muy pequeño no era solo más pequeño, era distinto, y que esa diferencia valía la pena perseguir. Este artículo trata de lo que ocurre cuando uno se toma en serio a Feynman y de verdad construye cosas a esa escala, y de por qué la materia, cuando la recortas lo suficiente, deja de comportarse como una versión más pequeña de sí misma y empieza a comportarse como algo genuinamente nuevo.

La ventana entre uno y cien nanómetros

Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, más o menos el ancho de tres o cuatro átomos puestos en fila. Un nanomaterial se define como cualquier estructura con al menos una dimensión que caiga entre, aproximadamente, 1 y 100 nanómetros. Ese "al menos una dimensión" importa, porque significa que una lámina puede ser un nanomaterial mientras se extiende a lo ancho de un portaobjetos entero en sus otras dos direcciones, siempre que tenga apenas uno o dos átomos de grosor.

Lo que hace especial a esta ventana es que dos efectos físicos, ambos despreciables en la materia masiva cotidiana, se vuelven decisivos aquí. El primero es geométrico. A medida que encoges un objeto, la fracción de sus átomos que se asienta en la superficie en lugar de quedar enterrada en el interior trepa con fuerza, de modo que la relación superficie-volumen aumenta de forma drástica. Un guijarro tiene casi todos sus átomos bien encerrados dentro; una nanopartícula de la misma sustancia puede tener una gran fracción de sus átomos expuestos en la superficie, donde son mucho más reactivos químicamente. El segundo efecto es mecánico-cuántico. Los electrones dentro de un sólido no son partículas puntuales que rebotan como canicas, se comportan como ondas con una longitud de onda característica. Cuando la estructura que confina a un electrón se vuelve más pequeña que esa longitud de onda natural, el electrón ya no puede tratarse como un ciudadano libre del material masivo; sus energías permitidas se comprimen y se cuantizan, un fenómeno llamado confinamiento cuántico. La ventana de 1 a 100 nanómetros es precisamente el rango donde estos dos efectos, el dominio de la superficie y el confinamiento cuántico, empiezan a reescribir la personalidad óptica, eléctrica y química de un material.

Cuatro formas talladas en carbono y cristal

El campo moderno se organiza, convenientemente, en torno a cuatro estructuras canónicas, y una manera ordenada de no confundirlas es contar cuántas de sus dimensiones están confinadas a la nanoescala. Un fullereno es una jaula diminuta confinada en las tres direcciones, así que tiene cero dimensiones "libres". Un nanotubo de carbono está confinado en dos direcciones pero es libre de extenderse a lo largo de grandes distancias siguiendo su eje, así que es, en efecto, unidimensional. El grafeno es una única lámina plana, confinada solo en su grosor, lo que deja dos dimensiones libres. Un punto cuántico, como el fullereno, es un punto confinado en las tres direcciones y por tanto es cero-dimensional. Tres de estas cuatro están hechas íntegramente de carbono, lo cual no es casualidad: la disposición del carbono a enlazarse consigo mismo en arreglos hexagonales planos le da una versatilidad que ningún otro elemento iguala. La cuarta, el punto cuántico, proviene del mundo de los cristales semiconductores. Juntas forman el vocabulario de trabajo de la nanociencia, y cada una llegó con su propia historia de descubrimiento.

El balón de fútbol y la lámina enrollada

En septiembre de 1985, en la Universidad Rice de Houston, Harold Kroto, Richard Smalley y Robert Curl vaporizaban grafito con un láser y estudiaban los cúmulos de carbono que se condensaban de la pluma. Un cúmulo, formado por exactamente sesenta átomos de carbono, no dejaba de aparecer con una estabilidad sospechosa. La estructura que propusieron para explicarlo era una jaula cerrada de doce pentágonos y veinte hexágonos, la forma de un balón de fútbol, geométricamente un icosaedro truncado. Lo bautizaron buckminsterfullereno en honor a Buckminster Fuller, el arquitecto de la cúpula geodésica, cuyos edificios la molécula recordaba. El descubrimiento de esta tercera forma estable del carbono puro, junto al diamante y el grafito, les valió a los tres el Premio Nobel de Química en 1996.

Seis años después del fullereno, en 1991, Sumio Iijima, en el laboratorio de investigación fundamental de NEC en Tsukuba, Japón, examinaba el hollín dejado por una descarga de arco eléctrico con un microscopio electrónico de transmisión. Enhebradas en el hollín encontró agujas, cilindros huecos que se veían exactamente como láminas de carbono enrolladas en tubos, anidadas una dentro de otra como los anillos de un árbol. Publicó estos nanotubos de carbono de pared múltiple en Nature el 7 de noviembre de 1991, y las versiones de pared simple llegaron en 1993. Un nanotubo de carbono es, en esencia, una lámina de grafeno envuelta en un cilindro sin costuras, y el resultado es uno de los materiales más resistentes que se conocen, con resistencias a la tracción medidas por encima de los 60 gigapascales, muy por encima de los mejores aceros. El mismo enlace carbono-carbono que vuelve duro al diamante hace que el nanotubo, cuando se tira de él a lo largo, sea casi irrompible.

Un solo átomo de grosor, despegado con cinta adhesiva

La lámina de la que se enrolla el nanotubo tiene su propia historia célebre, y es una maravillosamente artesanal. Durante décadas los físicos dieron por sentado que un cristal verdaderamente bidimensional, de un átomo de grosor, sería termodinámicamente inestable y simplemente no podría existir como objeto independiente. En 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov, en la Universidad de Mánchester, demostraron lo contrario usando un método tan simple que suena a broma. Presionaron cinta adhesiva corriente sobre un bloque de grafito, la despegaron arrastrando una escama delgada, plegaron la cinta sobre sí misma y la separaron de nuevo, y repitieron este desprendimiento hasta que el residuo que quedaba en la cinta era, en algunos puntos, una sola capa de átomos de carbono. Transferir las escamas más finas a una oblea de silicio oxidado les permitió encontrar y estudiar las monocapas. Esto es el grafeno, un panal plano de carbono de un átomo de grosor, y resulta ser extraordinario: excepcionalmente resistente, un excelente conductor del calor y la electricidad, y casi transparente. Su artículo, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, apareció en Science el 22 de octubre de 2004, y la pareja compartió el Premio Nobel de Física en 2010. La lección fue a la vez humillante y emocionante, que un material digno de un Nobel había estado escondido dentro de cada trazo de lápiz jamás hecho, esperando a que alguien lo pelara hasta dejarlo lo bastante fino.

Color que puedes ajustar solo con el tamaño

El punto cuántico es donde el confinamiento cuántico se luce con mayor viveza, porque puedes verlo con tus propios ojos. Un punto cuántico es un nanocristal semiconductor lo bastante pequeño como para que el confinamiento desplace su banda prohibida, el escalón de energía que un electrón debe saltar para absorber o emitir luz. Haz el cristal un poco más pequeño y aprietas esa brecha hasta ensancharla, lo que empuja la luz emitida hacia el extremo azul del espectro; deja que crezca un poco más y la brecha se estrecha, deslizando el color hacia el rojo. La consecuencia sorprendente es que dos puntos de composición química idéntica pueden brillar con colores distintos puramente por su tamaño, una propiedad que ningún material masivo posee. Un frasco de seleniuro de cadmio en bloque es solo un polvo oscuro, pero como nanocristales el mismo compuesto puede fluorescer en todos los colores del arcoíris.

El descubrimiento llegó por etapas. Alexei Ekimov observó el efecto dependiente del tamaño en cristales de cloruro de cobre incrustados en vidrio en 1981, trabajando en la Unión Soviética. Louis Brus, en los Laboratorios Bell, demostró la misma física para partículas de sulfuro de cadmio flotando en líquido en 1983, probando que no era una rareza del vidrio. Y Moungi Bawendi, en 1993, desarrolló la síntesis que por fin produjo lotes de puntos lo bastante uniformes como para ser útiles, cristales monodispersos todos de tamaño casi idéntico. Los tres compartieron el Premio Nobel de Química en 2023, un recordatorio de que algunas de estas historias tardan cuarenta años en madurar. Hoy los puntos cuánticos iluminan las pantallas de televisión más vívidas y marcan moléculas individuales en la obtención de imágenes biológicas.

Por qué ser casi todo superficie lo cambia todo

Sería un error pensar en los nanomateriales como meros grumos pequeños de materia ordinaria. La alta relación superficie-volumen significa que una gran fracción de sus átomos vive en la superficie, y los átomos superficiales son inquietos: tienen enlaces insatisfechos, son catalíticamente activos, químicamente reactivos y a menudo ópticamente distintivos de maneras en que el interior no lo es. Este beneficio geométrico actúa de forma silenciosa en docenas de productos. Las nanopartículas de dióxido de titanio en los protectores solares dispersan y absorben la luz ultravioleta sin dejar de ser transparentes, en lugar de dejar una mancha blanca. Las nanopartículas de plata, con tanta superficie reactiva, liberan iones que las convierten en potentes recubrimientos antimicrobianos. Las nanopartículas de platino esparcidas por el panal de un convertidor catalítico de automóvil exponen un área catalítica enorme a partir de una masa de metal diminuta y costosa, convirtiendo los gases de escape mucho más eficientemente de lo que un bloque sólido de platino jamás podría.

La misma lógica impulsa una de las aplicaciones más trascendentes, la nanomedicina, que usa transportadores a nanoescala como las nanopartículas lipídicas, las micelas poliméricas y las nanocápsulas de oro para liberar fármacos de forma más selectiva que una píldora en bloque tragada entera. Un fármaco disuelto en el torrente sanguíneo va a todas partes; un fármaco empaquetado dentro de una nanopartícula puede dirigirse, blindarse y liberarse donde hace falta. El despliegue clínico más grande de esta idea hasta la fecha son las vacunas de ARNm contra la COVID-19 de Pfizer-BioNTech y Moderna, ambas autorizadas en diciembre de 2020, en las que frágiles hebras de ARN mensajero se envuelven en nanopartículas lipídicas que las protegen y las transportan al interior de las células. Miles de millones de dosis después, la nanomedicina se ha puesto a prueba a una escala que Feynman apenas podría haber imaginado.

Los peligros que aún estamos aprendiendo a medir

Hay un lado serio en todo esto. Los nanomateriales se producen ahora industrialmente a razón de miles de toneladas al año, y los marcos toxicológicos y regulatorios han quedado rezagados respecto a la química. La misma reactividad que vuelve útil a una nanopartícula también puede hacerla biológicamente agresiva, y una partícula lo bastante pequeña como para colarse en las células y cruzar membranas que detendrían a un grano más grande exige un estudio cuidadoso. La preocupación cautelar de fondo es la analogía con el amianto: fibras largas, delgadas y duraderas, ya sean de amianto o de ciertos nanotubos de alta relación de aspecto, pueden alojarse en el tejido pulmonar y resistir su eliminación, y el paralelismo se toma lo bastante en serio como para que los investigadores lo pongan a prueba de forma deliberada. Los reguladores han ido poniéndose al día. La Unión Europea emitió una Recomendación de la Comisión en 2011 que define qué es un nanomaterial a efectos regulatorios, y la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos ha publicado orientaciones sobre nanotecnología desde 2014. La posición honesta es que estamos llevando a cabo un experimento enorme en paralelo con la escritura de sus reglas, y conviene mantener cierta humildad intelectual sobre los efectos a largo plazo.

Ideas clave

Un nanomaterial es cualquier estructura que mide entre, aproximadamente, 1 y 100 nanómetros en al menos una dimensión, una ventana donde toman el mando dos efectos que se desvanecen en la materia masiva: un fuerte aumento de la relación superficie-volumen, que pone una gran fracción de átomos en la superficie reactiva, y el confinamiento cuántico, que cuantiza las energías de los electrones una vez que la estructura es más pequeña que la longitud de onda natural del electrón. La conferencia de Richard Feynman de diciembre de 1959, There's Plenty of Room at the Bottom, abrió el campo, y cuatro estructuras canónicas lo anclan, correspondiendo respectivamente a cero, una, dos y cero dimensiones confinadas: el fullereno C60 (Kroto, Smalley y Curl, 1985, Nobel 1996), el nanotubo de carbono (Iijima, 1991, con resistencias a la tracción por encima de los 60 gigapascales), el grafeno (Geim y Novoselov, 2004, aislado con cinta adhesiva, Nobel 2010) y el punto cuántico (Ekimov, Brus y Bawendi, trabajo de 1981 a 1993, Nobel 2023), cuyo color depende solo del tamaño. Estos principios sustentan tecnología real, desde el protector solar de dióxido de titanio y los convertidores catalíticos de platino hasta las vacunas de ARNm en nanopartículas lipídicas de 2020, incluso mientras la toxicología y la regulación, con la analogía del amianto como preocupación rectora, corren para alcanzar a una química que ya se fabrica por miles de toneladas.