Nanotecnología: La inmensidad de lo pequeño

En un futuro cercano el desarrollo de las nanociencias y las nanotecnologías proporcionará muchos avances que cambiarán los logros humanos y abrirán un amplio espectro de aplicaciones

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Dr. Ariel Felipe. Más allá de las grandes creaciones que pueden ser observadas por todos, en el infinito mundo de lo diminuto pudieran estar buena parte de las novedades que en el futuro revolucionarán la humanidad.

Los estudios en las nanociencias y su resultado palpable, la nanotecnología, son hoy ciencias del primerísimo mundo, dado su alto costo, especialmente por el equipamiento necesario para su estudio y desarrollo.

Consciente de que los disímiles progresos de las nanociencias se manifestarán en los avances tecnológicos que cambiarán el mundo, Cuba ha apostado por su desarrollo, para lo cual se está creando el Centro de Estudios Avanzados de Cuba (CEAC).

Esta institución será la encargada de fomentar los estudios en el área de la nanotecnología, así como del desarrollo e innovación en ese campo, y especialmente de establecer una plataforma tecnológica con posibilidades de lograr productos de alta calidad. La salud, la creación de nuevos materiales y compuestos, así como la energía y su incidencia en el entorno, serán las prioridades dentro del nuevo campo del conocimiento.

La idea ha hecho pensar sobre cuán factible es para una nación tercermundista y bloqueada apostar por disciplinas tan caras e incipientes, las cuales se asocian a países con economías de élite.

La respuesta a esta y otras interrogantes la obtuvo de manera exclusiva JR el Día de la Ciencia Cubana en el Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología (CIGB), donde un grupo de prestigiosos investigadores accedió a conversar sobre los desafíos de estas disciplinas, calificadas como emblemas de la próxima Revolución Científico-Técnica.

«Estamos hablando de ciencias del primerísimo mundo. No se puede decir siquiera que del primer mundo, pues son muy sofisticadas y costosas», asevera el Doctor Ariel Felipe, de la Oficina del Asesor Científico del Consejo de Estado.

Aun así, para Cuba su desarrollo es muy estratégico, no solo por los dividendos que pudiera dar en sectores como la biotecnología o la energía, «sino porque en el futuro inmediato será imprescindible saber cómo están hechas las tecnologías que compramos, los medicamentos, la ropa, incluso los alimentos, sectores donde hoy comienza a involucrarse la nanotecnología».

Hay mucho en el fondo

Dr. Roberto Cao. La nanotecnología resume las ingenierías del siglo XXI, y se ha convertido en uno de los más trascendentales y excitantes campos de vanguardia en disciplinas como la Física, Química, Ingeniería y Biología.

El Doctor Ariel Felipe, quien es además investigador titular, afirma que la nanotecnología es tecnología en la escala de uno a cien nanómetros, donde hay fenómenos nuevos y se originan nuevas propiedades que no tienen los productos en su forma original.

El padre de esta disciplina es considerado Richard Feynman, quien obtuvo el Premio Nobel de Física. En 1959 este insigne científico impartió una conferencia con un título muy sugestivo: Hay suficiente espacio en el fondo, donde expuso por primera vez la idea de fabricar objetos átomo por átomo, aseverando que las leyes de la mecánica cuántica no excluían la posibilidad de construir máquinas del tamaño de moléculas.

Los antecedentes marcados por Feynman se complementaron en 1986, cuando Eric Drexler, en su controvertido libro Los motores de la creación, desarrolló una ambiciosa visión futurista que se denominó nanotecnología molecular.

Esta revolución en el campo de las ciencias y las tecnologías se ha nombrado la Tercera Convergencia o la Gran Convergencia Tecnológica, y constituye un cambio de época.

Estas tecnologías ofrecen enormes posibilidades, que van desde producir materiales más resistentes y ligeros hasta la detección precoz y tratamientos más eficientes de enfermedades.

El Centro de Evaluación de la Tecnología Mundial y la Fundación Nacional de Ciencias, aseguraron que esas tecnologías apuntan al incremento de la capacidad de almacenamiento de los materiales magnéticos y suministran conmutadores más veloces para los ordenadores.

Se pronostica que en el año 2015 el volumen del mercado internacional para los productos derivados de las nanotecnologías ronde un trillón de dólares. Las bases de datos de patentes dan cuenta de los desarrollos tecnológicos, que por su potencial económico son protegidos para su explotación exclusiva o licenciamiento.

La moda del «nano»

Dra. Aurora Pérez. El Doctor Ariel Felipe asegura que Cuba cuenta con un potencial indiscutible en el campo de las ciencias, dentro del cual se distinguen 200 centros científicos con un quehacer consolidado en los 50 años de Revolución.

El especialista considera que la Isla posee, además, un conjunto de ciencias básicas como Física, Química, Biología, Bioquímica, Medicina y las ingenierías, las cuales han venido desandando en la generación de conocimiento en la referida escala.

Son partes del referido potencial científico el desarrollo alcanzado por la Biología Molecular y en universidades, donde se ha generado un caudal de conocimientos de valor incalculable que está esparcido por todo el país.

Los éxitos de las ciencias cubanas, reconocidos internacionalmente por su impacto, no han sido precedidos por la publicidad, ni la revelación de sus objetivos hasta que no se logren, en especial los procedentes de la biotecnología.

La seriedad de los profesionales ha impedido divulgar sus proyectos en la etapa investigativa. Lo mismo sucede en este campo, donde con mucha modestia se trabaja con la responsabilidad y la urgencia que requiere todo proyecto que garantice la supervivencia del país.

El Doctor en Ciencias Roberto Cao, profesor titular de la Universidad de La Habana, asegura que no se trata de un lujo, ni de estar a la moda con el prefijo «nano». «Pero si no nos insertamos a esa tendencia seremos analfabetos en un futuro no muy lejano».

Hace tres años el informe anual de las Naciones Unidas calificó a la nanotecnología como un «desafío emergente», por su potencial para generar beneficios sociales, económicos y medioambientales.

Sin embargo, cuando hablamos de nanotecnología tenemos que tener en cuenta que esta especialidad se basa en reconocer, manipular, observar y caracterizar partículas con tamaños inferiores a la millonésima parte de un metro, y para eso se precisa de una base tecnológica que desafortunadamente el país no tiene, y que es de elevado costo.

«Nuestros investigadores generan los conocimientos, y cuando quieren hacer algo que se empieza a acercar a la nanotecnología establecen convenios de colaboración con científicos de otras naciones. El mundo entero trabaja hoy de manera colaborada», afirma el Doctor Ariel Felipe.

Según un estudio iberoamericano, existen 298 publicaciones científicas cubanas relacionadas con la nanotecnología, pero el 70 por ciento de ellas son producto de la colaboración iberoamericana, principalmente con España, Brasil y México, proporción aun mayor si se consideran los intercambios con otras regiones.

Cuando vemos la producción endógena de publicaciones, precisa Ariel Felipe, como dependemos de esa base material experimental, sucede que no está a la altura del conocimiento que generamos, y esa es una de las limitantes para hablar del desarrollo de la nanotecnología en Cuba.

El experto alega que el Centro de Estudios Avanzados de Cuba (CEAC) se está desarrollando para acortar la brecha entre el conocimiento y la infraestructura imprescindibles para que avance esta disciplina.

«El problema nuestro está en ser capaces de contar con una plataforma experimental, donde los científicos con proyectos prometedores dispongan de esa base material necesaria, y que los resultados puedan utilizarse en beneficio del país», explica.

Ciencia a neurona limpia

Dr. Rafael Galindo. Al hablar de la nanotecnología, el Doctor Roberto Cao dice que se exigen equipos supercomplejos y costosos, pero que con tecnología sencilla se pueden determinar algunos procesos de esta naciente especialidad de la ciencia.

Alega que después del descubrimiento del microscopio de efecto de túnel, en los años 80, se supo que existen dimensiones muy pequeñas, pues el aparato posibilitó visualizar regiones de alta o baja densidad electrónica superficial, y de ahí inferir la posición de átomos individuales o moléculas en la superficie de una red, con lo cual se logró «ver» y manipular el átomo y estudiar su topografía.

Recuerda que si bien «los romanos hicieron vidrio rojo, a partir de nanopartículas de oro, jamás supieron que trabajaron a escala nanométrica».

«Pero para esos estudios es necesario contar con una tecnología de avanzada. La cantidad de equipamiento depende del dinero que se tenga. Aunque la esencia está en explotar el talento acumulado. Actualmente hay gente que escribe de un compuesto ya descubierto hace 50 años, pero que al analizarlo con un equipo nuevo revela tener nuevas propiedades.

«Asimismo existen lugares donde se tienen los equipos y no se tienen conocimientos tan perfilados. Nosotros tenemos las neuronas y eso es lo más importante».

El Doctor Roberto Cao se refiere a que el Departamento de Química Inorgánica, de la Facultad de Química de la Universidad de La Habana, posee 28 publicaciones en revistas internacionales, «con materia ciento por ciento “nano” de verdad».

Conjuntamente con otros profesionales de diferentes centros investigativos cubanos han logrado desarrollar biosensores para diferentes procesos, avance muy importante ya que por lo general estos son muy caros y poco duraderos.

La fabricación de biosensores consiste en pegarle moléculas biológicas a un dispositivo nanométrico, para emplearlos en los análisis químicos, tanto detectar glucosa en los pacientes diabéticos, o estudiar y diagnosticar el estado de algún proceso fermentativo.

A pesar de los éxitos reconocidos en este campo a los criollos a nivel internacional, uno de los requerimientos para poder publicar en revistas prestigiosas, según Cao, es presentar una imagen de alta calidad a nivel de átomos y moléculas, la cual requiere de equipos modernos que hoy no se poseen.

Chiquitico, pero con control

Dr. Gerardo Guillón. Teniendo en cuenta que con la nanotecnología se modifica la materia a escala entre uno y cien nanómetros, y se logran crear nanopartículas que pueden traspasar las barreras del cerebro y del sistema sanguíneo, también se requiere de medidas de seguridad y una ética inviolable.

En diversos lugares del mundo, hay grupos ecologistas preocupados por el galopar de esta ciencia, y hasta han exigido moratorias. En Cuba se avanza sobre la base de una nanotecnología responsable.

Se trata de una Revolución Científico-Técnica, pero es importante conocer que todavía no se puede hablar de desarrollo en ningún sector específicamente, porque entre otras razones se reordenan las regulaciones para no afectar al medioambiente, y lograr que todo lo que se aplique sea beneficioso.

«Desde marzo trabaja una comisión adjunta, en la cual participan los ministerios de Salud Pública, Agricultura, Industria Alimenticia, Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente, las universidades y el Polo Científico, entre otros. Es importante establecer regulaciones para que las nanoemulsiones no se lancen al manto freático, ni perjudiquen ningún ecosistema», aclara el Doctor Ariel Felipe.

Para ello se auxilian de quienes desarrollan las nanociencias y se actualizan sobre las normativas internacionales. Se trata de un tema de mucha discusión, porque hasta ahora todas las regulaciones se basaban en la masa de los compuestos, y con la nanotecnología no es tan significativo su peso o medida, sino las propiedades que tienen.

Por lo tanto, dice el especialista, mucho de lo establecido regulatoriamente no tiene validez en este caso, porque en los compuestos nanométricos la toxicología se incrementa, ya que cuando comienza a reducirse logra aumentar su superficie y por ende incrementa su reactividad.

Ojos en el mundo, pies en la tierra

A nanoescala muchos materiales proporcionan propiedades únicas no disponibles en la escala macroscópica. El Doctor Rafael Galindo Mier, asesor del Ministro de la Informática y las Comunicaciones (MIC), explica que en el campo de la electrónica y las comunicaciones a mitad del siglo pasado ocurrieron hechos trascendentales, como el descubrimiento del transistor, la consolidación de las bases de la computación y las del procesamiento digital.

A partir de los años 70, según Galindo, se desarrolló el primer microprocesador, y comienza un avance impetuoso de la microelectrónica. Por esa fecha se logró poner 10 000 transistores en un circuito de un centímetro cuadrado.

«Ya a principios de este siglo se logró los mil millones de transistores en la misma área de un centímetro cuadrado, lo que quiere decir que en este proceso se llevó al límite de la escala nanométrica».

El investigador titular explica que los microprocesadores del año 2000, que hoy en día tenemos, tienen una dimensión de cien nanómetros, y cuando se baja de esa cifra empiezan a presentarse fenómenos prácticos de la nanotecnología.

«Sin embargo, toda esta revolución que hemos vivido en los últimos 50 años del siglo pasado, y que se concreta en dispositivos y otros insumos, no tienen nada de nanométricos. Se trata de miniaturizar dispositivos, de construirlos cada vez más pequeños. Y la nanotecnología es diferente, es construir desde los más pequeños dispositivos o compuestos con propiedades nuevas».

Galindo remarca que con el acervo de la nanociencia sobre la nanotecnología y en las aplicaciones internacionales se viene a salvar un gran espacio, pues a partir de los primeros años de este siglo, en la electrónica en particular, comienzan a fabricarse procesadores, que ya están en el orden de los 40 y 60 nanómetros, e inclusive en estos momentos se trabaja en 20.

«En esos casos estamos hablando de dispositivos que permiten una velocidad mayor, aplicaciones especializadas en comunicaciones y control automático, que se puede catalogar como frutos de la nanotecnología. Pero esto es en el plano internacional, realmente en el nacional no tenemos ningún desarrollo en ese sentido».

El asesor del titular de MIC explica que se analiza la experiencia internacional para ver en qué campos pudiera aplicarse la nanotecnología en Cuba. Están atentos a los resultados que se dan en el mundo, para una posible inserción en la política nacional de desarrollo, siempre que sea factible.

«Por ejemplo, una fábrica de microprocesadores del orden de los 40 nanómetros tiene un costo de alrededor de 10 000 millones de dólares, y existen siete u ocho nada más en el mundo».

Galindo refiere que cuando se bajó de cien a 60 nanómetros, el hecho se consideró un hito extraordinario, y se trabajó alrededor de cinco años sobre esa realidad. Entonces se construyeron tres fábricas solamente en el mundo, en el orden de los 10 000 millones.

«Eso puede dar una idea de lo costosa que son, no solo las técnicas de los microscopios, sino la fotolitografía que se necesita para la aplicación de la nanotecnología», acota.

Al hablar de algunas ideas del Ministerio de la Informática y las Comunicaciones asegura que para Cuba existen potencialidades de desarrollo en campos como la energía renovable.

«En el caso específico de la energía solar, actualmente la utilización de obleas de silicio para la producción de celdas solares hace que el costo de generación de electricidad, a partir de la energía solar, sea cinco o seis veces superiores al de la producción de energía eléctrica convencional a base de petróleo.

«Sin embargo, hay algunos resultados promisorios de la nanotecnología en este campo, consistentes en agregarle al sustrato de silicio otras sustancias y nanovarillas de cristales de monocarbono, los cuales aumentan la eficiencia y disminuyen su costo».

También explica que trabajan en el estudio de la posible aplicación de la nanotecnología en la llamada megatrónica, una disciplina que surge recientemente, la cual abarca todas las aplicaciones posibles de la intercepción de la electrónica, el control automático y la mecánica de precisión.

Película de óxido de zinc (ZnO) vista a escala nanométrica. «En ese caso hay aplicaciones para sensores, pero no los clásicos de los que hemos hablado, sino de los que realmente se adecuan a la escala nanométrica y que pudieran medir determinados parámetros físicos. Internacionalmente se busca que estos sensores tengan cierta inteligencia, de manera que se puedan comunicar entre sí o en una red».

Los desarrollos de pantallas planas con nuevas propiedades nanométricas también están en las miras del MIC, según Galindo, aunque deja claro que Cuba en estos momentos está en la fase de percibir lo que sucede internacionalmente y valorar las particularidades y limitaciones del país para insertarse correctamente en esta ciencia.

En la unión está lo pequeño

La Doctora Aurora Pérez Gramatge, profesora del Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, perteneciente al Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente (CITMA), considera muy importante la integración y la colaboración interinstitucional.

Para la divulgación de las ciencias y motivar a los estudiantes con carreras afines a estas, sugiere que se debe entender que el avance de la nanotecnología depende ante todo de las nanociencias, es decir del estudio de estas materias a partir de las ciencias básicas como la Física, Química, o la Biología, donde se han alcanzado en el país los principales avances reflejados en publicaciones y tesis de grados científicos.

Para ello, además, insiste en que se debe contar con los estudiantes para abordar esos temas, pues no solo se puede valorar a los que ya están formados, sino también en los que vienen en formación.

Explica que en su centro trabajan con alumnos de pregrado en la química de coloides de asociación, lo que se conoce como sulfatantes, que son elementos claves en las nanociencias modernas para manipular interfases entre sustancias.

«La aplicación de esas investigaciones ya ha tenido resultados concretos, como la obtención de algunos sistemas analíticos de utilidad para el estudio del medio ambiente y en el campo de los sensores».

Sulfuro de plomo visto a escala nanométrica. También han avanzado en investigaciones que son punto de partida para la industria farmacéutica, pues el desarrollo de formulaciones y la interacción de esos compuestos, que se llaman sulfatantes, facilitan la estabilidad de las fórmulas y su disponibilidad.

«Lo bueno que tiene la nanotecnología es mejorar en una escala grandísima lo que ya existe. Tanto en la electrónica como en la industria farmacéutica o en otro campo, pero eso precisa la cooperación entre especialistas de diversas materias e incluso de múltiples instituciones. Ahí es donde está nuestra fortaleza», asevera.

¿Vacunas nanométricas?

Sin refutarse, ni ser un estorbo la una para la otra, en el campo de la biotecnología se inserta de forma natural la nanotecnología, según el Doctor Gerardo Guillén Nieto, subdirector del Área de Investigaciones del Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología (CIGB).

«Es muy difícil delimitar fronteras entre uno u otro campo, porque la biotecnología trabaja con moléculas en escala nanométricas desde antes de que se conociera el término como tal».

Guillén sostiene que en el plano tecnológico es donde la nanotecnología adquiere una definición como tal, y eso es mucho más evidente cuando se estudian nuevos biomateriales o sensores.

«Estamos trabajando en la nanoescala antes de que apareciera ese término como tal, pero realmente el objetivo está en poder aprovechar mejor esa revolución que está teniendo lugar en el ámbito de los biomateriales, y disponer de la instrumentación necesaria para aplicarla a la biotecnología, en aras de generar nuevos conocimientos que nos permitan crear productos para la salud humana.

«En la medida en que se desarrolle la instrumentación y tengamos más conocimientos de las interacciones moleculares que ocurren en la dinámica de los procesos biológicos, con mayor racionalidad llegaremos a diseñar nuevos medicamentos y tratamientos», asevera el subdirector de Investigaciones del CIGB.

De hecho, desde hace varios años Cuba trabaja en el desarrollo de nanovacunas, partiendo de los conocimientos en la esfera molecular.

Imagen de 10 nanómetros de oro en un sustrato de mica. Un ejemplo de ello es el desarrollo de la vacuna contra la hepatitis B, a partir de una partícula viral de 22 nanómetros, la cual, desde 1992, se le pone a todos los niños cubanos, y ha reducido considerablemente la enfermedad, al punto de que en 2007 tan solo hubo 17 casos gracias a este tratamiento.

«Actualmente también trabajamos con vacunas contra la hepatitis B y C, proyectos que están en estudios clínicos y también parten de las investigaciones de nanopartículas.

«La posibilidad de que aparezca instrumental que permita identificar mejor interacciones moleculares, caracterizar estructuras, permitirá —por ejemplo— crear vacunas nanométricas que actúen solo contra una célula dañina sin afectar otras, o mejorar la eficacia de medicamentos ya conocidos, algo en lo cual nosotros hemos trabajado siempre».

Por eso, sectores claves como la biotecnología cubana, reconocida en el mundo entero por creaciones únicas como la terapia desarrollada para el tratamiento del «pie diabético», que ha impedido miles de amputaciones, o la vacuna contra el cáncer de pulmón, dependen para seguir desarrollándose de los avances en la biotecnología.

Las ciencias, que hoy son un mundo muy competitivo, precisan mantenerse actualizado constantemente tanto en conocimientos como en equipamiento. Invertir en las nanotecnologías es vital para Cuba, pues el desarrollo futuro del país pudiera depender también de algo tan minúsculo como un nanómetro.

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