cara superior, C60; cara izquierda, nanotubo; cara derecha, grafeno

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    La próxima revolución lítica

    Javier García Martínez - 27-04-2010

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    En algunas ocasiones, me han preguntado cuál es el mayor descubrimiento científico de todos los tiempos, aquella revolución que ha cambiado nuestra vida de forma más significativa. Esta es la típica pregunta periodística difícil de contestar, y tan subjetiva que cualquier discusión es infructuosa. Sin embargo, mi respuesta es siempre la misma. El mayor logro tecnológico es el paso de la piedra tallada del Paleolítico a la piedra nueva y pulida con la que comenzó el Neolítico. Con este cambio, llegó la agricultura y la ganadería. Tras el nomadismo, se formaron los primeros asentamientos humanos, y con ellos llegaron la división del trabajo y la organización social. Otras muchas tecnologías nacieron al amparo de la especialización y de la vida sedentaria: la cerámica, nuevos tejidos de trenzados de fibras, la conserva de carne y pescado…

           Es evidente que este proceso no se produjo de la noche a la mañana, ni en todas partes al mismo tiempo. Fue necesario que se dieran determinadas circunstancias para que el hombre del Paleolítico dejara la vida de cazador y recolector y diera paso al hombre del Neolítico, agricultor y ganadero. Cambios de tipo climatológico; una geografía e hidrografía adecuadas; y un largo periodo de adaptación que, a falta de mejor nombre, llamamos Mesolítico.

           Pero ¿qué tiene de especial una piedra? ¿Qué importa que esté tallada toscamente o que esté pulida y tenga un borde bien afilado? Algo importante debe esconder este hecho para que los arqueólogos distingan estos dos periodos de la Prehistoria precisamente por el tipo de herramienta lítica que se utilizaba. Para alguien como yo, que trabaja con nuevos materiales, la respuesta a esta pregunta resulta evidente. La piedra vieja, rota a golpes, apenas corta y no tiene la forma necesaria para utilizarse como punta de flecha o como cabeza de hacha. Cuando el hombre del Paleolítico descubrió que frotando dos piedras podía dar filo y forma a sus herramientas, dio un paso de gigante. El primer paso hacia el control de las propiedades de los materiales. Desde entonces, no hemos dejado de aprender a dar filo a nuestras espadas, a sacar punta a nuestras flechas o a pulir las obleas de silicio con las que fabricamos nuestros microchips.

           Me imagino a aquel hombre de las cavernas sentado junto al fuego, frotando una piedra contra otra, una y otra vez, hasta sentir que la herramienta estaba lista para cortar carne al pasar el filo por su dedo pulgar. Es probable que se preguntara hasta qué punto es posible controlar el filo de la piedra. Hoy estamos en condiciones de contestar esta pregunta. Parte de la respuesta nos la dieron los griegos. Demócrito y Leucipo propusieron que la materia tenía una naturaleza discontinua, formada por partes indivisibles que llamaron átomos. Su visión del microcosmos no fue aceptada por Aristóteles  y otros grandes pensadores de su tiempo, por lo que hubo que esperar otros 2.000 años para que el científico inglés John Dalton confirmara y perfeccionara la teoría atómica de la materia.

           En este microcosmos de átomos y moléculas, las distancias se miden en nanómetros, que es la milmillonésima parte de un metro, una longitud tan corta que suele describirse empleando ejemplos de la vida cotidiana. De esta forma, se suele definir el nanómetro como 100.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello. Personalmente, creo que no ayuda mucho, pero pone de manifiesto lo infinitesimal de esta vara de medir átomos y moléculas.

     

     

           Sin embargo, sería totalmente injusto, e incorrecto, pensar que la nanotecnología consiste simplemente en hacer cosas muy pequeñas, tales como nanopartículas o nanotubos. En realidad, la nanotecnología supone una verdadera revolución científica. Por un lado, se trata de un gran logro técnico que nos permite estudiar y manipular la materia a escala atómica. Pero sobre todo, constituye una nueva forma de entender el mundo que nos rodea. En los últimos años, estamos descubriendo algo totalmente sorprendente, que la materia a escala nanométrica se comporta de manera radicalmente diferente a como lo hace normalmente. Volvamos por un momento a nuestro hombre de las cavernas. Al frotar una piedra contra otra, cada vez estaba más pulida y su borde más afilado, pero sus propiedades más características, como su color o su dureza, no variaban nunca. Sin embargo, cuando llegamos al mundo del nanómetro todo cambia drásticamente. El oro deja de ser dorado para tomar el color del vino, y funde a temperaturas mucho más bajas. Además, deja de ser inerte para ser un catalizador tan activo que puede convertir monóxido de carbono -un peligroso gas tóxico- en dióxido de carbono, incluso a temperatura ambiente. Otros metales, como el mercurio, dejan de comportarse como tal y ya no conducen la corriente eléctrica. Incluso materiales que no son magnéticos, como el paladio, son ahora atraídos por el imán como si se tratara de hierro.

           La nanociencia es una revolución científica porque, como otras antes que ella -las teorías de la relatividad o de la selección natural, por ejemplo- cambia radicalmente nuestra forma de ver y entender el mundo, es antiintuitiva. Antes de Einstein, a nadie se le ocurrió que la percepción del espacio y del tiempo depende del estado de movimiento del observador. Nadie pensó tampoco que el ser humano tuviera como pariente lejano al mono antes de que Charles Darwin publicara El origen de las especies. Del mismo modo, nadie podía pensar que al dividir una barra de oro en porciones cada vez más pequeñas, al alcanzar un cierto tamaño, el oro perdería su color dorado para pasar a ser azul, morado y, finalmente, intensamente rojo.

           Es tan contrario a nuestra intuición, tan extraño en nuestra experiencia que las propiedades de los materiales dependan de su tamaño que en los colegios se sigue enseñando que la molécula es la unidad mínima de una sustancia que conserva sus propiedades químicas. Un hecho que deja de sorprendernos cuando descubrimos que ésta es, precisamente, la definición que aparece en el Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española. Sin embargo, hoy sabemos que esto no es así, aunque pudiera parecerlo. En realidad, mucho antes de llegar a tener una sola molécula, las propiedades de los materiales cambian de forma radical.

           Quizás, uno de los aspectos más interesantes que nos ha traído esta nueva manera de entender el mundo es que, por primera vez, científicos de distintas disciplinas están trabajando en los mismos proyectos. En los centros de nanotecnología encontramos físicos, químicos, biólogos, informáticos, médicos, ingenieros y matemáticos trabajando juntos de una forma nunca vista antes. En el siglo XXI, las fronteras entre las distintas disciplinas científicas y tecnológicas se van a ir desdibujando, así como las fronteras entre la ciencia básica y la aplicada. 

           Cabría preguntarse ahora, ¿qué importancia práctica tiene todo esto? O dicho de otra forma, si se trata de una revolución científica ¿por qué se habla tanto de nanotecnología y tan poco de nanociencia? Para responder a esta pregunta debemos volver a los griegos que, si bien no nos dieron todas las respuestas, sin duda se plantearon muchas cuestiones importantes. Ellos fueron los primeros en preguntarse de que están hechas todas las cosas. Algunos dijeron que de agua -es difícil encontrar algo que esté totalmente seco-, otros que de fuego -prototipo del cambio-, también pensaron que de aire o tierra. Hoy sabemos que ninguno de estos cuatro elementos clásicos forma parte de la Tabla Periódica, ya que pueden descomponerse en otros cuerpos más sencillos. En la actualidad, hay 112 elementos químicos formalmente reconocidos por la comunidad internacional. De ellos, sólo 90 se encuentran en la Naturaleza. Con estos 90 ladrillos debemos construir todas las cosas. No hay más. Esto es lo que nos enseñan en las Facultades de Química, a hacer nuevos compuestos químicos combinando otros más sencillos. O dicho en jerga académica: A + B para dar C.

     

     

           La nanotecnología, no obstante, nos abre una nueva oportunidad. Ahora podemos preparar nuevos materiales sin cambiar su composición química, simplemente modificando su estructura a escala nanométrica. El mejor ejemplo en este sentido es el carbono, ya que gracias a la nanotecnología podemos preparar una gran variedad de nanomateriales de carbono, todos con la misma composición química, pero con propiedades totalmente distintas. Por ejemplo, en los últimos años, hemos aprendido a separar cada una de las láminas que constituyen la estructura del grafito. Esto es algo realmente increíble, ya que estas láminas tienen el espesor de un solo átomo. Las láminas individuales, que reciben el nombre de grafeno, están formadas por átomos de carbono ordenados en hexágonos, como si se tratara de un panal de abeja.

           Pero podemos ir mucho más allá. Gracias a los descubrimientos de los últimos años, es posible enrollar estas láminas de átomos de carbono y formar nanotubos con ellas. Estos nanotubos de carbono, a pesar de su reducido tamaño, son más duros que el acero y significativamente más ligeros.  Incluso es posible fabricar estructuras cerradas a partir de las láminas de grafeno para formar, por ejemplo, esferas hechas con sólo sesenta átomos de carbono que  apenas miden un nanómetro, y que conocemos como C60 o fullerenos. Hasta ahora, sólo teníamos al humilde grafito y al más presumido y codiciado diamante. Actualmente disponemos de decenas de nanomateriales de carbono, todos con propiedades muy distintas y todos con la misma composición química. Hemos pasado de A + B para dar C a A para dar una A distinta, con propiedades nuevas que podemos controlar con gran precisión. La nanotecnología supone pasar de una Tabla Periódica en dos dimensiones a otra en tres dimensiones. Hasta ahora las propiedades de cada elemento estaban perfectamente definidas, tanto que muchas de ellas aparecen escritas en su casilla correspondiente. Ahora, en cada posición se levanta una columna donde se encuentran materiales con propiedades distintas (puntos de fusión y de ebullición, dureza, reactividad…), pero que comparten la misma composición química (número y masa atómica), aquella propia del elemento.

           En muchas ocasiones, tenemos la sensación de que la nanotecnología se trata de ciencia ficción, de una nueva ciencia que dará sus frutos dentro de muchos años. Pero si bien es cierto que es una disciplina muy joven y que, sin duda, nos dará muchas sorpresas que no podemos ni imaginar, existen ya muchas aplicaciones, algunas de ellas en el mercado, basadas en nanomateriales. Por ejemplo, en medicina se están empleando nanopartículas para transportar medicamentos a las zonas del organismo que realmente están enfermas, de forma que se reducen mucho las dosis necesarias y los efectos secundarios producidos. Esto es especialmente relevante en la lucha contra el cáncer, por lo que buena parte de la investigación en bionanotecnología está dedicada al tratamiento selectivo de tumores para mejorar su eficiencia. Por otro lado, en el campo de las energías renovables, los nanomateriales son la base de la nueva generación de células solares, más baratas y flexibles que las actuales, basadas en el silicio cristalino y policristalino. Otras aplicaciones importantes de los materiales se centran en la producción de nuevos tejidos con propiedades avanzadas que impiden que estos huelan o se manchen; en la fabricación de materiales más resistentes que se emplean en la construcción; o en la utilización de nanomateriales compuestos, mucho más ligeros, en el sector del transporte.

           En definitiva, la piedra vieja y tosca del Paleolítico dio paso a una piedra pulida y brillante. Este cambio en la estructura de la piedra mejoró notablemente sus propiedades, amplió sus aplicaciones y facilitó la llegada del Neolítico. La nanotecnología nos permite hoy pulir la piedra hasta el extremo, hasta el punto de controlar sus propiedades a voluntad. Muchas de sus aplicaciones ya las conocemos, pero los verdaderos cambios que esta nueva revolución lítica nos traerá están todavía por desvelarse.

     

    * Javier García Martínez es director del Laboratorio de Nanotecnología Molecular de la Universidad de Alicante

     


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