Nanotecnología para el desarrollo sostenible [1 ed.] 8400107802, 9788400107802

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Robots. Elena García Armada El Parkinson. Carmen Gil y Ana Martínez Mecánica cuántica. Salvador Miret Artés Los primeros homininos. Paleontología humana. Antonio Rosas Las matemáticas de los cristales. Manuel de León y Ágata Timón Del electrón al chip. Gloria Huertas, Luisa Huertas y José L. Huertas La enfermedad celíaca. Y. Sanz, M. Carmen Cénit y M. Olivares La criptografía. Luis Hernández Encinas La demencia. Jesús Ávila Las enzimas. Francisco J. Plou Las proteínas dúctiles. Inmaculada Yruela Guerrero Las encuestas de opinión. Joan Font Fàbregas y Sara Pasadas del Amo La alquimia. Joaquín Pérez Pariente La epigenética. Carlos Romá Mateo El chocolate. María Ángeles Martín Arribas La evolución del género ‘Homo’. Antonio Rosas Neuromatemáticas. José María Almira y Moisés Aguilar-Domingo La microbiota intestinal. Carmen Peláez y Teresa Requena El olfato. Laura López-Mascaraque y José Ramón Alonso Las algas que comemos. Elena Ibáñez y Miguel Herrero Los riesgos de la nanotecnología. M. Bermejo y P. A. Serena Domingo Los desiertos y la desertificación. J. M. Valderrama Matemáticas y ajedrez. Razvan Iagar Los alucinógenos. José Antonio López Sáez Las malas hierbas. César Fernández-Quintanilla y José Luis González Andújar Inteligencia artificial. R. López de Mántaras Badia y P. Meseguer González Las matemáticas de la luz. Manuel de León y Ágata Timón Cultivos transgénicos. José Pío Beltrán El Antropoceno. Valentí Rull La gravedad. Carlos Barceló Serón Cómo se fabrica un medicamento. M. C. Fernández y N. E. Campillo Los falsos mitos de la alimentación. Miguel Herrero El ruido. Pedro Cobo Parra y María Cuesta Ruiz La locomoción. Adrià Casinos Antimateria. Beatriz Gato Rivera Las geometrías y otras revoluciones. Marina Logares Enanas marrones. María Cruz Gálvez Ortiz Las tierras raras. Ricardo Prego Reboredo El LHC y la frontera de la física. El camino a la teoría del todo.

¿ QUÉ SABEMOS DE?

Nanotecnología para el desarrollo sostenible

Los Objetivos del Desarrollo Sostenible representan la estrategia primordial del ser humano para poder garantizar su futuro, y la ciencia y la tecnología son dos de las herramientas indispensables que pueden ayudar a alcanzar dichos objetivos. La nanotecnología, es decir, el conocimiento aplicado de lo diminuto, jugará un papel clave en esa estrategia junto con otras ramas del saber. La intención de este libro es, precisamente, conectar el conocimiento sobre el mundo de lo diminuto con las soluciones y estrategias necesarias para lograr la supervivencia de la especie humana en un adecuado equilibrio con la naturaleza de la que forma parte. En definitiva, en esta obra se muestra cómo el conocimiento acumulado sobre el nanomundo nos ayudará a mejorar nuestra calidad de vida sin comprometer el futuro de nuestros descendientes. Pedro A. Serena Domingo es doctor en Ciencias Físicas por la Universidad Autónoma de Madrid e investigador científico del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Sus líneas de investigación están relacionadas con la modelización y simulación de distintas propiedades de nanosistemas. Entre otros cargos, ha sido gestor de la Acción Estratégica de Nanotecnología del MICINN, coordinador del Área de Ciencia y Tecnología de Materiales del CSIC, delegado institucional del CSIC en la Comunidad de Madrid y director del Centro de Física Teórica y Matemáticas.

Alberto Casas

101. La tabla periódica de los elementos químicos. José Elguero Bertolini, 102. 103. 104. 105. 106. 107. 108. 109. 110.

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Pilar Goya Laza y Pascual Román Polo La aceleración del universo. Pilar Ruiz Lapuente Blockchain. D. Arroyo Guardeño, J. Díaz Vico y L. Hernández Encinas El albinismo. Lluís Montoliu Biología cuántica. Salvador Miret Artés Islam e islamismo. Cristina de la Puente El ADN. Carmen Mora Gallardo y Karel H. M. van Wely Big data. David Ríos Insua y David Gómez-Ullate Oteiza Verdades y mentiras de la física cuántica. Carlos Sabín La quiralidad. Luis Gómez-Ortigüela Sainz Las diatomeas y los bosques invisibles del océano. Pedro Cermeño Los bacteriófagos. Lucía Fernández, Diana Gutiérrez, Ana Rodríguez y Pilar García Nanomecánica. Daniel Ramos Vega Cerebro y ejercicio. José Luis Trejo y Coral Sanfeliu Enfermedades raras. Francesc Palau La innovación y sus protagonistas. Elena Castro Martínez e Ignacio Fernández de Lucio Marte y el enigma de la vida. Juan Ángel Vaquerizo Las matemáticas de la pandemia. Manuel de León y Antonio Gómez Corral Ciberseguridad. David Arroyo Guardeño, Víctor Gayoso Martínez y Luis Hernández Encinas Pensar en español. Reyes Mate La esclerosis múltiple. Leyre Mestre y Carmen Guaza Por qué y cómo se hace la ciencia. Pere Puigdomènech

12 €

ISBN: 978-84-1352-221-0

THEMA: PDZ/TBN/RNU

¿de qué sirve la ciencia si no hay entendimiento?

¿QUÉ SABEMOS DE? Pedro A. Serena Domingo NANOTECNOLOGÍA PARA EL DESARROLLO SOSTENIBLE

62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 100.

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1. El LHC y la frontera de la física. Alberto Casas 2. El Alzheimer. Ana Martínez 3. Las matemáticas del sistema solar. M. de León, J. C. Marrero

¿ QUÉ SABEMOS DE?

Nanotecnología para el desarrollo sostenible

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Pedro A. Serena Domingo

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y D. Martín de Diego

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

El jardín de las galaxias. Mariano Moles Las plantas que comemos. Pere Puigdomènech Cómo protegernos de los peligros de Internet. Gonzalo Álvarez Marañón El calamar gigante. Ángel Guerra Sierra y Ángel F. González González Las matemáticas y la física del caos. M. de León y M. Á. F. Sanjuán Los neandertales. Antonio Rosas Titán. Luisa M. Lara La nanotecnología. Pedro A. Serena Domingo Las migraciones de España a Iberoamérica desde la Independencia.

13. 14. 15. 16.

El lado oscuro del universo. Alberto Casas Cómo se comunican las neuronas. Juan Lerma Los números. Javier Cilleruelo y Antonio Córdoba Agroecología y producción ecológica. Antonio Bello, Concepción Jordá

17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47.

La presunta autoridad de los diccionarios. Javier López Facal El dolor. Pilar Goya Laza y Mª Isabel Martín Fontelles Los microbios que comemos. Alfonso V. Carrascosa El vino. Mª Victoria Moreno-Arribas Plasma. Teresa de los Arcos e Isabel Tanarro Los hongos. M. Teresa Tellería Los volcanes. Joan Martí Molist El cáncer y los cromosomas. Karel H. M. van Wely El síndrome de Down. Salvador Martínez Pérez La química verde. José Manuel López Nieto Princesas, abejas y matemáticas. David Martín de Diego Los avances de la química. Bernardo Herradón García Exoplanetas. Álvaro Giménez La sordera. Isabel Varela Nieto y Luis Lassaletta Atienza Cometas y asteroides. Pedro José Gutiérrez Buenestado Incendios forestales. Juli G. Pausas Paladear con el cerebro. Francisco Javier Cudeiro Mazaira Meteoritos. Josep Maria Trigo Rodríguez Parasitismo. Juan José Soler El bosón de Higgs. Alberto Casas y Teresa Rodrigo Exploración planetaria. Rafael Rodrigo La geometría del universo. Manuel de León La metamorfosis de los insectos. Xavier Bellés La vida al límite. Carlos Pedrós-Alió El significado de innovar. E. Castro Martínez e I. Fernández de Lucio Los números trascendentes. Javier Fresán y Juanjo Rué Extraterrestres. Javier Gómez-Elvira y Daniel Martín Mayorga La vida en el universo. F. Javier Martín-Torres y Juan Francisco Buenestado La cultura escrita. José Manuel Prieto Biomateriales. María Vallet Regí La caza como recurso renovable y la conservación de la naturaleza. Jorge Cassinello Roldán Rompiendo códigos. Vida y legado de Turing. M. de León y Á. Timón Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar. José Vicente García Ramos Las células madre. Karel H. M. van Wely Los metales en la Antigüedad. Ignacio Montero El caballito de mar. Miquel Planas Oliver La locura. Rafael Huertas Las proteínas de los alimentos. Rosina López Fandiño Los neutrinos. Sergio Pastor Carpi Cómo funcionan nuestras gafas. Sergio Barbero Briones El grafeno. Rosa Menéndez y Clara Blanco Los agujeros negros. José Luis Fernández Barbón Terapia génica. Blanca Laffon, Vanessa Valdiglesias y Eduardo Pásaro Las hormonas. Ana Aranda La mirada de Medusa. Francisco Pelayo

48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57 . 58. 59. 60. 61.

Consuelo Naranjo Orovio

y Julio César Tello

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Nanotecnología para el desarrollo sostenible

Pedro A. Serena Domingo

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Colección ¿Qué sabemos de? COMITÉ EDITORIAL Pilar Tigeras Sánchez, CSIC Carmen Guerrero Martínez, CSIC Pura Fernández Rodríguez, CSIC Arantza Chivite Vázquez, Editorial Los Libros de la Catarata Javier Senén García, Editorial Los Libros de la Catarata Carmen Viamonte Tortajada, Cyan Proyectos Editoriales Manuel de León Rodríguez, CSIC Isabel Varela Nieto, CSIC Alberto Casas González, CSIC Rafael Huertas García-Alejo, CSIC

CONSEJO ASESOR Carlos Andrés Prieto de Castro, CSIC Dolores González Pacanowska, CSIC Elena Castro Martínez, CSIC Avelino Corma Canós, CSIC Ginés Morata Pérez, CSIC Pilar Goya Laza, CSIC Rosina López-Alonso Fandiño, CSIC María Victoria Moreno Arribas, CSIC David Martín de Diego, CSIC Miguel Ángel Puig-Samper, CSIC Jaime Pérez del Val, CSIC Elena García Armada, CSIC

Catálogo de publicaciones de la Administración General del Estado: https :// cpage . mpr . gob . es

© Pedro A. Serena Domingo, 2021 © CSIC, 2021 http://editorial.csic.es [email protected] © Los Libros de la Catarata, 2021 Fuencarral, 70 28004 Madrid Tel. 91 532 20 77 www.catarata.org isbn (csic):

978-84-00-10780-2 978-84-00-10781-9 isbn (catarata): 978-84-1352-221-0 isbn electrónico (catarata): 978-84-1352-222-7 nipo: 833-21-030-5 nipo electrónico: 833-21-031-0 depósito legal: M-9.570-2021 thema: PDZ/TBN/RNU isbn electrónico (csic):

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Los Libros de la Catarata. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores.

Catarata,

El Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Los Libros de la

por su parte, solo se hacen responsables del interés científico de

sus publicaciones.

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Índice

PRÓLOGO 7 CAPÍTULO 1. La necesidad de un cambio de modelo 11 CAPÍTULO 2. Nanociencia y nanotecnología 28 CAPÍTULO 3. Del laboratorio a la fábrica 46 CAPÍTULO 4. El nanomundo y los ODS 59 CAPÍTULO 5. Somos agua, somos energía 71 CAPÍTULO 6. Larga vida y prosperidad 89 CAPÍTULO 7. Nuevas fábricas y ciudades, nueva sociedad 106 CAPÍTULO 8. No hay que dejar para mañana lo que se pudo hacer ayer 119 EPÍLOGO. Sin ciencia no hay futuro 129 NANOCRONOLOGÍA 131 BIBLIOGRAFÍA 137

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Prólogo

Cuando comencé a escribir este libro habían transcurrido diez años desde que se publicó La nanotecnología (Serena, 2010) en la colección ¿Qué sabemos de?, una de las iniciativas españolas con más impacto en la divulgación de la ciencia. Transcurrido ese tiempo parece que ha llegado el momento de renovar el contenido de la obra para añadir una parte de los muchos avances que han ocurrido en el campo de la nanotecnología a lo largo de esta década. Hace poco tiempo que, en colaboración con mi buena amiga, la doctora Marta Bermejo, publicamos otro libro en la misma colección bajo el título Los riesgos de la nanotecnología (Bermejo y Serena, 2017) en el que ya se perfilaron algunos de estos avances. Diez años en el devenir de la ciencia dan mucho de sí pues a nadie se le escapa que vivimos en la era de aceleración exponencial de generación de conocimiento. A esto hay que añadir la propia evolución de la sociedad, el contexto donde se genera la ciencia, que condiciona la investigación cientí­­fico-tecnológica. Al fin y al cabo, las personas que se dedican a la investigación son como las demás, con sus anhelos y preo­­cupaciones, y necesitan mantener una intensa com­ ­plicidad con la sociedad que sufraga los recursos dedicados a generar un conocimiento del que beneficiarse tarde o temprano. 7

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A pesar de vivir en la era del conocimiento, en ocasiones los cambios económico-sociales inducidos por el saber tardan mucho tiempo en materializarse. Mencionaré como ejemplo la desesperante lentitud con la que se han ido adoptando medidas destinadas a reducir la contaminación en las ciudades, reciclar la enorme cantidad de residuos generados por las diversas actividades humanas o utilizar de forma masiva las fuentes de energía renovables. Es cierto que se ha avanzado en estos ámbitos, pero lo conseguido es insuficiente y se ha hecho de manera de­­ si­­gual. En otras ocasiones, más puntuales, esos cambios son ver­ ­tiginosos, especialmente cuando son la consecuencia de alguna situación extraordinaria como ocurre en un conflicto bélico o un desastre natural. En estos casos el ser humano muestra su capacidad de adaptación a las nuevas circunstancias utilizando todos los medios a su alcance, y uno de ellos es el conocimiento. En los momentos en los que escribo esta obra estamos inmersos en una de estas convulsiones provocada por la pandemia de la enfermedad COVID-19 causada por el coronavirus SARS-CoV-2, sobradamente conocido en todos los rincones de nuestro planeta. Era inevitable mencionarlo, dado que el conjunto de la humanidad está viviendo su azote y tiene depositada en la ciencia sus esperanzas para conseguir sistemas de diagnóstico, fármacos y vacunas que sirvan para transformar una pesadilla en un triste y emocionado recuerdo. La ciencia ha respondido con celeridad y miles de grupos de investigación de todo el mundo han orientado sus esfuerzos para vencer a la pandemia desde sus diferentes perspectivas. En la obra escrita hace diez años se enfatizaban los contenidos propios de la nanociencia y la nanotecnología, su rica fenomenología y su amplio abanico de aplicaciones. Afortuna­ ­damente, las leyes que rigen la física y la química no han cambiado en estos últimos años, como tampoco lo han hecho algunos protagonistas de la nanotecnología como las nanopartículas o los nanotubos de carbono. ¡Menos mal! Entonces, ¿por qué hay que revisitar el tema? Porque la ciencia y la tecnología avan­ ­zan, vigorosas, generando continuamente asombrosas novedades. Tan solo desde el año 2010 se han publicado más de 8

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un millón de artículos científicos sobre el tema y es de imaginar que cada uno de ellos aporta su granito de arena a nuestro conocimiento del mundo de lo diminuto y algunos de ellos han causado auténticos terremotos científicos. Por otro lado, en la última década se han concedido cinco premios Nobel, de Física o Química, a personas que han realizado aportaciones significativas para consolidar la nanotecnología. Tamaña acumulación de conocimientos y reconocimientos bien merece una pequeña mirada retrospectiva. Además de incorporar nuevos contenidos, he aprovechado la oportunidad que brinda esta actualización para modificar el enfoque de la anterior obra. Hasta la llegada de la pandemia de COVID-19, uno de los temas estrella que estaba recibiendo una mayor atención por una gran parte de la sociedad tenía que ver con otra descomunal enfermedad, la de nuestro planeta. La Tierra presentaba una grave sintomatología insistentemente descrita por la comunidad científica, muchas veces ignorada por los poderes políticos y económicos, pero que poco a poco ha ido despertando la conciencia de una parte importante de la sociedad, que lleva tiempo reclamando un cambio de rumbo. De alguna forma, la Tierra se asemeja bastante a la de un enfermo que no recibe el adecuado tratamiento, abandonado a su suerte. Este tratamiento quedó reflejado en la articulación, por parte de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), de una serie de ambiciosos objetivos globales cuya consecución permitiría alcanzar a medio y largo plazo un modelo de desarrollo sostenible. Estos objetivos constituyen la espina dorsal de la denominada Agenda 2030 (ONU, 2015) y solo se alcanzarán mediante el decidido compromiso de la sociedad a través de gobiernos, administraciones, instituciones, empresas y organizaciones de todo el mundo, apoyándose en el conocimiento procedente de las ciencias sociales, humanas y experimentales. A finales de 2019 se celebró en Madrid la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP25) bajo la Presidencia del Gobierno de Chile y con el apoyo logístico del Gobierno de España. Esta reunión no tuvo el éxito 9

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esperado en cuanto a la adopción de decisiones de gran calado, ejemplificando de nuevo esa reacción lenta ante algunos problemas graves, pero un pequeño tropiezo no significa que se abandone la ruta trazada, sino todo lo contrario. La nanociencia y la nanotecnología van a formar parte de las herramientas en las que nos apoyaremos mientras caminamos hacia esa sostenibilidad global. La intención de este libro es, precisamente, conectar el conocimiento sobre el mundo de lo diminuto con las soluciones y estrategias necesarias para lograr la supervivencia de la especie humana en un adecuado equilibrio con la naturaleza de la que forma parte. En primer lugar, se hablará sobre el progreso y sus consecuencias, la sostenibilidad y el recorrido seguido para gestar la Agenda 2030. Los tres capítulos siguientes sirven para introducir los aspectos fundamentales que caracterizan a la nanociencia y la nanotecnología, y su salto de los laboratorios al mercado. Los capítulos 5, 6 y 7 mostrarán la manera en la que las aplicaciones de la nanotecnología pueden facilitar la consecución de un desarrollo sostenible. Finalmente, el último capítulo incide en la gobernanza de la nanotecnología, ingrediente imprescindible para que su implantación sea consistente con la sostenibilidad. El libro finaliza con una propuesta de lecturas complementarias y una nanocronología que enumera los hitos más representativos del largo desarrollo histórico de la nanotecnología. Espero que las personas que lean el libro disfruten de este recorrido a través de los vericuetos y recovecos del nanomundo. Agradecimientos Dedico esta obra a mis hijos, mi madre, mi hermana, Isabel, quien fue mi gran apoyo durante tantos años hasta que nuestros caminos se separaron, y a las muchas personas que me han brindado soporte en momentos difíciles. También quiero mostrar mi agradecimiento a todo el personal que trabaja en el CSIC por su esfuerzo para generar, transferir, aplicar y comunicar conocimientos en todos los ámbitos del saber. Es todo un orgullo formar parte de este grupo de aventureros de la ciencia. 10

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CAPÍTULO 1

La necesidad de un cambio de modelo

Luces y sombras del desarrollo de la humanidad El progreso Desde que el Homo sapiens habita este planeta se puede decir que, como especie, ha tenido bastante éxito si utilizamos como indicadores la evolución tanto del número de individuos como de su esperanza de vida. De ser una especie atemorizada y errante que buscaba refugio en abrigos y cuevas, sobreviviendo mediante la caza de animales y la recolección de plantas y frutos, pasó a dominar el fuego, fundir minerales, moldear la arcilla, fabricar utensilios, cultivar campos, domesticar animales, construir casas, tejer su vestimenta, desplazarse en carros y barcos, y organizarse en aldeas, ciudades y comarcas que, con el tiempo, darían lugar a poderosas civilizaciones. Ha sido un proceso formidablemente rápido en una escala de tiempo geológico pues, si pudiésemos comprimir el tiempo de forma que la vida en la Tierra hubiese aparecido hace un año, el Homo sapiens solo llevaría existiendo unos 40 minutos, la Gran Pirámide de Guiza se habría levantado hace 40 segundos y las personas que leen este libro habrían nacido en las últimas décimas de segundo. La espectacular entrada en escena de esta especie fue posible gracias al 11

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uso de la inteligencia y su organización social, aunque no ha estado exenta de numerosos conflictos sangrientos. Hasta hace 5.000 años el impacto de la humanidad sobre la biosfera fue prácticamente nulo. Para poder sobrevivir, los seres humanos consumían recursos naturales de fácil obtención y generaban residuos fundamentalmente orgánicos a la vez que tuvo lugar un lento proceso de adecuación (humanización) de los territorios donde se asentaban. Los efectos de una escasa población suponían una pequeña perturbación asimilable por la naturaleza, de forma que de una situación de equilibrio se pasaba a otra nueva situación de equilibrio. Esta secuencia de equilibrios pudo mantenerse a pesar del continuo aumento de la actividad humana, que comenzó a ser significativa en los últimos dos milenios. Así lo revelan los estudios sobre la contaminación de la atmósfera por plomo (un indicador de la actividad económica) que se acumula en diferentes capas de hielo. Los datos indican que dicha contaminación ha crecido continuamente en este periodo salvo en momentos puntuales, como ocurrió entre 1349 y 1353, debido al terrible impacto de la peste negra. Aunque se nos olvide, nuestra especie siempre ha estado expuesta a este tipo de amenazas. La creciente actividad de la especie humana se reflejó en la ocupación de nuevos territorios, la roturación de campos, la formación de núcleos de población, el establecimiento de redes de comunicación y el crecimiento demográfico. El acceso a recursos energéticos como el carbón y el petróleo aceleró el desarrollo de nuevas tecnologías, el aumento de la población y su vertiginosa expansión territorial. Una parte de la humanidad estaba subida al vehículo de un progreso necesitado de todo tipo de recursos que se han buscado, encontrado, extraído, procesado y vendido, satisfaciendo siempre la creciente demanda de bienes y servicios, cuya acumulación y disfrute se ha convertido en el indicador de lo que hemos llamado bienestar, paradigma al que hoy aspiran los 7.700 millones de individuos de nuestra especie que habitan la Tierra, y al que posiblemente lo harán sus 11.000 millones a finales de este siglo. 12

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Este innegable éxito de nuestra especie ha sido a costa de otro fracaso del que hemos comenzado a percatarnos en el último medio siglo, cuando se han empezado a poner de manifiesto las huellas de nuestra creciente actividad en el en­­ torno donde nos desenvolvemos y del que depende nuestra existencia. Por otro lado, parece que empezamos a asimilar la evidente finitud de los recursos naturales. Si ahora mismo deseásemos satisfacer las necesidades de toda nuestra especie manteniendo el modelo de los países más desarrollados se requerirían varios planetas como el nuestro, lo que obviamente parece imposible. Malos augurios En la antigua Roma los augures eran sacerdotes expertos en diferentes artes adivinatorias con las que interpretaban las distintas señales que enviaban los dioses a través de fenómenos naturales, signos o sueños con el fin de determinar si una reunión, un festejo o una batalla tendrían éxito. En los últimos siglos hemos aprendido que el futuro no se lee en los posos del café o las vísceras de un animal y, actualmente, con la ayuda del método científico, en los centros de investigación se interpretan las señales de la naturaleza, recogidas mediante concienzudas observaciones, y se realizan predicciones a partir de leyes formuladas para entender las relaciones entre los numerosos datos que se van acumulando. Sin ánimo de ser agorero (por cierto, término derivado de la palabra “augur”) parece que los indicadores que describen la situación de nuestro planeta y su previsible evolución no invitan al optimismo. La evolución de la concentración de CO2 en la atmósfera muestra un incesante aumento de dicho gas de efecto invernadero. C. Keeling, investigador del observatorio de Mauna Loa (Hawái), comenzó a recopilar estos datos en 1958. Entonces dicha concentración era inferior a las 320 partes por millón (ppm) mientras que en la actualidad se acerca a las 415 ppm. No hay que olvidar las crecientes concentraciones de otros gases que también provocan el mismo efecto invernadero como 13

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el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), el hexafluoruro de azufre (SF6), diversos compuestos clorofluorocarbonados y los gases halogenados (halones). La creciente acumulación de todos estos gases ha propiciado el aumento de la temperatura media de atmósfera en más de un grado centígrado en los últimos 150 años. Puede parecer un valor pequeño, pero lo más preocupante es que este calentamiento se está acelerando y se espera que a finales de este siglo la temperatura media atmosférica aumente entre 1,5 y 4,5 ºC según los diferentes escenarios que se consideren. Además, se está observando que este calentamiento no es homogéneo, siendo mayor en ciertas regiones como el océano Ártico. Precisamente este océano está perdiendo a gran ritmo su cubierta helada y en breve se podrá navegar sin otear extensas banquisas ni icebergs. De hecho, en febrero de 2021 un carguero ruso atravesó el Ártico por primera vez sin ayuda de buques rompehielos. Los glaciares tampoco son ajenos al calentamiento y solo en Suiza han desaparecido medio millar en menos de 100 años. El aumento de la temperatura también acelera la descongelación de la cubierta de permafrost en muchas regiones septentrionales, liberando gases como el metano, provocando un aumento adicional de la temperatura de la atmósfera y realimentando la desaparición del suelo congelado que forma el permafrost. Por otro lado, el proceso de fusión también provoca la liberación de bacterias y virus que buscarán seres vivos en los que hospedarse, incluyendo a los especímenes de la suculenta y numerosa especie humana. Esta situación no es desconocida para las instituciones nacionales e internacionales. En 1988 se creó el Grupo In­­ tergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC)1 a instancias de la ONU y de la Organización Meteo­ ­rológica Mundial (OMM). El IPCC ha elaborado varios informes en los que se han ido acumulando las evidencias que indican que el calentamiento de la atmósfera se debe con casi 1.  En esta obra se utilizarán, por regla general, los acrónimos y siglas correspondientes a las denominaciones en inglés de instituciones o técnicas científicas.

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toda seguridad a la actividad humana, en particular a la utilización de los combustibles fósiles (IPCC, 2014). El aumento global de temperaturas provoca inestabi­­ lidad en el clima favoreciendo la aparición de fenómenos meteorológicos extremos como periodos de fuertes sequías, frecuentes huracanes de alto poder destructivo, nevadas en desiertos o insólitas lluvias torrenciales. El incremento del número y la virulencia de los incendios forestales como los que vienen arrasando vastas extensiones boscosas de numerosos países están vinculados a las intensas sequías y al aumento de temperaturas, sin olvidar los oscuros intereses de quienes propician esta devastación. Las largas sequías favorecen la desertificación (Martínez Valderrama, 2017), estimándose que a mediados de este siglo un 20% de los seres humanos sobrevivirán en regiones con déficit hídrico crónico, padeciendo hambrunas y conflictos por el control del agua, alimentando así los flujos migratorios que tan amenazantes se ven desde los países desarrollados. La acción combinada del cambio climático, los incendios y la deforestación planificada ha destruido el 10% de las zonas boscosas del planeta en los últimos 20 años, acelerando la pérdida de biodiversidad. En el año 2019 la Plataforma Intergu­­ bernamental sobre la Biodiversidad y los Servicios Ecosisté­­ micos (IPBES), promovida por la ONU, comunicó que un millón de especies animales y vegetales podrían extinguirse en unas pocas décadas si no se implementan medidas efectivas urgentemente (Díaz et al., 2019). Comienza a ser alarmante la desaparición de insectos, incluidas las abejas que polinizan las especies vegetales, muchas de las cuales nos proporcionan sustento. Por si fuese poco, la pérdida de hábitats favorece que ciertas especies salten de unos ecosistemas a otros y de unas especies a otras. Son numerosos los investigadores e investigadoras que establecen una relación causa-efecto entre la destrucción de hábitats y la aparición de enfermedades de tipo zoonótico (transmitida por animales) como la COVID-19. Hay datos y elementos suficientes para justificar la honda preocupación de la comunidad científica. A finales de 15

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2019 este desasosiego se plasmó en un artículo apoyado por más de 11.000 científicos quienes, sin titubeos, señalaron que las emisiones de gases de efecto invernadero han llevado al planeta a una situación de emergencia climática. Tecnosfera y Antropoceno Más allá del cambio climático, las actividades humanas también causan otros problemas. Quizás el más importante sea la lenta conversión de una parte de nuestro planeta en un colosal vertedero que acumula desechos sin que la naturaleza tenga ni capacidad ni tiempo para degradarlos. Mención aparte merece el plástico, material de propiedades tan excelentes que su uso masivo se ha extendido sin que se haya establecido un protocolo para su reciclado o reutilización en todos los lugares del mundo. El resultado es que enormes cantidades de este material terminan su larguísima fase de descomposición en cualquier lugar, como la cuneta de una carretera, las cumbres del Himalaya o el intestino de un rodaballo. Millones de toneladas de plástico llegan a mares y océanos, formando islas flotantes de descomunales extensiones. La acción combinada del batir de las olas, la elevada salinidad y la luz solar causan la fragmentación de estos residuos en micro y nanoplásticos, que entran a formar parte de la dieta de muchos seres marinos y de la nuestra, por extensión. Un estudio publicado en verano del año 2020, en el que participaba personal del Instituto de Ciencias del Mar, revelaba que más del 60% de las sardinas o anchoas del mar Mediterráneo contienen microplásticos. Varios informes de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) alertan de la abundancia de micro y nanoplásticos en los alimentos que consumimos (EFSA, 2016). Otra de las actividades humanas con evidente impacto medioambiental es la construcción de todo tipo de infraestructuras (edificios, carreteras, aeropuertos, puertos, presas, líneas de alta tensión, etc.), así como la generación de escombros tras su demolición. Todo este conjunto de estructuras y 16

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escombros, producto de una humanización intensiva, se conoce como tecnosfera. Se ha calculado que esta posee una masa de unos 30 billones de toneladas (Zalasiewicz et al., 2017), lo que equivale a unos 50 kg por metro cuadrado de estructuras de origen humano, en uso, abandonadas o derruidas. Propongo que el lector o la lectora determinen, para su asombro, la cuota de tecnosfera que corresponde a cada habitante del planeta. El rápido crecimiento de la tecnosfera junto con el cambio climático son los elementos más característicos de una nueva época geológica, el Antropoceno, dando por finalizado el Holoceno, la última época del periodo Cuaternario (Rull, 2018). Se puede considerar que el Antropoceno comenzó con la Revolución industrial, aunque existe cierto debate al respecto. Independientemente de la fecha de su inicio, nuestra especie se ha convertido en una poderosa fuerza geológica capaz de modificar sustancialmente la superficie del planeta y su atmósfera. Desiguales La especie humana, capaz de crear emocionantes manifestaciones artísticas o sofisticadas tecnologías, ha resultado ser bastante nociva para sí misma si se analizan sus estructuras organizativas y sus marcos de convivencia. Seguramente a esta conclusión llegaría un visitante de una civilización extraterrestre. Además de observar el deterioro del planeta causado por nuestra especie, seguramente se percataría de las claras manifestaciones de la desigualdad entre individuos. Constataría que existen países, regiones, poblaciones o grupos sociales donde las personas pasan hambre y sed, no reciben una adecuada atención médica, no tienen acceso a la educación y viven en entornos inseguros, mientras que en otros territorios la obesidad es un problema, se desperdician alimentos, hay acceso al agua potable, se fomenta la educación, se tratan adecuada­­ mente muchas enfermedades y se circula con seguridad por la calle o los caminos. Tomaría nota sobre la discriminación que 17

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sufren algunas personas por razón de su género, sus creencias o el color de su piel. El visitante seguramente añadiría una nota mencionando que no puede decir si somos arrogantes o tenemos sentido del humor por habernos otorgado el atributo sapiens. Produce cierto agobio detallar la relación de calamidades que afectan a buena parte de los seres humanos. Esta visión tenebrosa podría ser consecuencia del denominado pesimismo social al que parece que tienden los humanos de forma natural. Autores como J. Norberg (2017), H. Rosling (Rosling et al., 2018) o S. Pinker (2018) defienden, sin embargo, que en su conjunto la humanidad vive mejor ahora que en épocas pasadas gracias a un modelo económico basado en el capitalismo y la economía de libre mercado. Entre los logros del modelo estarían la reducción de la pobreza extrema y del anal­ ­fabetismo o el aumento de la esperanza de vida, siempre medidos a escala global. Esta visión parece obviar o minimizar los problemas mencionados anteriormente, por lo que es posible que los indicadores que muestran el avance del bienestar global sean transitorios, flor de un siglo.

Hacia un desarrollo sostenible Haciendo balance Desde los años setenta del siglo XX se han realizado numerosos análisis del modelo de crecimiento que había llevado prosperidad a muchos países tras la Segunda Guerra Mun­­ dial. Quizás el informe más conocido de esa década sea el titulado Los límites del crecimiento, patrocinado por el Club de Roma, que indicaba que durante el siglo XXI se detendría el crecimiento económico debido al incremento de la población mundial, la industrialización, la contaminación y la explo­­ tación de los recursos naturales (Meadows, 1972). Este informe señalaba la necesidad de reconsiderar y modificar un modelo que explotaba recursos allí donde los había, repartía 18

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generosamente residuos variados y deslocalizaba centros de producción para abaratar los costes salariales y aprovechar la escasa regulación de muchos países en temas como la prevención de riesgos laborales o la protección del medioambiente. Por otro lado, la sociedad comenzaba a vislumbrar otras consecuencias desagradablemente impactantes del desarrollo desaforado, como los accidentes de las plantas químicas de Seveso (Italia) en 1974 y Bhopal (India) en 1984, de las centrales nucleares de Three Mile Island (EE UU) en 1979 y de Chernóbil (actual Ucrania) en 1986. A estos siniestros había que sumar un sinfín de mareas negras causadas por accidentes de buques petroleros, el deterioro de bosques por la lluvia ácida y el empleo de cuestionables prácticas como el depósito de residuos radiactivos en el fondo de mar. Esta cara negativa del progreso sirvió de acicate para concienciar a una parte de la sociedad. El debate sobre estos temas, donde se entremezclan cuestiones económicas, medioambientales, sociales y políticas, fue iniciado por grupos de expertos de algunas ad­­ministra­­ cio­­nes, universidades y ONG como WWF o Greenpeace, entre muchas otras, que comenzaron a actuar entre finales de los 1960 y principios de los 1970. El modelo de desarrollo sufrió algún contratiempo como el de la crisis del petróleo de 1973, que tuvo consecuencias geopolíticas e impulsó la búsqueda de una mayor eficiencia en el consumo de combustibles fósiles, a la vez que favoreció la expansión de las centrales nucleares. Sin embargo, esta crisis no afectó a la premisa del modelo, que consideraba que nuestro planeta era una fuente inagotable de recursos y un pozo negro capaz de absorber ilimitadamente todo tipo de residuos. Era evidente que se tenía que comenzar a diseñar una alternativa al modelo de desarrollo o una remodelación importante del mismo, antes de que los países en vías de desa­ ­rrollo pisasen el acelerador imitando bien el modelo de EE UU y los países europeos más avanzados, o el de la URSS, con una poderosa industria estatalizada que era escasamente respetuosa con el medioambiente. 19

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El Informe Brundtland En 1987, la doctora G. H. Brundtland presentó ante la ONU el informe Nuestro futuro común (ONU, 1987), que analizaba las políticas de desarrollo propias de la economía globalizada y mostrando la conexión entre esta y los problemas que afectaban a la humanidad. Dicho documento, que ha pasado a conocerse como Informe Brundtland, planteaba la necesidad de buscar soluciones desde una visión holística, estableciendo un modelo de desarrollo económico sostenible gracias a: i) la conservación del planeta; ii) la minimización del daño a los ecosistemas; iii) la disminución y racionalización del consumo; iv) el crecimiento económico de los países pobres; v) el control demográfico a través del control de la natalidad; vi) el uso eficiente de los recursos no renovables; vii) la consolidación de un escenario mundial de paz, igualdad y respeto hacia los derechos humanos, y viii) la expansión y mejora de la democracia. El modelo del desarrollo sostenible se sustenta en diversas propuestas teóricas planteadas a lo largo del siglo XX y ha seguido incorporando ideas procedentes de otros modelos más recientes. La reducción del consumo, la reutilización de bienes y el reciclaje de desechos (regla de las tres R), premisas de la economía circular (Pearce y Turner, 1990), la adecuada gobernanza de los recursos de todo tipo, incluidos los intelectuales, propuesta en el modelo del procomún (Lafuente, 2007), o el empleo exhaustivo de la tecnología para reconfigurar la producción de bienes y los hábitos de las personas, propuesto por el modelo de la economía azul (Pauli, 2010), se han incorporado, en mayor o menor medida, al modelo de la economía sostenible. Queda patente que la economía sostenible incorpora, en un difícil y a veces criticado equilibrio, elementos procedentes de diferentes visiones del desarrollo humano. Un plan estratégico para la humanidad En 1992 se celebró la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo en Río de Janeiro, en 20

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la que se proclamó la Declaración de Río sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, que perfiló mejor el concepto de desarrollo sostenible. Tras una década de trabajo, en el año 2000, la ONU adoptó un plan para materializar el desarrollo sostenible mediante la consecución en 2015 de los ocho Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM). Una vez alcanzada esa fecha se constató que las metas propuestas en los ODM se habían conseguido parcialmente, destacando logros co­ ­mo la reducción en un 50% de la pobreza extrema y de las mortalidades infantil y materna, el retroceso de enfermedades como el paludismo y la tuberculosis, así como el incremento del número de niñas que accedían a la educación infantil en las regiones en vías de desarrollo. Sin embargo, aún quedaban muchos asuntos por resolver como la falta de cobertura en el tratamiento de personas con VIH, el desigual acceso de la mujer a la educación secundaria y universitaria, o las escasas inversiones destinadas a la cooperación internacional. Además, otros problemas habían adquirido relevancia como el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, las evidentes señales del calentamiento global, la creciente inestabilidad política, el aumento de los conflictos bélicos y sus repercusiones sobre la población, el impacto de la crisis financiera de 2008 y el mayor protagonismo de dinámicos actores económicos (Brasil, Rusia, India, China y Suráfrica, o grupo BRICS). Ante este nuevo contexto mundial, la ONU consensuó una nueva estrategia con la participación de representantes, expertos y agentes sociales de los países miembros de la ONU. En la Cumbre de París, celebrada el 25 de septiembre de 2015, los representantes de 193 países adoptaron un acuer­­do histórico al aprobar la Agenda 2030, todo un plan estratégi­­co consensuado por el conjunto de la humanidad. Esta agenda incluye 17 ambiciosos Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) (tabla 1) que deben alcanzarse en el año 2030 (ONU, 2015)2. 2.  A lo largo de la obra se utilizará la sigla ODS para mencionar al conjunto de los Objetivos del Desarrollo Sostenible y ODSn para referirse a los diferentes objetivos.

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Tabla 1 Objetivos del Desarrollo Sostenible. ODS1

Poner fin a la pobreza en todas sus formas en todo el mundo.

ODS2

Poner fin al hambre, lograr la seguridad alimentaria y la mejora de la nutrición, y promover la agricultura sostenible.

ODS3

Garantizar una vida sana y promover el bienestar para todos en todas las edades.

ODS4

Garantizar una educación inclusiva, equitativa y de calidad, y promover oportunidades de aprendizaje permanente para todos.

ODS5

Lograr la igualdad entre los géneros y empoderar a todas las mujeres y niñas.

ODS6

Garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible, y el saneamiento para todos.

ODS7

Garantizar el acceso a fuentes de energía asequibles, seguras, sostenibles y modernas para todos.

ODS8

Promover el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible, el empleo pleno y productivo, y el trabajo decente para todos.

ODS9

Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.

ODS10

Reducir las desigualdades entre los países y dentro de sus sociedades.

ODS11

Lograr que las ciudades y los asentamientos humanos sean inclusivos, seguros, resilientes y sostenibles.

ODS12

Garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles.

ODS13

Adoptar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos (reconociendo que la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático es el principal foro intergubernamental internacional para negociar la respuesta mundial al cambio climático).

ODS14

Conservar y utilizar en forma sostenible los océanos, los mares y los recursos marinos para alcanzar el desarrollo sostenible.

ODS15

Proteger, restablecer y promover el uso sostenible de los ecosistemas terrestres, gestionar los bosques de forma sostenible, luchar contra la desertificación, detener e invertir la degradación de las tierras y poner freno a la pérdida de la diversidad biológica.

ODS16

Promover sociedades pacíficas e inclusivas para el desarrollo sostenible, facilitar el acceso a la justicia para todos y crear instituciones eficaces, responsables e inclusivas a todos los niveles.

ODS17

Fortalecer los medios de ejecución y revitalizar la Alianza Mundial para el Desarrollo Sostenible.

Los ODS tienen una estructura compleja, pues cada uno de ellos contempla el alcance de una serie de metas parciales mediante la realización de acciones interconectadas entre sí. El número total de metas asciende a 169 y cada país debe lograr su consecución mediante planes y estrategias que dependerán de su punto de partida, su capacidad económica, su estructura social y la cooperación internacional. La Agenda 2030 contempla un riguroso seguimiento del cumplimento de todas estas metas, tanto a nivel mundial como nacional, mediante un exhaustivo sistema formado por 231 indicadores (ONU, 2020). Este seguimiento facilitará el diseño de la 22

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estrategia global a partir de 2030 pues para entonces algunos problemas se habrán solventando parcialmente mientras que otros posiblemente se habrán acentuado, sin contar con los que irrumpan abruptamente en escena como ha ocurrido con la pandemia que estamos atravesando. El cumplimiento de la Agenda 2030 también puede desbaratarse ante la reticencia de algunos países o ciertos sectores económicos para implementar algunas medidas lesivas para sus intereses, o por actuaciones como la de EE UU, que en 2019 decidió, por iniciativa de su presidente, abandonar el Acuerdo de París, lo que supuso un grave retroceso en las políticas de cooperación internacional. El reciente cambio en la presidencia de este país va a suponer un retorno a la Agenda 2030, el único camino posible pues no existe un plan B que tenga tan amplio consenso. No se puede mirar hacia otro lado Muchos de los conceptos manejados por la economía sostenible han ido permeando poco a poco en la sociedad, y elementos como la conservación de la naturaleza, la preocupación por el impacto de nuestras actividades, el reciclado de residuos, etc., han pasado a formar parte del ideario de una gran parte de la población. En el ámbito empresarial, la incorporación de elementos de corte ecologista tuvo inicialmente una finalidad meramente publicitaria, un postureo medioambiental, por lo que era habitual encontrar empresas de todo tipo (incluidas las petroleras o las nucleares) que utilizaban materiales promocionales en los que predominaba el color verde y las imágenes de plantas y animales. Sin embargo, con el transcurrir de los años, los elementos del desarrollo sostenible han pasado a formar parte importante de las estrategias de responsabilidad social corporativa (RSC) de numerosas organizaciones y empresas (Núñez, 2003)3. 3.  Hay que destacar el gran impacto mediático de la Agenda 2030 gracias, entre otras acciones, a una buena campaña de difusión apoyada en un conjunto de sencillos logotipos que sirven para identificar los ODS y que son utilizados por innumerables entidades públicas y privadas.

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Entidades supranacionales como la Unión Europea han incorporado los ODS a sus estrategias (Falkenberg, 2017) y no son pocos los países en los que los ODS se han convertido en cuestión de Estado, creando entidades específicas para su impulso y seguimiento. En España, por ejemplo, se ha establecido recientemente el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico y se ha diseñado el Plan de Acción para la implementación de la Agenda 20304. En torno a los ODS se ha construido la Red de Soluciones para el Desarrollo Sostenible (SDGN) con una extensa red de nodos nacionales. En 2015 se fundó el nodo español, la Red Española para el Desarrollo Sostenible (REDS). La red SDGN realiza numerosos estudios y recoge indicadores con los que se construye el índice ODS, que determina para cada país el grado de cumplimiento de los ODS en una escala de 0 a 100. Como curiosidad, en el informe del año 2020 (Sachs et al., 2020) España consigue un índice ODS igual a 78,1, ocupando el puesto 22 entre 166 países analizados. Es una buena posición, pero no hay que descuidarse pues queda aún un largo camino por recorrer en los próximos años. La consecución de los ODS requiere la implicación de gobiernos, empresas, instituciones académicas y todo tipo de organizaciones. Entidades tan dispares como la Confe­­de­­ ración Europea de Sindicatos, la Iglesia católica o movimientos sociales como Greenpeace, Extinction Rebellion o los organizados en torno a activistas como Greta Thunberg coinciden en la necesidad de tomar medidas concretas y urgentes, aplicarlas y supervisar su cumplimiento. También se espera que los ciudadanos, a título particular, contribuyan con pequeñas acciones (ONU, 2018), pues cerca de 8.000 millones de impulsos diarios en la dirección adecuada pueden ser decisivos para cambiar el rumbo. 4.  Quizás cuando el lector o la lectora esté leyendo estas páginas el ministerio en cuestión haya desaparecido o cambiado de nombre, siguiendo las leyes no escritas de la idiosincrasia de la política española, pero seguramente la implementación de los ODS seguirá formando parte de los compromisos del gobierno de turno.

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¿Conocimiento para salir del atolladero? A primera vista parece que la ciencia y la tecnología no están reflejadas adecuadamente en los ODS, con la excepción del ODS9 en el que aparece mencionada la versátil innovación (Castro Martínez y Fernández de Lucio, 2020). Esta aparente minimización del papel del conocimiento científicotécnico se realiza justo en un momento en el que cada diez años se duplica el volumen del conocimiento y un gran número de apuestas tecnológicas de gran calado, las denominadas disrupciones tecnológicas, nos catapultan hacia la cuarta revolución industrial (Schwab, 2016). Es posible que esta falta de presencia en los titulares de los ODS se haya realizado conscientemente para evitar polémicas relacionadas con la doble cara de la aplicación del conocimiento. Es evidente que el conocimiento científico-técnico ha tenido consecuencias muy positivas, pero no se puede obviar que también ha generado problemas, creando en muchas per­­ sonas sentimientos contradictorios o incluso repulsión hacia la ciencia. Si ponemos como ejemplo el caso del transporte, del que nadie cuestiona su necesidad, encontramos que la máquina de vapor de una locomotora, el moderno motor con inyección electrónica de un coche o el potente motor a reacción de un avión son impresionantes creaciones de nuestro intelecto, pero su fabricación y funcionamiento requieren muchas materias primas que se obtienen de nuestro entorno, en el que terminan los residuos que generan a lo largo de su ciclo de vida. La ciencia y el desarrollo tecnológico tienen su yin y su yang, por lo que la llegada de un buen número de disrupciones tecnológicas puede provocar efectos positivos o negativos sobre la consecución de los ODS (Andreu Pinillos y Fernández Mateo, 2019). Por ejemplo, la generación renovable de energía, las redes de distribución inteligentes y la gestión de grandes cantidades de datos (big data) pueden facilitar el acceso universal y asequible a recursos energéticos con los que promover estrategias de industrialización 25

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sostenible, lo que puede favorecer la consecución de los ODS 7, 8 y 9. Sin embargo, otra disrupción, como la implementación masiva de la robótica, puede tener como resultado un aumento del desempleo en regiones con economías basadas en la industria manufacturera, impidiendo la consecución del ODS8. Los dos ejemplos anteriores muestran que las nuevas tecnologías pueden actuar para acelerar o frenar la consecución de algún ODS. En cualquier caso, un análisis de los pros y los contras del impacto del conocimiento científicotécnico muestra que este es indispensable para nuestro viaje hacia el futuro (Vessuri, 2016), aunque como en cualquier viaje hay incógnitas que se desvelarán en el camino. ¿Logra­ ­remos reorientar la gran inercia actual del modelo tradicional aprovechando el arsenal de tecnologías que se están desarrollando o este arsenal no va a ser suficiente? ¿Es posible que su uso pueda empeorar algunas situaciones actuales? ¿Cómo elegir las propuestas más adecuadas para resolver cada problema? ¿Cómo lograr que nadie se quedé atrás? ¿Tiene sentido todo lo que estamos haciendo o se necesitan aproximaciones más radicales? Estas cuestiones ponen de manifiesto la necesidad de tener en cuenta los aspectos éticos en la adopción e implementación de las nuevas tecnologías, tan emergentes y tan disruptivas, por lo que hay que integrar las aportaciones hechas desde las ciencias humanas y sociales, incluso aquellas que son críticas con el modelo del desarrollo sostenible. Hay escuelas de pensamiento que proponen mantener los elementos esenciales del modelo capitalista incorporando una conjunción de pragmatismo y ética a la hora de abordar los problemas a los que se enfrenta la humanidad (Collier, 2019). En la dirección opuesta, hay movimientos que abogan por un decrecimiento económico (Latouche, 2009) para recuperar el equilibrio con nuestro entorno natural, o que consideran que el desarrollo sostenible o la economía circular son un fracaso y que se necesita una transición hacia el posdesarrollo (Kothari et al., 2019). 26

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Nuestro momento histórico está siendo objeto de la reflexión de muchas personas que hay que escuchar sin olvidar que hay que pasar a la acción climática (Aengenheyster et al., 2018), pues parece nos acercamos al punto de no retorno, ese momento a partir del cual el cambio climático se desbocará, con consecuencias imprevisibles, independientemente de todos los esfuerzos que se realicen.

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CAPÍTULO 2

Nanociencia y nanotecnología

¿Qué es la nanotecnología? Del macromundo al nanomundo Estamos familiarizados con el prefijo micro, que significa la millonésima parte de algo. Un micrómetro (al que también denominamos micra) es la millonésima parte de un metro o, equivalentemente, la milésima parte de un milímetro. Los objetos con tamaños micrométricos no se pueden percibir con nuestra vista por lo que se necesitan microscopios ópticos para poderlos observar. Estos aparatos fueron inventados por Hans y Zacarías Janssen en el siglo XVI, y sirvieron para que A. van Leeuwenhoek estableciese las bases de la microbiología. Por cierto, los tres eran holandeses. Los microscopios ópticos utilizan luz visible, compuesta por ondas electromagnéticas cuya longitud de onda varía entre 0,40 y 0,75 micras. Este rango determina la resolución de los microscopios ópticos, por lo que el tamaño de los objetos que pueden ser escrutados con estos aparatos es de unas pocas décimas de micra. El micromundo está formado por aque­­ llas estructuras que requieren el uso de microscopios ópticos para ser observados. Por otra parte, el conjunto de objetos y entidades, animadas o inertes, que vemos a simple vista 28

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sin necesidad de microscopios podríamos denominarlo macromundo. Para referirnos a objetos más pequeños que los micrométricos podemos emplear otros prefijos como nano (del griego nanós, que significa ‘enano’). Este prefijo, incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades en 1960, equivale a la milmillonésima parte de algo representado por la cantidad 0,000000001=10-9. Es un prefijo con un gran poder reductor. Por ejemplo, un nanosiglo, inusual práctica unidad de tiempo, equivale a la milmillonésima parte de cien años, unos 3,15 segundos. Podríamos decir que el récord del mundo de 100 metros lisos está en unos 3 nanosiglos. Poco práctico, está claro. Un nanómetro (nm) equivale a la milmillonésima parte de un metro y es una longitud mil veces más pequeña que una micra. ¿Hay objetos de tamaño nanométrico? ¡Claro que sí! Para comenzar, los diminutos átomos, que fueron conceptualizados por Leucipo y Demócrito, en la Antigua Grecia, aunque hubo que esperar hasta los inicios del siglo XIX para que J. Dalton, uno de los padres de la química, desarrollase una teoría atómica en el marco de la ciencia moderna. El conocimiento acumulado durante siglos sobre las propiedades de los elementos químicos (que corresponden a diferentes tipos de átomos), y la necesidad de establecer un orden racional de esas propiedades llevó, en 1869, a la elaboración de la primera versión de la tabla periódica de los elementos por parte de D. Mendeleiev (Elguero, Goya y Román, 2019). La última versión cuenta con 118 elementos químicos incluyendo los cuatro incorporados en 2015, e identifica los diferentes tipos de diminutos ladrillos con los que se forma toda la materia que nos rodea, animada o inanimada. En un nanómetro se pueden alinear de 3 a 6 átomos, dependiendo de la especie química, por lo que es la unidad natural para medir el tamaño de los átomos y de los objetos que estos forman cuando se enlazan, las moléculas. Recordemos que un átomo está constituido por ligeros electrones moviéndose bajo el efecto de fuerzas electrostáticas alrededor de un 29

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núcleo formado por neutrones y protones en el que estas partículas se mantienen unidas por otro tipo de interacciones. A su vez, neutrones y protones, están constituidos de otras partículas subatómicas. La naturaleza parece seguir un patrón de matrioskas rusas donde unas partículas están formadas por otras, y estas a su vez por otras… Este fascinante mundo subatómico lo estudia la física nuclear y la física de partículas (Casas, 2019). Las combinaciones de elementos dan lugar a compuestos que tienen propiedades muy diferentes de las que tienen los elementos de partida. Pensemos que el cloro, en estado molecular (Cl2), es un gas irritante y tóxico. Por su parte, el sodio (Na) es un metal bastante inestable que reacciona violentamente con el agua. Cuando ambos elementos se combinan dan lugar a cristales de cloruro de sodio (NaCl), sal común, ni tóxica ni explosiva, sin la que no podemos vivir y con la que se aderezan y preservan muchos alimentos. Es interesante repetir este pequeño juego para otras moléculas con el fin de observar las enormes diferencias entre las propiedades de los elementos y de sus compuestos. Esto explica en parte la fascinación que causa la química, como la que debieron sentir los primeros alquimistas adoptando una visión casi mágica de la materia y sus procesos de transformación (Pérez Pariente, 2016). Aunque estos tiempos parecen superados, nos sigue asombrando lo que ocurre en un tubo de ensayo. La nanociencia es una forma de gestionar ese asombro cuando nos enfrentamos a lo muy diminuto, pues consiste en acumular conocimientos de forma ordenada y estructurada sobre las entidades que tienen tamaños nanométricos, determinando cómo se forman, qué propiedades poseen, cómo interaccionan entre sí para formar otras estructuras con nuevas propiedades. Si estas propiedades son interesantes desde el punto de vista de su aplicación quizás sea posible aprovecharlas y entonces ya hablamos de nanotecnología. Este término lleva implícita la promesa de posibles aplicaciones, por lo que se ha consolidado con más fuerza, y será el utilizado en 30

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el resto del libro en un sentido amplio, incluyendo en el mismo las aportaciones de la nanociencia. Dado que es necesario establecer los límites de trabajo de la nanotecnología se considera que los objetos de interés para esta disciplina son aquellos que poseen tamaños, al menos en alguna de sus tres dimensiones, comprendidos entre 0,1 y 100 nm, un valor arbitrariamente elegido. Particularmente, a mí me gusta pensar que la nanoescala comienza en aquellos tamaños en los que los microscopios ópticos ya no son efectivos. En cualquier caso, este rango de tamaños 0,1-100 nm es lo que se denomina la nanoescala. Nanoobjetos y nanomateriales De forma general, las entidades con tamaños nanométricos son denominadas nanoobjetos. El catálogo de nanoobjetos es impresionante: desde átomos y pequeñas moléculas hasta complejas cápsidas víricas o estructuras fabricadas con ADN, pasando por nanotubos de carbono, transistores, nanopartículas, etc. En la figura 1 se muestran algunos de estos nanoobjetos. Tampoco debemos sorprendernos de su gran variedad observando lo diverso y complejo que son el macro y el micromundo. De entre todos los nanoobjetos quizás sean los nanotubos de carbono, el grafeno y las nanopartículas de diferentes materiales los que están recibiendo mayor atención. De los dos primeros hablaremos un poco más al final del capítulo. En cuanto a las nanopartículas se debe mencionar que son agrupaciones de átomos sin un tamaño, una forma o una composición bien definida, ya que pueden aumentar o disminuir de tamaño o cambiar de aspecto mediante la incorporación o la eliminación de uno o varios átomos. Hay una gran variedad de nanopartículas: metálicas, de óxidos metálicos, cerámicas, poliméricas, con estructuras amorfas o cristalinas, redondeadas, poliédricas, alargadas, huecas, porosas, etc.

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Las pequeñas entidades nanométricas se pueden combinar entre sí de manera espontánea o a través de procesos diseñados en los laboratorios para dar lugar a materiales u objetos de mayor tamaño. Cuando un material se forma a partir de pequeñas estructuras nanométricas se dice que está nanoestructurado. Si el material final está formado por dos tipos de nanoestructuras con propiedades similares, por ejemplo, dos tipos de nanopartículas poliméricas, se habla de un material nanocompuesto o nanocomposite. Si las nanopartículas que forman el material son de diferente tipo, como poliméricas y cerámicas, se dice que el material resultante es un nanohíbrido. También es muy frecuente encontrar el término “na­­ nomaterial” que incluye, en sentido amplio, desde los nano­­ob­ jetos aislados hasta los materiales nanoestructurados. Por ­ cierto, de manera un tanto poética, nos referimos a este pequeño universo habitado por una innumerable variedad de nanoobjetos como nanomundo. Es evidente que un daño colateral de la nanotecnología ha sido el uso del prefijo nano hasta la extenuación. Figura 1 Ejemplos de algunos nanoobjetos.

C60

Nanoparticula

Nanotubo de carbono

Liposoma

Molécula de fosfolípido

Grafeno

Dendrímero de poli(propileno-imina)

Fuente: Elaboración propia.

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Algunos nanoobjetos y nanomateriales tienen origen natural mientras que otros se obtienen en laboratorios o fábricas La naturaleza nos ofrece nanomateriales como los que se encuentran en las valvas de los moluscos formados por nanoestructuras de óxido de calcio y proteínas, o las cápsidas de los virus que se ensamblan a partir de unas cuantas proteínas para albergar en su interior la información genética en una cadena de ARN o ADN. En cuanto a los nanomateriales de origen humano, podemos mencionar los nanocomposites formados por polímeros y nanotubos de carbono que se emplean en algunos componentes de vehículos, las nanopartículas que se añaden a cementos o los transistores que encontramos en los procesadores de cualquier dispositivo electrónico. Por cierto, también se generan nanoobjetos de manera incontrolada en ciertas actividades humanas como en trabajos de soldadura, en los motores de combustión o por el desgaste de neumáticos. El manual de instrucciones Una de las características más importantes de la nanotecnología es su carácter multidisciplinar. La nanoescala es el punto de encuentro de disciplinas tradicionales, lo que permite generar conocimientos nuevos (de frontera) a partir de la fusión de ideas y procedimientos de campos muy distintos como la química, la biología, la física, la ingeniería, la medicina, etc. El objetivo de todas las disciplinas cuando trabajan en la nanoescala es controlar la materia a nivel atómico y molecular para entender lo que ocurre en dicha escala y así obtener nuevos materiales, dispositivos o fármacos. Sin embargo, no es posible fabricar todo aquello que se nos antoje pues la naturaleza impone unas reglas que se deben tener en cuenta y no pueden esquivarse. En la primera mitad del pasado siglo un grupo de grandes talentos científicos (M. Planck, W. Heisenberg, L. de Broglie, N. Bohr, E. Schrödinger, W. Pauli, A. Einstein, P. A. M. Dirac, J. von Newmann, E. Fermi, etc.) descifró estas reglas, configurando la mecánica cuántica, que podemos ver 33

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como una especie de manual de instrucciones de la naturaleza (Miret Artés, 2015; Sabín, 2020). Este manual nos permite entender cómo los átomos se enlazan a través de sus electrones, compartiéndolos y ubicándolos en niveles de energía bastante específicos, haciendo que unas configuraciones de átomos sean más estables que otras. Estas reglas, por ejemplo, explican la estructura angular de una molécula de agua (H2O), la estructura lineal de una molécula de dióxido de carbono (CO2), la forma piramidal del amoniaco (NH3) o el patrón hexagonal que los átomos de carbono forman en el benceno (C6H6) o en el grafeno. Aden­ ­trarse en este libro de instrucciones es algo más complejo que seguir las del ensamblado de un aparador de IKEA, pues hay que estar dispuestos a abandonar algunas premisas de nuestro macromundo y requiere herramientas matemáticas más sofisticadas. La fenomenología cuántica es contraria a los dictados de nuestra intuición y cuesta comprender que una partícula tenga un comportamiento de onda, y viceversa, según el principio de la dualidad onda-corpúsculo establecido por L. de Broglie en 1924, o que no todas las energías estén permitidas para una partícula confinada en una región del espacio. A pesar de estas perturbadoras ideas, la mecánica cuántica se somete continuamente a duras pruebas experimentales y nos ha servido para diseñar y fabricar muchos de los materiales y dispositivos que utilizamos de manera cotidiana. Sintonizar la materia Los investigadores e investigadoras que enfocan su curiosidad hacia el nanomundo se dedican al juego de la nanoconstrucción (permítaseme la licencia) utilizando diminutas piezas, entendiendo cómo encajan y construyendo bellos nanoobjetos que en muchos casos tienen llamativas e interesantes propiedades, que unas veces se buscan y otras emergen, sin más. Las propiedades de la materia cuando se presenta en formato nanomé­­ trico pueden llegar a ser muy diferentes de las que exhibe cuando presenta tamaño macroscópico. Estas diferencias en 34

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las propiedades debido al cambio del tamaño se denominan efectos de tamaño. Dos conocidos eslóganes del mundillo de la nanotecnología ya nos indican que el tamaño juega un papel clave: “Lo nano es diferente” y “El tamaño sí importa”. ¡Y claro que importa! Por ejemplo, supongamos que fabricamos un cubo de 1 cm de arista de un material muy reactivo; este tendrá una superficie de 6 cm2 y un volumen de 1 cm3. Su reac­ ­tividad (capacidad para reaccionar con el entorno) viene dada por esos 6 cm2 de superficie externa. Imaginemos que este cubo se trocea con una hipotética nanopicadora de forma que tras el triturado obtenemos mil trillones (1021) de nanocubos de 1 nm de arista. La suma del volumen de todos los nanocubos sigue siendo de 1 cm3, pero la superficie conjunta de estos nanoobjetos sería de 6.000 m2, por lo que la reactividad del cubo de partida habría aumentado ¡10 millones de veces! Los efectos de tamaño también se aprovechan en la industria de la electrónica. La miniaturización e integración de transistores (elementos básicos del procesado de la información) y bits (unidades binarias de almacenamiento infor­­ mación) han sido las claves del desarrollo de procesadores y discos duros o de estado sólido (Huertas et al., 2015). El fundador de la empresa Intel, G. Moore, predijo a principios de la década de 1970 que cada 18-24 meses se duplicaría el número de transistores que pueden integrarse por unidad de superficie. Este comportamiento, conocido como ley de Moo­­ re, se ha venido cumpliendo durante medio siglo impulsando la vertiginosa evolución de la industria de las tecnologías de la información y de las comunicaciones (TIC), y el fulgurante tránsito de una sociedad analógica a otra digital. En la práctica, la ley de Moore aplicada a nuestros bolsillos implica que cada pocos años estamos casi obligados a cambiar los dispositivos electrónicos ya que rápidamente estos se quedan obsoletos. Por cierto, en el mundo de la electrónica lo micro ya es algo retro y lo moderno es lo nano, por lo que hay que adaptarse a los tiempos. Los efectos descritos anteriormente, predecibles en el marco de la física clásica, son denominados efectos clásicos de 35

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tamaño. Esta predictibilidad es muy importante desde un punto de vista tecnológico. Además de estos efectos también existen los denominados efectos cuánticos de tamaño que requieren pensar en modo cuántico para ser entendidos. Pongamos un ejemplo. Las nanopartículas de ciertos materiales semiconductores (los puntos cuánticos) emiten luz de diferentes colores en función de su tamaño, de manera que las más grandes emiten colores rojizos mientras que las más pequeñas tienen tonalidades azules. Este cambio de coloración con el tamaño es una propiedad muy útil, de la que podemos sacar provecho, pero no se puede entender en el marco de la física clásica, por lo que recurramos a la mecánica cuántica. La luz emitida por la na­ ­nopartícula es una onda electromagnética que se origina cuando un electrón que ocupa un nivel de energía salta a otro nivel energético inferior que esté vacío. Esta onda electromagnética también se comporta como una partícula, el archiconocido fotón. La energía del fotón emitido coincide con la diferencia de energía entre los dos niveles electrónicos y a su vez es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética asociada, determinando la coloración de la luz emitida. La mecánica cuántica predice que la separación de los niveles electrónicos aumenta cuando el tamaño de la partícula disminuye. Ahora resulta más fácil entender que los fotones emitidos por los puntos cuánticos más grandes poseen menor energía que los que son emitidos por los más pequeños, lo que explica su diferente coloración. Este caso está impregnado de mecánica cuántica por todos los lados: dualidad onda-corpúsculo, niveles electrónicos, transiciones electrónicas, fotones… Más allá de la jerga, lo importante es asimilar que, controlando el tamaño del punto cuántico, se controla la posición de los niveles de energía y, en consecuencia, el color de la luz que esta emite. En otras ocasiones los efectos cuánticos se pueden manifestar con cambios abruptos de las propiedades, causados por las interferencias constructivas o destructivas de las ondas de materia descritas en la mecánica cuántica. De esta forma podemos encontrar tamaños concretos para los que una propiedad 36

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toma valores altos y otros para los que prácticamente desaparece, y esto puede tener gran utilidad para diseñar, por ejemplo, sensores. Por lo general, los efectos clásicos son los que prevalecen para tamaños relativamente grandes de los nanoobjetos, pero por debajo de un cierto tamaño característico, el comportamiento de una determinada propiedad ya no es predecible clásicamente. Este tamaño característico o crítico representa una frontera entre lo clásico y lo cuántico, y casualmente esta frontera toma valores nanométricos para muchas propiedades. De esta forma los nanoobjetos de mayor tamaño se comportan con clásica elegancia mientras que los que poseen tamaños inferiores a este valor crítico lo hacen con cuántica extravagancia, pero ambos comportamientos son predecibles y lo importante es controlar con precisión la composición y la geometría de los nanoobjetos, para variar a voluntad, dentro de ciertos rangos, sus propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas, ópticas, térmicas, etc. Se trata de sintonizar dichas propiedades, para obtener materiales a medida o a la carta dentro de los límites que ponen nuestra imaginación y la mecánica cuántica.

De lo sencillo a lo complejo Funcionalización En ciertas ocasiones se desea que un nanomaterial, además de las interesantes propiedades que posee, tenga otras que le permita desarrollar más funciones. Esto se logra mediante la incorporación al nanoobjeto original de otras nanoestructuras que le confieren nuevas capacidades. Se dice que el objeto de partida ha sido funcionalizado porque se dota de nuevas funciones. También se dice que tenemos un nanomaterial multifuncional. Para entender el concepto comparemos una simple navaja (una sola función) con una navaja suiza (muchas funciones). 37

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Volviendo al nanomundo, supongamos que tenemos una nanopartícula fabricada con un material magnético; dicho nanoobjeto puede realizar per se tres funciones: i) puede entrar, por su tamaño, en una célula; ii) puede actuar como agente de contraste al distinguirse fácilmente en un entorno biológico mediante un equipo de resonancia magnética nuclear (RMN), y iii) mediante campos magnéticos externos puede ser guiada en el cuerpo humano. Ahora imaginemos que esta nanopartícula se recubre con algunas moléculas de un fármaco para que pueda desempeñar otra función adicional: atacar una enfermedad o disminuir algunos síntomas de la misma. La nanopartícula podría moverse en un entorno biológico aplicando adecuadamente campos magnéticos y usarse para llevar fármacos a ciertos objetivos a la vez que un equipo de RMN la rastrea. Evidentemente, el valor añadido del nuevo sistema es mucho mayor que el de sus componentes por separado. Estas técnicas de funcionalización se pueden emplear con nanopartículas, nanohilos, nanotubos de carbono, fullerenos, grafeno, etc., usando diferentes métodos. Como resultado se obtienen materiales que pueden realizar tareas más complejas y sofisticadas. En otras ocasiones se desean construir estructuras de mayor tamaño a partir de otras menores con el fin de que las primeras lleven a cabo alguna función concreta. Para ello se pueden utilizar átomos o moléculas como bloques primordiales de construcción, como si se tratasen de módulos prefabricados. La ventaja de usar moléculas es clara porque permite ahorrar pasos en el proceso de construcción y porque hay una mayor variedad de moléculas que de especies atómicas. La formación de grandes estructuras supramoleculares se logra gracias a la capacidad de ciertas moléculas para acercarse, contactar y enlazarse selectivamente con otras en un proceso denominado reconocimiento molecular, haciendo que las entidades resultantes sean producto de la autoorganizacion o el autoensamblado. Multitud de procesos biológicos tienen su base precisamente en este tipo de mecanismos. Los fundamentos de la química supramolecular se deben a J. M. Lehn, C. J. Pedersen y D. J. Cram, que recibieron el Premio Nobel de Química en 1987. 38

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Nanomáquinas Dentro de una supramolécula los enlaces entre las moléculas que la componen pueden ser fuertes, de tipo covalente o electrostático, o más débiles como los originados por las fuerzas de Van der Waals o los puentes de hidrógeno. Los enlaces fuertes permiten obtener estructuras supramoleculares robustas y estables, mientras que los débiles proporcionan estructuras más blandas y flexibles. En este último caso se puede intentar que, además, los nanoobjetos sintetizados respondan mecánicamente, cambiando de forma, a la aplicación de un estímulo externo (voltaje, iluminación, pH). Estas deformaciones inducidas se pueden utilizar para construir nanoobjetos capaces de encogerse, estirarse, rotar, reptar o retorcerse, si es posible de manera reversible, y poder realizar diferentes trabajos mecánicos. Algunos de estos nanoobjetos son similares a los motores moleculares que existen en la naturaleza y que han despertado muchísimo interés en las últimas décadas. Los investigadores J. P. Sauvage, J. F. Stoddart y B. L. Feringa recibieron el Premio Nobel de Química de 2016 por su trabajo sobre los motores moleculares. La posibilidad de autoensamblar complejas nanoestructuras capaces de realizar movimientos controlados es el primer paso para la construcción de diferentes tipos de nanomáquinas. Hoy por hoy, las nanomáquinas que se logran sintetizar no sin cierta dificultad son relativamente sencillas. Sin embargo, todo este aprendizaje servirá para diseñar los nanorrobots que nos acompañarán en el futuro y de los que tanta literatura se ha escrito, primero fantástica y ahora más realista. La vida: nanotecnología avanzada El ejemplo de los motores moleculares nos invita a decir, con algo de arrogancia y permiso de la biología, que la vida es pura nanotecnología, conseguida mediante un proceso de evolución natural que ha requerido miles de millones de años para alcanzar tan alto grado de sofisticación. Una célula es un 39

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sistema complejo de varias micras de tamaño que funciona como una auténtica factoría en la que miles de componentes nanométricos especializados funcionan de una manera sincronizada mediante señales químicas o acciones mecánicas. Los virus son otros ejemplos de nanomáquinas capaces de realizar decenas de funciones biológicas a lo largo de su ciclo vital. Conocer lo que ocurre en las células o los virus es interesante para diseñar nanomáquinas. Hay que reconocer que aún nos encontramos lejos de fabricar nanorrobots que sean capaces de emular al más simple de los virus. Más allá de la organización y el funcionamiento de células y virus, la naturaleza proporciona asombrosos ejemplos en los que las nanoestructuras garantizan la supervivencia de algunas especies. Podemos mencionar las nanoestructuras de las alas de algunas mariposas que les proporcionan determinadas coloraciones, o las nanoestructuras hidrofóbicas (que repelen el agua) que se encuentran en las hojas de loto con el fin de evitar la proliferación de bacterias. La naturaleza es una fuente continua e inagotable de bioinspiración, proporcionando ejemplos que pueden servir para resolver algunos problemas con los que tropezamos a la hora de diseñar o fabricar nanomateriales. De arriba abajo y viceversa La vida es un ejemplo de organización de la materia realizada mediante el ensamblado de unidades pequeñas de una forma codificada, ordenada y jerárquica para componer estructuras complejas y sofisticadas. Esto es un ejemplo de construcción o fabricación de abajo arriba o de forma ascendente (bottomup). Los procesos bottom-up también son propios de la química dándose, por ejemplo, en la formación de sencillas moléculas a partir de los átomos, en la síntesis de una cadena polimérica a partir de monómeros o, como se ha visto anteriormente, cuando se forman complejas estructuras supramoleculares desde moléculas más sencillas. Sin embargo, para construir nanoobjetos y nanomateriales también se puede usar otra estrategia que opera de forma 40

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contraria a la ascendente, obteniéndose elementos nanométricos, a partir de otros de mayor tamaño. Esta aproximación de arriba abajo (top-down) nos ha acompañado durante mucho tiempo en nuestro devenir como especie, ya que durante siglos hemos tallado, pulido o grabado bloques de piedra o troncos de árboles para fabricar utensilios u ornamentos. Hoy en día muchas técnicas usadas para la fabricación de circuitos integrados son de tipo top-down, en las que los motivos que dan forma a transistores, electrodos, resistencias y condensadores que encontramos en un chip se obtienen mediante el ataque de un substrato a través de procedimientos químicos, mecánicos u ópticos. En un siglo hemos pasado de los buriles y formones para trabajar la madera a sofisticadas técnicas de litografía que modelan el nanomundo. Ambas aproximaciones, ascendente y descendente, son igualmente válidas si con ellas logramos el control de composiciones, tamaños y formas. Dependiendo del tipo de material a sintetizar o del dispositivo a fabricar, así como de los volúmenes de producción requeridos, se combinan tecnologías de los dos tipos con base en criterios de eficiencia, capacidad de producción, costes de implantación y de operación, seguridad laboral e impacto medioambiental. Es importante saber que la mayor parte de las propuestas científicas relativas a materiales o procedimientos no llegan a implementarse, a pesar de su espectacularidad o belleza, porque son convenientemente filtradas por un pragmatismo impuesto por limitaciones tecnológicas, financieras, éticas, sociales y legislativas.

La conquista del nanomundo Nanotecnología ancestral El control de la materia a escala nanométrica comenzó hace mucho tiempo, pues sabemos que nuestros antepasados, sin conocer los fundamentos de la estructura atómica de la materia, fabricaron algunos nanomateriales a base de la estrategia 41

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de más éxito en la antigüedad: observar, probar, errar o acertar, volver a probar o mejorar… Una vez definidos los procedimientos artesanales más adecuados, estos se guardaban secretamente en el ámbito familiar o gremial para mantener el dominio, la ventaja competitiva, en cierta actividad económica. “El conocimiento es poder”, según sentenció el filósofo F. Bacon, y esta verdad se ha agigantado con el paso del tiempo. Se han encontrado vestigios de nanopartículas de plomo en algunos maquillajes del Antiguo Egipto y se sabe que nanopartículas de oro, plata y cobre las utilizaron los romanos y en la Edad Media para proporcionar llamativos colores a objetos ornamentales de vidrio. Las nanopartículas metálicas son responsables del lustre de las piezas cerámicas fabricadas en varias regiones del Mediterráneo. Otros nanomateriales como los nanotubos de carbono se han encontrado en las legendarias, ligeras y letales espadas de Damasco. En Cen­ troamérica, los artesanos mayas elaboraban pintura azul ­ prácticamente indeleble (azul maya) gracias al uso de arcillas nanoporosas. En el siglo XIX, a la vez que M. Faraday estudiaba las propiedades de las suspensiones coloidales de oro, se utilizaron nanopartículas de haluros metálicos en las primeras placas fotográficas utilizadas por L. Daguerre (los famosos daguerrotipos). Los anteriores ejemplos son una muestra de lo que podría denominarse nanotecnología artesanal. Sin embargo, desde que se consolidó la teoría atómica en el siglo XIX se han desarrollado herramientas cada vez más precisas y sofisticadas que permitieron observar y manipular la materia a escalas cada vez más y más pequeñas. A lo largo del siglo XX se llevó a cabo una meticulosa y sistemática conquista de la microescala, y a finales del mismo siglo la humanidad estaba en condiciones de comenzar a explorar la nanoescala. Y así se hizo. La llegada de la nanotecnología ha sido la lógica consecuencia de un largo viaje impulsado por la curiosidad del ser humano y liderado por una serie de intrépidos aventureros del conocimiento que realizaron atrevidas propuestas, descubrieron materiales asombrosos o diseñaron 42

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instrumentos que ampliaron nuestros horizontes. O, más bien, los disminuyeron. Pioneros El físico estadounidense R. Feynman fue sin duda quien impulsó la exploración del nanomundo sin que este fuese su campo de trabajo, pues era experto en física teórica, disciplina en la que realizó contribuciones que le valieron el Premio Nobel de Física de 1965. A finales de la década de 1950, durante una conferencia celebrada ante la Sociedad Americana de Física, Feynman postuló que las leyes de la física no impedían a los seres humanos ver y manipular átomos de manera individual, prediciendo que algún día esto sería posible gracias a sofisticados equipos, lo que redundaría en grandes avances en instrumentación, electrónica y medicina (Feynman, 1960). Estas predicciones se realizaron cuando se estaban dando los primeros pasos en la industria de la microelectrónica hacia la miniaturización y únicamente habían transcurrido 12 años desde que J. Bardeen, W. H. Brattain y W. B. Shockley inventasen el primer transistor, descubrimiento por el que ganaron el Premio Nobel de Física en 1956. A finales de los años sesenta, J. R. Arthur y A. Y. Cho desarrollaron la técnica de crecimiento de materiales mediante epitaxia de haces moleculares (MBE). Esta técnica permite fabricar estructuras formadas por capas de composición controlada que pueden llegar a tener un solo átomo de espesor. Estas estructuras de multicapas (una especie de lasaña atómica) pueden ser posteriormente tratadas con métodos top-down para construir circuitos electrónicos y han permitido avanzar a las TIC con pasos agigantados hacia la miniaturización extrema. Años después, en 1974, el ingeniero japonés N. Taniguchi utilizó por primera vez la palabra “nanotecnología” para describir el conjunto de los métodos de producción necesarios para fabricar objetos ultrapequeños, del orden de 1 nm. De forma paralela a los avances en física e ingeniería, a lo largo de los años setenta y ochenta del siglo XX hubo un 43

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gran interés en el ámbito de la química por el estudio de pequeñas nanopartículas metálicas (entonces denominadas clusters) debido a sus interesantes propiedades como catalizadores de diferentes tipos de reacciones químicas. En el campo de la química del carbono, los investigadores H. Kroto, R. Curl y R. Smalley descubrieron en 1985 la molécula C60, formada por 60 átomos ordenados con un patrón similar al de un antiguo balón de fútbol. Esta elegante molécula es la más conocida de la extensa familia de los fullerenos, denominados así por su similitud con las asombrosas estructuras diseñadas por el arquitecto R. Buckminster Fuller. Este hallazgo mereció la concesión a sus descubridores del Premio Nobel de Química en el año 1996. La era del grafeno El carbono ha sido uno de los elementos de mayor importancia para nuestro desarrollo y sigue teniendo gran importancia en nanotecnología. Seis años después de la presentación en sociedad del C60, el científico japonés S. Iijima descubrió los nanotubos de carbono, formados por átomos de este elemento organizados con un patrón hexagonal. Estas estructuras tubulares, con diámetros y formas diversas, poseen unas excelentes propiedades eléctricas y mecánicas, por lo que han recibido mucha atención desde su descubrimiento. En el año 2004, cuando el estudio de los nanotubos de carbono estaba en pleno apogeo, los investigadores A. K. Geim y K. S. Novoselov de la Universidad de Mánchester, descubrieron el grafeno, otro material basado en el carbono en el que los átomos forman también una trama hexagonal bidimensional (2D) (Menéndez y Blanco, 2014). El grafeno siempre ha estado muy cerca, en el grafito, material formado por el apilamiento de muchas capas de grafeno. El grafeno es ligero, flexible, casi transparente, ultrarresistente a tracción y un conductor excelente de la electricidad y el calor. Con estas propiedades no es de extrañar que haya despertado el interés de miles de grupos de investigación para conocerlo mejor y lograr su producción en masa, 44

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con alta calidad, para aplicarlo en multitud de sectores. La relevancia del grafeno fue reconocida con el Premio Nobel de Física, otorgado a sus descubridores en 2010. Desde luego el grafeno, a pesar de su corta vida, no deja de sorprendernos. En estos años se ha descubierto que posee memoria de forma, que un solo átomo de hidrógeno adsorbido en su superficie genera un momento magnético y que cuando se recubre con hidrógeno se convierte en un material semiconductor. Quizás el descubrimiento más relevante lo realizó en 2018 un grupo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) liderado por el español P. Jarillo-Herrero. Estos encontraron que dos láminas de grafeno superpuestas rotadas entre sí 1,1 grados (un ángulo mágico) se comportan como un material superconductor, es decir, por debajo de una cierta temperatura crítica transportan la corriente eléctrica sin ofrecer resistencia. Por este hallazgo, el investigador español ganó en 2020 el Premio Wolf de las ciencias y arte concedido por la Fundación Wolf. Experimentos recientes realizados por un grupo de la Universidad de Stanford en EE UU sobre la misma configuración de grafeno han demostrado que este sistema posee interesantes propiedades magnéticas. El grafeno también ha servido de punto de partida para iniciar la exploración de muchos materiales bidimensionales (2D) como el germaneno, el siliceno, el fosforeno, el antimoneno, el trióxido de molibdeno, etc. Actualmente hay catalogados cerca de 1.800 materiales 2D y, con toda seguridad, algunos de ellos van a encontrar aplicación en el ámbito de la electrónica y la óptica. Por otro lado, parecería que la irrupción del grafeno ha eclipsado la investigación en los nanotubos de carbono, pero no ha sido así, dado sus interesantes propiedades. Por citar un ejemplo, un grupo de investigación estadounidense presentó en 2019 un material confeccionado con nanotubos de carbono que hasta la fecha tiene el récord de absorción de luz solar (hasta un 99,96%), con evidentes aplicaciones en captación de energía solar. Queda claro que el carbono, en sus diversas variantes, es uno de los protagonistas de la nanotecnología. 45

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CAPÍTULO 3

Del laboratorio a la fábrica

Explorando el nanomundo Nanoscopios Uno de los hitos más importantes de la nanotecnología tuvo lugar a principios de los años 1980, cuando H. Rohrer y G. Binnig, investigadores del laboratorio de IBM en Zúrich, desarrollaron un instrumento denominado microscopio de efecto túnel (STM). Este aparato consiste una pequeña punta metálica que se aproxima muchísimo, tan solo a pocas décimas de nanómetro, a una superficie conductora para luego rastrearla midiendo unas minúsculas corrientes eléctricas producidas debidas al efecto túnel, otro de esos fenómenos solo explicables en el marco de la mecánica cuántica. La punta se convierte en una sonda exploratoria de la superficie con una resolución tal que permite discernir un átomo de sus vecinos. Esta estrategia de exploración ha impulsado el desarrollo de una familia de instrumentos, los microscopios de campo cercano (SPM) basados en el estudio de muestras a escala local gracias al rastreo a pequeña distancia (Ramos Vega, 2020). Los distintos tipos de microscopios SPM se basan en los diferentes tipos de interacciones que son capaces de detectar las puntas (sondas) que poseen unas propiedades específicas. 46

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El más usado de estos equipos es el microscopio de fuerzas atómicas (AFM), en el que una pequeña punta que se encuentra al final de una palanquita flexible rastrea la superficie midiendo las débiles fuerzas de distinto tipo que aparecen entre la punta y las estructuras superficiales. Con ayuda de una sofisticada electrónica de control y un avanzado software, este instrumento permite estudiar material biológico, visibilizar las tenues nubes electrónicas asociadas a los niveles de energía de las moléculas, los denominados orbitales moleculares, o medir el momento magnético de un único átomo, quizás el bit más pequeño imaginable. La versatilidad y el relativo bajo coste de las herramientas SPM explican que se hayan convertido en equipos indispensables en muchos laboratorios académicos o industriales. Figura 2 Esquemas de un microscopio de efecto túnel (STM) (izquierda) y de un microscopio de fuerzas atómicas (AFM) (derecha). Sistema piezoeléctrico del movimiento x, y, z

Micropalanca con la superficie metalizada

Haz láser Detector del haz láser

Punta metálica

Punta Voltaje aplicado entre punta y superficie

Superficie conductora

Superficie de cualquier material

Microscopio de efecto túnel (STM)

Microscopio de fuerzas atómicas (AFM)

Fuente: Elaboración propia.

Grandes instrumentos Antes de la invención de los equipos SPM, la herramienta habitualmente empleada para observar el nanomundo era el 47

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microscopio electrónico de transmisión (TEM), desarrollado por E. Ruska y M. Knoll hace casi 90 años. Mediante intensos campos eléctricos, estos equipos aceleran electrones hasta que adquieren velocidades elevadas, para luego hacerlos incidir sobre la muestra que se desea estudiar mediante lentes electromagnéticas. Al aumentar la velocidad de los electrones disminuye su longitud de onda (recordemos que los electrones además de partículas también son ondas) hasta ser comparable con el tamaño de los objetos que se desea detectar, los átomos. Al atravesar la muestra los electrones incidentes generan la emisión de más electrones y rayos X que son recogidos por detectores para ser analizados con el fin de determinar la estructura y la composición de la zona estudiada. Este complejo proceso proporciona resultados impresionantes pues los modernos TEM alcanzan una resolución de pocos picómetros (la milésima parte de un nanómetro), desvelando con detalle la estructura y composición de muchos materiales. E. Ruska, H. Rohrer y G. Binnig compartieron en 1986 el Premio Nobel de Física por su impulso a la instrumentación que permite observar el nanomundo. Los microscopios TEM también se han aplicado con éxito al estudio de materiales y entidades biológicas para lo que es necesario inmovilizar los átomos descendiendo la temperatura de la muestra. Esta técnica denominada criomicroscopía (crioTEM) de alta resolución permite conocer la posición de los átomos que forman una biomolécula. Por este desarrollo sus inventores, J. Dubochet, J. Frank y R. Henderson, ganaron el Premio Nobel en Química del año 2017. Por cierto, en el año 2019 se instaló un potente crio-TEM en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB) perteneciente al CSIC. También es posible utilizar rayos X como sondas exploratorias, gracias a su pequeña longitud de onda, que inciden en la muestra provocando la emisión de electrones de alta energía. El análisis de los haces difractados por la muestra y de los electrones emitidos permite reconstruir la estructura atómica de la muestra. Estos experimentos se llevan a cabo en difractómetros de rayos X que se encuentran en muchos laboratorios, pero en muchos casos es preferible acudir a los 48

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gigantescos sincrotrones, capaces de producir ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y de gran intensidad. Estas fuentes de luz sincrotrón las aprovechan los laboratorios ubicados en las mismas instalaciones del sincrotrón para descifrar la estructura de materiales sometidos a diferentes condiciones, proteínas, fármacos, virus, etc.5. Además de los instrumentos descritos someramente, los centros de investigación disponen de innumerables técnicas que permiten una completa caracterización de materiales procedentes de la naturaleza o creados en laboratorios o factorías. De esta forma, cualquier nanomaterial es sistemáticamente analizado consiguiendo una valiosa una información sobre su tamaño, forma, composición y estructura, así como de las propiedades que exhibe, lo que permite establecer una relación entre la estructura del nanomaterial y sus propiedades. Conocer esta relación es importante porque a su vez sirve para determinar si los procesos de síntesis o fabricación han tenido éxito y estimar su influencia en las características y propiedades del material resultante. De esta forma, las personas que se dedican a la investigación van perfeccionando tanto los materiales como los procesos necesarios para obtenerlos, moviendo la potente rueda de la ciencia: sintetizar, observar, medir, caracterizar, analizar, relacionar, entender, teorizar, modelizar, aprender, corregir, mejorar, sintetizar, observar, medir…

Hacia la producción en masa Manipulando átomos y moléculas En 1986, el investigador estadounidense K. E. Drexler propuso la creación de unas entidades (que denominó ensambladores 5.  España cuenta con el sincrotrón ALBA, ubicado en Cerdanyola del Vallès, muy cerca del campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Se trata de una Infraestructura Científico Técnica Singular (ICTS) cogestionada por la Administración General del Estado y la Generalitat de Cataluña. En este campus también se ubican varios institutos del CSIC, convirtiéndolo en un conglomerado científico de primera magnitud.

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universales) capaces de construir, átomo a átomo, diferentes tipos de nanoobjetos de la misma forma que ahora los robots ensamblan piezas de un automóvil en una cadena de montaje (Drexler, 1986). Esta propuesta fue criticada por buena parte de la comunidad científica como acredita la polémica mantenida entre el propio E. Drexler con R. Smalley (uno de los descubridores del C60). No está claro si algún día existirán estos ensambladores universales, pero lo que sí se conoce es la manera de manipular la materia átomo a átomo. En 1989 el equipo dirigido por D. Eigler, del centro de investigaciones de IBM en San José, California, escribió el logotipo de su empresa sobre una superficie de níquel con 35 átomos de xenón convenientemente dispuestos. Para ello empleó un microscopio STM que, además de visualizar los átomos, podía situarlos en las ubicaciones que se desease. Las técnicas SPM, además de observar la materia a escala nanométrica, se han ido convirtiendo en estas tres últimas décadas en herramientas capaces de mover átomos, moléculas y otros nanoobjetos. Esta capacidad de posicionar un átomo en el lugar que se desee ha permitido visualizar reacciones entre átomos y moléculas o construir sobre una superficie estructuras que serían inestables sin presencia de un soporte, como sucedió en 2019, cuando un grupo del laboratorio de IBM en Zúrich logró sintetizar la esquiva molécula C18, una bella estructura de forma anular. Las técnicas SPM también han inspirado otras formas de depositar moléculas sobre una superficie a más velocidad, y algo menos de control, utilizando la punta de microscopio como si fuese la punta de una pluma estilográfica que descarga tinta sobre un papel. Esta técnica se denomina litografía dip pen, nombre derivado de la denominación de la plumilla en inglés. En otros casos, la punta del microscopio realiza una litografía por oxidación local dibujando motivos nanométricos sobre una superficie de silicio mediante la aplicación, en presencia de agua, de una corriente entre la punta y la superficie, lo que da lugar a la formación de nanoestructuras de óxido de silicio a medida que la punta se desplaza de una manera controlada. 50

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También existen otras maneras de manipular nanoobjetos como la proporcionada por las pinzas ópticas, que utilizan uno o varios haces láser para crear una trampa óptica que permite confinar y mover átomos, moléculas o nanopartículas. Con estos instrumentos se han estudiado las débiles fuerzas involucradas en la actividad de muchas entidades biológicas como cadenas de ADN, proteínas, virus y bacterias. En 2018, A. Ashkin ganó el Premio Nobel de Física por el desarrollo de las pinzas ópticas y su aplicación a sistemas biológicos (galardón compartido con G. Mourou y D. Strickland por el desarrollo de pulsos ópticos ultracortos). En cualquier caso, las técnicas de manipulación atómica y molecular basadas en pinzas ópticas o en los microscopios SPM son muy interesantes para la realización de experimentos de interés para la ciencia básica, pero aún están lejos de proporcionar una vía realista para la producción industrial de nanomateriales y nanodispositivos. Autoensamblado y papiroflexia molecular Ya hemos visto que los procesos de reconocimiento molecular y autoensamblado permiten crear estructuras supramoleculares de diferente grado de complejidad. Ahora imaginemos, por ejemplo, que fuese necesario recubrir una superficie con otro material formado por cierto tipo de moléculas para protegerla o dotarla de una nueva funcionalidad. Mover una a una los miles de billones de moléculas requeridas para cubrir 1 cm2 no tiene mucho sentido además de ser inviable. Una aproximación más inteligente consiste en emplear moléculas diseñadas de forma tal que se reconozcan las unas a las otras y se autoorganicen sobre dicha superficie formando un patrón ordenado. La capa resultante, que se forma espontáneamente, tiene el espesor de una única molécula por lo que se denominan monocapa autoensamblada (SAM). De esta forma se logra que grandes superficies se recubran a gran velocidad siendo las propias moléculas las que se encargan del trabajo. 51

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Otras técnicas constructivas de objetos nanométricos están basadas en el autoensamblado de moléculas orgánicas de mayor complejidad como aminoácidos, pequeñas proteínas o sofisticados anticuerpos, pero esta aproximación ha alcanzado niveles increíbles de sofisticación con el descubrimiento del origami de ADN (Rothemund, 2006). En este caso, una molécula de ADN es sintetizada artificialmente conteniendo una secuencia de código genético diseñada a priori, en la que se codifican las bases nitrogenadas del ADN, adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T), de tal manera que unas secciones de dicha cadena puedan enlazarse con otras aprovechando la complementariedad de las bases (A-T y C-G). El emparejamiento de estas secciones ocurre bajo ciertas condiciones controlables dando lugar a un plegado que sigue una secuencia concreta de pasos codificados en el ADN y que recuerda al que se emplea en el origami (papiroflexia), solo que en este caso el resultado es un nanoobjeto de ADN con la forma programada: un emoticono, un plano de un continente o un pequeño contenedor capaz de encerrar otras moléculas. Como siempre ocurre en ciencia, el origami de ADN ha servido de idea germinal a partir de la que proponen otras estrategias similares de ensamblado de nanoestructuras hechas a partir de cadenas de aminoácidos, proteínas, polímeros, etc. En muchas ocasiones se requiere que los materiales posean poros de tamaño nanométrico (materiales nanoporosos) que pueden utilizarse como filtros selectivos, almacén de moléculas o pequeños reactores químicos. Mediante diversas reacciones químicas se pueden sintetizar materiales inorgánicos porosos como las zeolitas (basadas en silicatos de aluminio) o la sepiolita (basada en silicatos de magnesio). Otros materiales nanoporosos se obtienen a partir de moléculas orgánicas como ocurre con las estructuras reticulares metal-orgánicas (MOF) o las estructuras reticulares de moléculas orgánicas enlazadas covalentemente (COF). Todos estos materiales poseen fascinantes y esbeltas arquitecturas cristalinas, atravesadas por canales que forman cavidades, siendo otro ejemplo de materiales producidos a partir del autoensamblado de unidades más 52

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pequeñas. Estos ejemplos muestran procesos bottom-up que están más próximos a los que se requieren para dar el salto a una fabricación a gran escala. Nanofabricación y salas blancas Algunos sectores como la electrónica llevan muchos años avanzando hacia la miniaturización extrema, controlando la materia a escala nanométrica gracias a sofisticadas técnicas como el MBE, del que ya hemos hablado. En otros sectores industriales que requieren la formación de recubrimientos sobre superficies también se requiere un buen control de la composición y espesor de las capas de distintos materiales. Acabamos de mencionar que las capas autoensambladas permiten obtener recubrimientos moleculares, relativamente blan­­dos, pero en muchas aplicaciones se requieren otros más resistentes, como los que pueden conseguirse con métodos rela­­tivamente sencillos como la evaporación de materiales sobre superficies. Existen otros métodos más sofisticados para recubrir materiales como la deposición química en fase de vapor (CVD) y la deposición de capas atómicas (ALD). Algunas tecnologías para lograr recubrimientos, como el CVD, también se aplican en la fabricación a gran escala de materiales como los nanotubos de carbono o el grafeno. Además de estas técnicas se han desarrollado otras muchas que permiten la fabricación de nanomateriales tanto en pequeñas cantidades, para uso en laboratorio, como en grandes volúmenes, de interés para la producción industrial. Podemos mencionar la síntesis hidrotermal, el método sol-gel, la pirólisis láser, la pirólisis de tipo espray, los métodos de coprecipitación, etc. El catálogo de técnicas es muy extenso y permite enfrentarnos a muchos retos a la hora de sintetizar nuevos materiales. También se pueden crear nanoestructuras mediante la manipulación de haces de diverso tipo (luz, electrones o iones) que, dotados de la suficiente energía, dañan la superficie en la que inciden. Estas aproximaciones top-down permiten dibujar motivos de anchura nanométrica o esculpir las superficies 53

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para generar nanoestructuras, trabajando como lo haría un diestro escultor del nanomundo que utilizase nanocinceles. Una de las herramientas litográficas más conocida el FIB (focused ion beam), que emplea haces de iones para tallar nanoestructuras con detalles del orden de los 10 nm. En los últimos años se han realizado espectaculares avances en las técnicas que permiten la creación de objetos mediante la impresión en tres dimensiones (3D). De esta forma se comienzan a diseñar y hacer realidad complejas estructuras de metales, materiales cerámicos, semiconductores, etc., que tienen partes de tamaño nanométrico junto con otras de mayor tamaño. En 2018, por ilustrar un caso concreto, la investigadora J. Greer del Instituto Tecnológico de California (Caltech) presentó un método de fabricación aditiva en 3D con el que se crean complejas estructuras metálicas de sorprendentes propie­ ­dades mecánicas a partir de la deposición controlada de átomos de níquel mediante el uso de una técnica litográfica basada en los patrones de interferencia de haces de luz láser. También se han planteado otras estrategias con las que aumentar el ritmo de producción de nanoestructuras. Este es el caso de la litografía por nanoimpresión (NIL). Para poner en práctica este método, en primer lugar, se prepara un molde o plancha con los patrones nanométricos esculpidos sobre una superficie de cierta dureza usando FIB u otras técnicas litográficas. Posteriormente se emplea este molde para replicar una y otra vez sus motivos sobre materiales más blandos, de tipo polimérico, en un proceso que recuerda al estampado industrial de tejidos. Muchas de las técnicas de síntesis y fabricación mencionadas hasta ahora pueden combinarse entre sí para obtener nuevos procedimientos con los que obtener estructuras más complejas. Por ejemplo, es posible usar los nanoobjetos creados mediante autoensamblado molecular u origami de ADN, como si fuesen andamios o plantillas que pueden recubrirse con átomos de diferentes especies químicas consiguiendo nanoestructuras con la forma de la plantilla original, pero con mejores prestaciones mecánicas, ópticas o eléctricas. 54

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En ocasiones ocurre que algunas de las herramientas que hemos mencionado requieren trabajar de forma secuencial, por fases, hasta conseguir el resultado final, por lo que se ubican adecuadamente en las denominadas salas blancas, espacios en los que el ambiente debe permanecer obsesivamente limpio de todo tipo de partículas contaminantes; ubicadas en empresas o en centros de investigación, se fabrican dispositivos de gran complejidad de aplicación en diversos sectores6. Conviene recordar que la construcción, el mantenimiento y la operación de infraestructuras grandes y medianas dedicadas a la fabricación y caracterización de nanomateriales, como salas blancas, centros de microscopía avanzada o sincrotrones, requieren costosas inversiones en equipamiento, personal, operación y mantenimiento, pero son ciertamente imprescindibles si una nación apuesta por hacer investigación de primer nivel. ¿Nos imaginamos a un experimentado corredor de Fórmula 1 compitiendo al volante de un SEAT Panda? Pues la ciencia, tan colaborativa y tan competitiva a la vez, necesita de profesionales cualificados y los mejores equipamientos. Son costosos los recursos invertidos, pero traen avances que diferencian la prosperidad de las naciones.

Convergencias tecnológicas Nano, bio, info, cogno Como hemos constatado, la nanotecnología avanza mediante la confluencia de ideas y metodologías de diversa procedencia, haciendo evidente su origen multidisciplinar. Este mestizaje hace que la nanotecnología tenga un carácter transversal y facilitador, con impacto en muchos sectores productivos, tal 6.  En España hay varias instalaciones de este tipo, pero destaca el conjunto de la Red de Salas Blancas de Micro y Nanofabricación formada por el Centro Na­­ cional de Microelectrónica del CSIC (Barcelona), el Instituto de Sistemas Op­­ toelectrónicos de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y el Centro de Tecnología Nanofotónica de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV).

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y como ocurre con las TIC y la biotecnología. En el caso de las TIC, su penetración en todos los sectores industriales y ámbitos de la vida en poco menos de medio siglo ha supuesto una revolución que será objeto de estudio por los historiadores del futuro. Por su parte, la biotecnología es la inevitable manifestación del gigantesco avance que la biología está experimentando, dando soporte a la producción de fármacos, variedades de especies de interés agrícola, alimentos o biocombustibles, por citar unos ejemplos. Un interesante aspecto de las tecnologías de tipo transversal y facilitador es su relativa capacidad para hibridarse entre sí, dando lugar a resultados inesperados. Hay muchos y llamativos ejemplos que ponen de manifiesto la creativa combinación de conocimientos aportados por biólogos, químicos, físicos e ingenieros. Podemos ilustrar este cóctel con el caso del uso de virus modificados genéticamente que son usados como plantillas con las que sintetizar nanohilos metálicos que pueden integrarse en condensadores de alta capacidad. Esta propuesta fue realizada hace más de una década por la investigadora A. Belcher mientras trabajaba en el MIT. Otro ejemplo es el de un grupo chino que logró en 2016 fabricar hilos de seda de altas prestaciones mecánicas y eléctricas gracias a la colaboración desinteresada de gusanos de seda alimentados con hojas de morera sazonadas con aditivos de grafeno o nanotubos de carbono. Al año siguiente un grupo norteamericano conseguía almacenar una película en una cadena de ADN y su posterior reproducción usando métodos propios de la biotecnología. Es decir, es posible que un día usemos un teléfono móvil cuya resistente carcasa esté fabricada con materiales hechos por gusanos de seda, que incorpore sistemas de almacenamiento de carga eléctrica creados a partir de cultivos de virus mutantes, y que reproduzca películas grabadas en el ADN de bacterias. Llegar a utilizar un producto así, basado en conocimientos ya adquiridos, podría ser una exagerada predicción, de esas que seguramente no se cumplan jamás, pero sirve para ilustrar cómo se está fraguando una convergencia tecnológica 56

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entre cuatro disciplinas que se encuentran en diferentes etapas de maduración: la nanotecnología, la biotecnología, las ciencias de la información y las neurociencias o ciencias del conocimiento. Para denominar a este proceso convergente se eligió el nombre de convergencia NBIC, de nano, bio, info y cogno, que describen los cuatro campos convergentes. También se utilizó durante un tiempo la denominación BANG, algo más sonora, que hace referencia a bits, átomos, neuronas y genes, entidades de referencia de dichos campos. Ondas K La convergencia de conocimientos y técnicas de diferentes procedencias favorece, mediante un efecto sinérgico y multiplicador, la formación de ondas u oleadas tecnológicas (Fontela, 2006). Este fenómeno fue descrito por el economista ruso N. Kondrátiev, quien identificó ciclos económicos largos, de unos 50 años, denominados ondas K o ciclos Kondrátiev. Posterior­­ mente, el economista J. A. Schumpeter, vinculó estos ciclos a una acumulación inicial de innovaciones de carácter disruptivo que impulsan cambios en productos, servicios y modelos de negocio, seguida por un periodo de maduración y saturación de la economía, a la espera de la siguiente ola convergente. Se han llegado a identificar casi una veintena de ondas K que explican los cambios económicos desde la Edad Media y, al parecer, las próximas décadas podrían ser testigos de una nueva onda K propiciada, a juicio de los expertos, por la convergencia NBIC. Pero conviene no adelantar acontecimientos ya que la convergencia NBIC requiere maduración y las economías están sujetas a situaciones imprevistas como la vivida como consecuencia de la pandemia de COVID-19. Por el momento la nanotecnología, la biotecnología y las TIC están confluyendo con cierta rapidez, mientras que las neurociencias serán las últimas en sumarse al proceso convergente, aunque se debe mencionar que ya hay interesantes progresos de integración entre la nanotecnología, la inteligencia artificial y el desarrollo de interfaces hombre-máquina (Silva, 2018). 57

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Durante el proceso de convergencia NBIC se van fraguando disrupciones tecnológicas que facilitan la puesta en marcha de nuevos modelos de negocio en los que el conocimiento adquiere particular protagonismo al convertirse en un factor de producción por encima de los factores tradicionales (recursos naturales, capital, recursos humanos, emprendimiento empresarial y recursos tecnológicos). Es posible que la convergencia NBIC sea uno de los pilares sobre los que se construya la economía del conocimiento, término acuñado por la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico (OCDE) en 1996, que se ha convertido en un mantra mencionado hasta la extenuación por economistas, responsables públicos, políticos, periodistas o tertulianos. Este modelo, que antepone el conocimiento a otros factores de producción, se beneficiará del tsunami K generado por la convergencia NBIC pero, en cualquier caso, está obligado a convertirse en una de las palancas con las que impulsar el tránsito hacia un modelo económico-social sostenible.

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CAPÍTULO 4

El nanomundo y los ODS

La apuesta por la nanotecnología Grandes inversiones A finales del pasado siglo, muchos países comenzaron a posicionarse estratégicamente en la carrera por el control del nanomundo. En el año 2000, durante el mandato del presidente de EE UU Bill Clinton, el gobierno federal aprobó un programa con el que potenciar la investigación en nanotecnología e impulsar su salto desde los laboratorios a las empresas. Este plan estratégico, todavía en marcha, conocido como la Ini­ ­ciativa Nacional de Nanotecnología (NNI), ha invertido la considerable cantidad de 31.000 millones de dólares entre 2001 y 2021. No es nada extraño que EE UU lanzará una iniciativa de este tipo pues los poderes públicos de este país cuentan con potentes órganos de asesoramiento científico y con excelentes sistemas de transferencia del conocimiento desde los centros de investigación a las empresas, a lo que se debe añadir que muchas de ellas realizan actividades de I+D de manera intensiva. Por otra parte, EE UU anhelaba conseguir la supremacía mundial en nanotecnología pues, a finales del siglo XX, Euro­­pa y Japón lideraban este campo y, desde la 59

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óptica norteamericana, su posición de cierta debilidad podría mermar la futura competitividad de su tejido empresarial. Tras la iniciativa de EE UU, otros países siguieron el mismo rumbo poniendo en marcha estrategias análogas, respaldadas por considerables inversiones, con el fin de no quedar rezagados en el momento de recoger los beneficios prometidos por la nanotecnología. La carrera por la explotación del nanomundo había comenzado. En el caso de la UE, la nanotecnología ha sido identificada como una tecnología facilitadora esencial (KET) para la industria europea, por lo que ha sido generosamente financiada en las últimas dos décadas, pudiéndose estimar, por ejemplo, que entre un 15-20% de la financiación de la investigación europea está directa o indirectamente relacionada con este campo científico-técnico. En el caso de España, la Red Española de Nanotecnología (NanoSpain), que ahora cuenta con casi 400 grupos de investigación, fue fundada en el año 2000 para facilitar la relación entre los mismos y conseguir que la nanotecnología se integrase en las estrategias de política científica de las diferentes administraciones. El gobierno español y las comunidades autónomas, las universidades, instituciones como el CSIC y muchas empresas pusieron en marcha diversos proyectos y programas, entre las que destaca la Acción Estratégica de Nanociencia y Nanotecnología entre 2004 y 2011. En el marco de esta estrategia se financiaron numerosos proyectos nacionales e internacionales y, junto con el gobierno de Portugal, se creó el Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología (INL) ubicado en la hermosa ciudad lusitana de Braga. Por su parte, los gobiernos autonómicos, en colabo­­ ración con universidades y otras entidades, construyeron y dotaron varios centros de investigación que realizan investigación en nanotecnología. Tal es el caso del Institutos Ma­­ drileño de Estudios Avanzados (IMDEA Nanociencia), el Instituto Universitario de Investigación en Nanociencia de Aragón (INA), el Centro de Investigación Cooperativa en Nano­­ciencia del País Vasco (NanoGUNE), el Centro Andaluz de Nano­­medicina y Biotecnología (BIONAND), el Instituto 60

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de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) o el Centro de Tecno­­ logía Nanofotónica de Valencia (NTC). En lo que respecta al CSIC, en la actualidad cuenta con más de un centenar de grupos de investigación que trabajan en nanotecnología, y ha creado, en colaboración con otras instituciones, el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), ubicado en el campus de la UAB y el Centro de Investigación en Nano­ ­tecnología y Nanomateriales (CINN), en Asturias. Publicaciones y patentes Las inversiones realizadas para promover la investigación en nanotecnología no tienen nada que envidiar a las que han recibido otras grandes iniciativas científico-técnicas como el proyecto para descubrir el genoma humano, la construcción de grandes aceleradores de partículas o el proyecto para llevar una tripulación humana a la superficie de Marte. El primer efecto de las inversiones en nanotecnología fue el notable incremento del número de expertos y expertas en este campo; la segunda consecuencia, ligada a la anterior, ha sido el considerable aumento del número de artículos publicados en revistas científicas internacionales. Recordemos que los artículos científicos son pequeñas unidades de conocimiento, contrastado y sometido a evaluación de otros expertos (pares), que van construyendo y dando forma al edificio de la ciencia. En el periodo 2000-2019 se publicaron 1.750.000 artículos sobre nanotecnología de los que cerca del 75% aparecieron entre 2010-2019. Solo en 2019 se publicaron más de 170.000 artículos sobre el tema. ¡Todo un aluvión de resultados, inventos y propuestas! EE UU logró rápidamente el ansiado liderazgo mundial en cuanto a producción científica, pero este privilegiado puesto pasó a ocuparlo la República Popular China en 2008. En el año 2020 los diez países con mayor producción científica en nanotecnología fueron (por orden decreciente del número de artículos publicados): China, EE UU, India, Irán, Co­­rea del Sur, Alemania, Japón, Reino Unido, Rusia y Francia. 61

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Esta clasificación también muestra que el centro de gravedad del conocimiento se va desplazando hacia los países asiáticos, muchos de los cuales han pasado de albergar factorías de productos de bajo coste a liderar la industria tecnológica del siglo XXI. España ocupó en 2020 la decimotercera posición, tres posiciones menos desde 2010, aunque sigue teniendo una posición privilegiada y muestra que mantiene buenos niveles de investigación y de formación de personal investigador, aunque en la última década, tras la atroz crisis y una lenta e incompleta recuperación, se esté funcionando con la reserva del depósito7. El número de publicaciones científicas no es un indicador adecuado para determinar si la nanotecnología está llegando o no a los sectores de aplicación, pues únicamente algunas de las ideas que se amasan en los laboratorios son susceptibles de transformarse en bienes y productos tangibles, en un proceso de selección tecnológica. Dado que las ideas con más potencial para su transferencia al sector productivo habitualmente son protegidas mediante el registro de patentes en diferentes entidades nacionales o internacionales, el número de patentes puede considerarse un primer indicio de la posible aplicación del conocimiento. Como era de esperar, a la vez que se producía el rápido incremento de las publicaciones en nanotecnología se observó una tendencia análoga en el número de patentes en este campo. En el año 2001 se registraron 243 patentes en la Ofi­­ cina Europea de Patentes (OEP) sobre esta temática, mientras que en 2020 fueron 3.138. Los países que lideraron los registros de patentes durante 2020 en la OEP fueron (en orden decreciente del número de patentes): EE UU, Alemania, Corea del Sur, Japón, Francia, Reino Unido, China, Suiza, Holanda e Italia. Si se revisan los datos de la Oficia de Patentes y Marcas de EE UU (USPTO) se observa que este país 7.  En relación con la formación, hay que destacar el grado en nanotecnología ofertado por la UAB y los variados programas de máster y escuelas de doctorado relacionados con esta temática que se han ido consolidando en la oferta de muchas universidades españolas.

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también lideró la clasificación mundial, pero en el resto de esta clasificación se pone de manifiesto un claro dominio de los países asiáticos. Por el momento China no ha superado a EE UU, como consecuencia del lógico desfase que existe entre la generación del conocimiento básico y su salto al terreno de la aplicación, pero es fácil intuir que en los próximos años asistiremos a un cambio en el liderazgo mundial de este indicador. El papel de España en cuanto a la protección del conocimiento es menos destacado que el que posee en producción científica. En la clasificación de solicitudes de patentes registradas en la OEP durante el año 2019 España aparece en decimotercera posición, pero desciende hasta el puesto vigesimosegundo en la USPTO. En el caso de la clasificación de España en la OEP, el resultado parece consistente con nuestra producción de artículos, pero resulta interesante estudiar los resultados de producción científica y de patentes en relación al número de habitantes, de forma que se puedan comparar España y Alemania, un país de referencia en nuestro entorno. Cuando se analizan los datos del año 2020, Alemania y España tienen un número similar de publicaciones en nanotecnología por millón de habitantes (108 y 103, respectivamente), pero las entidades alemanas registraron en la OEP unas cuatro veces más patentes por millón de habitantes que las españolas. Por cierto, la entidad española que más patentes internacionales posee en el ámbito de nanotecnología es el CSIC (Maira, 2018), lo que supone un éxito para una institución pública pero refleja el menor protagonismo de las empresas españolas a la hora de generar y proteger el conocimiento. Claro que en España contamos con grandes y buenas empresas tecnológicas, sin duda alguna, pero debería haber muchas más, de mayor entidad y con más presencia internacional. Para añadir una pizca de moderado optimismo hay que mencionar que el número de empresas dedicadas a la nanotecnología, muchas de ellas pequeñas spin-off de universidades y centros de investigación, ha aumentado en los últimos años. En particular, el CSIC ha auspiciado la creación de más de una decena de estas empresas. Es muy importante que el 63

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esfuerzo de los emprendedores tecnológicos se valore desde las administraciones públicas y que estas iniciativas se cuiden con mimo porque necesitamos que algunas de ellas se unan, a medio o largo plazo, al club de los gigantes tecnológicos europeos. El nanomercado: invisible, ubicuo y creciente Debido a su carácter multidisciplinar, el uso de la nanotecnología se extenderá de forma invisible, transversalmente, afectando prácticamente a todos los sectores de aplicación que podamos imaginar, de forma similar a lo ocurrido con las TIC. En algunos casos la parte nano de los productos desarrollados se reducirá a un pequeño porcentaje de nanomateriales incorporados en otros materiales convencionales. En otros casos, los componentes nanométricos serán la parte esencial del producto como ocurre en los procesadores y memorias de nuestros ordenadores o en algunos productos farmacéuticos. La menor presencia de la nanotecnología en algunos sectores se debe a la falta de procesos adecuados para obtener producciones masivas de productos o a la existencia de barreras de tipo normativo que limitan el uso de algunos nanomateriales. Tampoco hay que olvidar la reacción de los con­ ­sumidores (en realidad deberíamos hablar ya de prosumidores, según lo definió el escritor norteamericanos A. Toffler), quienes pueden determinar el fracaso de algunos productos si estos no se perciben como seguros para la salud o el medioambiente. Parece evidente que la nanotecnología es una herramienta que impulsa la competitividad de las empresas manufactureras y de servicios. La estimación del impacto económico generado por esa mejora no es nada fácil ya que los datos necesarios para su cálculo se encuentran dispersos en las declaraciones sobre ventas, informes del tráfico mundial de productos, balances comerciales, etc. Los expertos estiman que el volumen del mercado de productos nanotecnológicos ha sido de unos 80.000 millones de dólares en el año 2020 y que 64

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crecerá un 50% en los próximos 4 o 5 años. Son números impresionantes que demuestran que las inversiones iniciadas hace dos décadas comienzan a dar sus frutos. Una forma de determinar si la nanotecnología está llegando realmente a nuestras vidas es realizar un análisis de los mercados, elaborando inventarios de aquellos productos en los que los nanomateriales se detallan en su composición, lo que no siempre sucede porque la normativa sobre el etiquetado o la información que se da al consumidor varían de un país a otro. En muchas ocasiones es difícil saber, por ejemplo, si en unas zapatillas deportivas fabricadas en Tailandia hay nanotubos de carbono o si se han añadido nanopartículas de TiO2 en una pintura para recubrir fachadas que se fabrica en Indonesia. Aunque conseguir los datos es una tarea compleja, existen varias entidades que se dedican a identificar aquellos productos que contienen nanocomponentes o nanomateriales. Hace más de 15 años el instituto Wilson Research Centre de EE UU puso en marcha el Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes (PEN) que identificó entonces unos 2.000 nanoproductos comercializados fundamentalmente en EE UU. Más recientemente, varias entidades danesas han creado el repositorio The Nanodatabase8 donde aparecen descritos más de 4.000 productos que encontramos en comercios europeos. Pero, sin duda alguna, es la iniciativa Nanotechnology Products Database9 (patrocinada por el gobierno de Irán) la de mayor importancia porque recoge productos comercializados en muchos países, incluyendo la considerable aportación del mercado asiático. En la tabla 2 se muestra el número de productos que aparecen en las distintas categorías usadas en este repositorio, que cuenta actualmente con casi 9.000 referencias. Se constata que la electrónica y la medicina son los dos sectores en los que aparecen más productos, lo que precisamente anticipó R. Feynman hace más de medio siglo. 8.  Para más información puede consultarse https://www.nanodb.dk/ 9.  En https://product.statnano.com/

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¡De vez en cuando los gurúes sí que aciertan! Además de estos sectores, se pone de manifiesto el impacto de la nano­­ tecnología en construcción, cosmética, textiles, automoción, medioambiente, etc., reflejando su carácter ubicuo y transversal. Tabla 2 Número de productos comerciales basados en nanotecnología a 1 de marzo de 2021. SECTOR

PRODUCTOS (Nº)

SECTOR

PRODUCTOS (Nº)

Electrónica

1.925

Alimentación

347

Medicina

1.081

Aparatos domésticos

324

Construcción

863

Energías renovables

297

Cosmética

850

Petróleo

291

Textil

778

Agricultura

231

Automoción

635

Impresión

154

Medioambiente

551

Material deportivo

Otros

509

Total

144 8.980

Fuente: Nanotechnology Products Database (https://product.statnano.com/).

Otra forma de estimar el impacto de los nanoproductos consiste en acudir directamente al mercado, aunque sea con la cesta de la compra virtual. Es recomendable visitar la página web de Alibaba10, el gigante asiático del comercio online, donde se pueden adquirir productos como perfumes, ropa, material deportivo, muebles, herramientas, teléfonos y… ¡nanomateriales! Por ejemplo, aparecen casi 2.200 productos diferentes cuando se teclea “nanoparticle” en el buscador de dicha página. Algunos son equipos para fabricar, procesar o analizar nanopartículas, pero por lo general los productos hacen referencia a nanopartículas de diferentes materiales con diferentes características (pureza, tamaño, uso, etc.). Cuando se busca información sobre nanotubos de carbono o grafeno volvemos a encontrar miles de registros; casi 9.000 para el 10. Véase https://www.alibaba.com/

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novedoso grafeno. El número de productos ofertados varía de mes a mes por lo que las cantidades antes indicadas pueden ser distintas cuando alguien realice la búsqueda espoleado por su curiosidad. Los nanomateriales de gran pureza o con características bien definidas, por lo general, solo se pueden adquirir en pequeñas cantidades y a elevados precios. Sin embargo, cuando se trata de nanomateriales menos elaborados, con composiciones y distribuciones de tamaños con cierto margen de error, se encuentran numerosas empresas que únicamente tramitan pedidos mínimos de varias toneladas. Es decir, si una persona está interesada puede adquirir, en principio, un contenedor con miles de kilogramos de nanomateriales a granel. En realidad, desde un país de la Unión Europea no sería tan sencillo realizar un pedido debido a la aplicación de normas más restrictivas para la importación y utilización de nanomateriales, pero en otras regiones del mundo acceder a grandes cantidades de nanomateriales es bastante fácil. El enorme mercado de los nanomateriales se ha consolidado porque se han desarrollado potentes tecnologías que han multiplicado la capacidad de producción de nanopartículas, nanotubos o grafeno. En el año 2010 la producción de nanomateriales fue cercana a las 300.000 toneladas métricas (Keller et al., 2013) y se estima que en 2020 se han superado los tres millones de toneladas anuales. Solo en China hay varias compañías capaces de producir decenas de miles de toneladas anuales de diferentes tipos de nanomateriales. Hay que añadir que la gran oferta de nanomateriales también es consecuencia de la fuerte demanda de los mismos, pues muchas empresas se han percatado de las ventajas que proporcionan a sus productos. Todo indica que el uso de nanomateriales va a continuar creciendo a buen ritmo durante las próximas décadas y parece que este auge ha llamado la atención de inversores, hasta el punto de que ahora mismo existen varios índices bursátiles basados en empresas del sector de la nanotecnología. 67

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La conexión nano-ODS En el capítulo 1 quedó patente que el conocimiento científico-técnico va a ser un elemento clave para proporcionar soluciones con las que alcanzar el cumplimiento de los ODS. Dado el amplio arsenal de herramientas y materiales vinculados a la nanotecnología, junto con su carácter transversal, es evidente que el conocimiento del nanomundo tiene bastante que aportar en la implementación de los ODS. La nanotecnología con su visión multidisciplinar, holística e integradora seguramente será capaz de aportar recetas con las que resolver algunos de los problemas globales e interconectados que nos afectan (Roco, 2005; Diallo, 2013). La vinculación entre el nanomundo y el desarrollo sostenible no es nueva, pues durante la implantación de los ODM se realizaron interesantes propuestas basadas en la nanotecnología encaminadas hacia la mejora de las condiciones de vida de las personas que habitan en las regiones más desfavorecidas (SalamancaBuentello et al., 2005; Foladori e Invernizzi 2005). Dado que en esos momentos la nanotecnología estaba aún en su adolescencia no tuvo la influencia esperada en la consecución de los ODM. También entonces comenzaron a plantearse importantes asuntos como las diferencias regionales en cuanto al desarrollo de la nanotecnología, y las posibles consecuencias para la salud y el medioambiente de un uso descontrolado de los nanomateriales. Muchas de esas reflexiones mantienen su valor en la actualidad, pero ahora ya es más nítida la aportación que la nanotecnología puede hacer al desarrollo sostenible, a la vez que empiezan a sopesarse con más rigor los po­­ sibles impactos negativos de los nanomateriales (Bermejo y Serena, 2017). Un análisis pormenorizado de los temas que configuran cada uno de los ODS permite estimar el previsible impacto de la nanotecnología en los mismos. De los 169 temas o tareas que encontramos en los 17 ODS, hay 38 de ellos que, en mayor o menor medida, tienen conexión con los desarrollos derivados de la nanotecnología. En la figura 3 se muestra de una 68

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manera gráfica dicho impacto, que se ha determinado mediante una asignación de pesos a cada tema o tarea dentro de cada ODS en función de su relación con la nanotecnología. Aunque totalmente subjetiva, esta asignación es una buena aproximación para poner el foco en las áreas en las que el conocimiento del nanomundo puede impulsar la consecución de algunos de los ODS. Figura 3 Impacto de la nanotecnología en los diferentes ODS. La anchura de cada flecha es proporcional al impacto.

Fuente: Elaboración propia.

Como era previsible, la influencia de la nanotecnología sobre los objetivos de la Agenda 2030 va a ser heterogénea, siendo los ODS 2, 3, 6, 7, 8, 9, 11 y 12 los que van a aprovechar en mayor medida las aportaciones de la nanotecnología, pues corresponden a campos de investigación y sectores de aplicación relacionados con la agroalimentación, la salud, el acceso al agua, el uso de energías renovables, la construcción, la producción industrial sostenible o la electrónica. 69

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La nanotecnología no va tener un impacto tan marcado en los otros ODS, aunque es posible que en algunos de ellos realice aportaciones indirectas mediante esa presencia invisible que tiene en muchos materiales, dispositivos y servicios. Por mencionar uno de los muchos ejemplos que se nos pueden venir a la cabeza, el acceso a la educación o el incremento de la participación ciudadana en la toma de decisiones son aspectos vinculados a diferentes ODS que pueden avanzar con la ayuda de potentes y eficientes dispositivos electrónicos, pantallas de visualización de datos y baterías, que mejorarán considerablemente gracias al impulso de la nanotecnología.

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CAPÍTULO 5

Somos agua, somos energía

Nanotecnología para el tratamiento del agua Un mundo sediento Entre el 50 y el 60% de la masa de una persona adulta es agua. Somos agua, al menos en gran parte, y la necesitamos para sobrevivir. Para cubrir las necesidades más básicas de los seres humanos, relacionadas con la alimentación y la higiene, diariamente se requieren unos 50 litros de agua por persona, según la Organización Mundial de la Salud, pero las cifras de consumo de agua per cápita varían mucho de un país a otro. En España cada persona, en promedio, consume más de 300 litros diarios teniendo en cuenta tanto el consumo doméstico (en torno a un tercio de esta cantidad) como la parte que corresponde a la producción agrícola, ganadera e industrial, la limpieza de las ciudades, al riego de parques, al ocio, etc. En países como EE UU o Australia el consumo por habitante es mucho mayor, duplicando o triplicando al de España, respectivamente. En el extremo opuesto, hay muchos países en los que sus habitantes deben conformarse con unas pocas decenas de litros por día, cantidad insuficiente para asegurar su supervivencia. La mayor parte del agua que existe en nuestro planeta es salada, no apta para el consumo, el uso agrario o las actividades 71

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industriales, por lo que el agua dulce es un valioso y limitado recurso. La huella hídrica de la humanidad se ha multiplicado por seis en el último siglo por el aumento de la población y la mejora, en general, de su calidad de vida. Además, la actividad humana ha causado daños sobre las reservas de agua dulce, bien por la sobreexplotación de las mismas para hacer habitables grandes núcleos urbanos y aumentar la producción agropecuaria o bien por la descontrolada acumulación de residuos y contaminantes. A todo lo anterior hay que añadir los negativos efectos del cambio climático sobre los recursos hídricos. El cóctel de estos elementos ya genera graves consecuencias sobre los ecosistemas pero, siendo egoístamente antropocéntricos, también suponen un serio problema para un 40% de los seres humanos, que viven en una situación de permanente escasez de agua (UNESCO, 2020). Las personas que habitamos las zonas más favorecidas del planeta vivimos ajenas a esos problemas porque con un sencillo movimiento de la mano abrimos un grifo para beber agua, cocer un alimento, asearnos o lavar la ropa. Tampoco somos conscientes de la inmensa huella hídrica indirecta que generamos. Cuando comemos una pieza de fruta esta huella es de unos 50-100 litros de agua, mientras que degustar una chuleta de ternera requiere del uso de más de ¡5.000 litros! No se trata de tener que manejar continuamente una hidrocalculadora, pero conviene reflexionar sobre el impacto de nuestra forma de vida. En este cada vez más árido escenario, ¿qué pueden aportar la ciencia y el conocimiento? Son muchas las propuestas procedentes de diversas disciplinas y, como veremos a continuación, la contribución de la nanotecnología no iba a ser una excepción (Álvarez, 2018; Gehrke, 2015). Descontaminación del agua La contaminación de ríos, lagos y mares es uno de los mayores problemas causados por la industrialización masiva y la creación de megaurbes, a lo que hay que sumar raquíticas políticas de dotación de infraestructuras que permitan el 72

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tratamiento de residuos. La depuración y la descontaminación del agua forman parte de las tareas requeridas para conseguir el ODS2 (alimentación universal y segura), el ODS6 (acceso universal al agua) y el ODS14 (conservación de océanos). Es fácil visualizar la capacidad de los materiales nanoporosos para actuar como filtros o tamices moleculares, separando del agua aquellas estructuras que son más grandes que el diámetro de los diminutos poros como moléculas grandes, proteínas, virus y bacterias. Se han probado, con buenos resultados, dispositivos filtrantes fabricados con diferentes materiales nanoporosos como zeolitas, sepiolita, estructuras MOF, polímeros, nanotubos de carbono, grafeno, etc. El filtrado de agua es interesante pero no permite la eliminación de moléculas de sustancias contaminantes. Esto se puede lograr usando nanomateriales de gran superficie específica que tengan actividad fotocatalítica, es decir, que son capaces de absorber parte de la energía solar para catalizar (facilitar) reacciones de oxidación o de reducción que favorecen la descomposición de dichas sustancias contaminantes. Los nanomateriales fotocatalizadores más empleados son el dióxido de titanio (TiO2) y el óxido de zinc (ZnO). Estos materiales, en presencia de agua y de luz, favorecen la creación de radicales libres, especies oxidativas de gran reactividad que son capaces de dañar virus y bacterias. Por cierto, otros nanomateriales que han demostrado tener efectos bactericidas son las nanopartículas de ciertos metales, láminas nanométricas de óxido de grafeno, etc. Mediantes diversos procedimientos de síntesis química también se están diseñando materiales capaces de extraer del agua algún elemento químico tóxico. En muchas regiones de Bangladesh, India, Argentina, Etiopía, México e incluso Es­­ paña, como sucedió en el acuífero de Los Arenales, en Castilla y León, la contaminación por arsénico pone en riesgo la salud de sus habitantes. Es posible capturar este elemento usando materiales formados por nanofibras de óxido de mangane­ ­so recubiertas por nanopartículas de hidróxido férrico. Tam­­ bién se pueden sintetizar materiales nanoporosos tipo MOF o 73

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zeolíticos, cuya composición y estructura puede optimizarse para atrapar selectivamente iones de elementos contaminantes o pequeñas moléculas orgánicas. En este sentido, destaca el trabajo de la investigadora I. Díaz Carretero del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP) del CSIC, quien ha estudiado la eliminación de flúor y arsénico mediante zeolitas naturales, permitiendo poner en marcha un par de plantas potabilizadoras de Etiopía. Se trata, sin duda, de un exitoso ejemplo de colaboración internacional que ilustra el uso de los nanomateriales para remediar problemas medioambientales en países con menor desarrollo económico. Existen otras propuestas para descontaminar el agua muy imaginativas. Supongamos que nanopartículas magnéticas (de óxido de hierro, por ejemplo) se funcionalizan con moléculas capaces de enlazarse a las de una sustancia contaminante, y que añadimos muchas de estas nanopartículas funcionalizadas a un depósito donde entra agua contaminada, de forma que las moléculas de la sustancia contaminante se ven atrapadas por estas nanopartículas. A continuación, el agua pasaría a un segundo depósito donde un electroimán extraería las nanopartículas con su carga contaminante. Pos­ ­te­­riormente se separaría el contaminante recuperando las nanopartículas funcionalizadas, que regresarían al primer depósito para efectuar su cíclica tarea. La sustancia contaminante, una vez separada, sería convenientemente tratada. Este proceso de separación magnética puede perfeccionarse para lograr la eliminación simultánea de varios contaminantes. Otras variantes de esta estrategia se pueden emplear para controlar la expansión de vertidos de petróleo o de otras sustancias en ríos y mares. En muchos laboratorios se trabaja para hacer realidad este tipo de soluciones pero se deben destacar las investigaciones del grupo de S. Veintemillas y M. P. Morales del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) del CSIC para mejorar el tratamiento de aguas residuales urbanas. Como puede verse, la nanotecnología hace que deje de tener validez el antiguo proverbio africano que afirma “el agua sucia no puede lavarse”. 74

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Beberse el mar Muchas regiones del planeta carecen de recursos suficientes de agua dulce a la vez que tienen a su disposición ingentes cantidades de agua marina. Desde hace varias décadas se ha hecho un esfuerzo muy grande por transformar el agua del mar en agua con muy baja salinidad, lo que se ha logrado mediante grandes plantas desaladoras que utilizan el proceso de ósmosis inversa pasa separar la sal del agua. Sin embargo, los costes del proceso de desalación siguen siendo elevados porque requiere un gran aporte energético, un tratamiento adecuado de la salmuera producida (residuo de agua con elevada concentración de sal) y un continuo mantenimiento que evite el deterioro por corrosión de las instalaciones. La nanotecnología se está usando para optimizar los materiales que se emplean en las membranas que realizan la separación de la sal del agua marina, y además ha permitido diseñar procesos de nanofiltración como alternativa a la ósmosis inversa. Por ejemplo, se han creado materiales a partir de nanotubos de carbono con poros de menos de 1 nm de diámetro que son competitivos con las membranas comerciales. Hace tres años, grupos de investigación de los centros IMDEA Materiales e IMDEA Energía ubicados en Madrid, crearon un tejido nanohíbrido a partir de la combinación de nanotubos de carbono con materiales cerámicos. El material resultante conduce bien la electricidad a la vez que resiste la corrosión propia de entorno salino, por lo que se puede emplear para fabricar los electrodos usados en otro tipo de proceso de desalación conocido como desionización capacitiva. El grafeno, ¡cómo no!, también tiene algo que aportar en el ámbito de la desalación. Recientemente, un equipo chino ha desarrollado un dispositivo de desalación fabricado a partir de óxido de grafeno y de materiales aislantes térmicos que es capaz de desalinizar el agua con una eficiencia del 80% utilizando únicamente energía solar. Este tipo de tecnología, aún en fase embrionaria, puede llegar a ser muy competitiva frente a la ósmosis inversa. 75

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Tampoco hay que olvidar que una parte importante del aprovechamiento de los recursos hídricos pasa por controlar en tiempo real la calidad del agua, lo que se puede conseguir mediante el desarrollo de nanosensores, que se integrarían en diminutas estaciones de muestreo que operarían en red, mejorando la detección de contaminantes químicos y agentes biológicos en ríos, lagos, mares, embalses y redes de suministro de agua. Finalmente se debe destacar que muchas de las tecnologías descritas en este apartado tienen un coste de fabricación y de operación relativamente bajo, lo que facilitará su implantación en aquellos países con menor desarrollo económico, un aspecto de gran importancia para que puedan alcanzar los ODS.

Nanomateriales para la energía Fin de fiesta Como ya se mencionó anteriormente, no se puede entender la evolución de la humanidad en los últimos siglos sin la explotación de diversas fuentes no renovables de energía, que hasta hace medio siglo fueron consideradas inagotables. En realidad seguimos viviendo en una fiesta del consumo energético, bastante adictivo, a la que los seres humanos de todo tipo, credo y condición quieren sumarse. En las últimas décadas parece que comenzamos a asumir la realidad: los recursos tar­­ de o temprano se acabarán y tendremos que enfrentamos a las consecuencias del consumo energético desaforado (elevada concentración de CO2 en la atmósfera, cambio climático, etc.). Nuestras economías, nuestras sociedades, deben sufrir un proceso de urgente descarbonización, pero los tozudos datos indican que las emisiones de este gas seguirán aumentando hasta 2050. La energía hidroeléctrica no tiene mucho más potencial de crecimiento y la energía nuclear de fisión no parece la 76

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mejor opción tras el desastre de la central nuclear japonesa de Fukushima de 2011. Por lo tanto es el momento de mejorar la gestión de los recursos existentes y de impulsar definitivamente el desarrollo de las energías renovables, a lo que aspira el ODS7 de la Agenda 2030. No hay otra opción aunque siempre hay quien se empeña en mantener lo contrario. La nanotecnología, como se verá a continuación, formará parte de las herramientas del conocimiento que van a utilizarse para lograr la consecución del ODS7 (Serrano et al., 2009; Gómez-Romero, 2010; Hussein, 2015). Consumir menos Una primera estrategia que debe aplicarse es la del ahorro energético, prescindiendo de superfluos gastos. Sin embargo, este es un asunto de difícil resolución, que requiere mucha pedagogía para superar la adicción energética que todos padecemos consciente o inconscientemente. Otra estrategia consiste en buscar la forma de satisfacer nuestras necesidades con un menor consumo energético. Esto se ha conseguido en el ámbito de la iluminación gracias a la implantación del diodo de emisión láser o LED, un dispositivo emisor de luz fabricado con métodos y conceptos propios de la nanotecnología. Los LED fueron descubiertos en la década de 1960 y han ido teniendo diversos usos a medida que se han ido consiguiendo emisiones de luz con diferentes coloraciones. Dicho color se puede controlar gracias al uso de distintos materiales que se com­­binan formando capas de distintos espesores de tamaño nanométrico. Los LED que emitían luz roja fueron los primeros en inventarse y posteriormente llegaron los de color verde. Ambos se usaron en el ámbito de las TIC. A finales del siglo pasado los investigadores japoneses I. Akasaki, H. Amano y S. Nakamura desarrollaron el esquivo LED azul, lo que facilitó la irrupción de los sistemas de iluminación LED de luz blanca mediante la adecuada combinación de los colores rojo, verde y azul. Este descubrimiento fue reconocido en 2014 con el Premio Nobel de Física. Una bombilla LED consume aproximadamente cinco 77

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veces menos energía y dura unas 50 veces más que una de filamento incandescente, proporcionando una intensidad luminosa similar. Esto explica la rápida desaparición de las bombillas incandescentes inventadas por T. A. Edison hace más de un siglo. La tecnología LED también ha tenido gran impacto en las televisiones y en las pantallas para la visualización de datos. En tres décadas se ha pasado de los voluminosos equipos construidos mediante tubos de rayos catódicos (CRT) a las pantallas planas de televisores o teléfonos móviles basadas en LED orgánicos (OLED). Por cierto, en algunos casos, los píxeles de las pantallas OLED incluyen nanopartículas de materiales semiconductores que refuerzan la emisión de luz, como ocurre en los equipos de las empresas Samsung o LG. Este salto tecnológico ha permitido fabricar pantallas más ligeras y de menor consumo energético por unidad de superficie, facilitando la portabilidad de los dispositivos que ahora condicionan nuestra forma de vida. El sistema basado en la combinación de patios, persianas, vegetación y fuentes, usado desde antaño en regiones cálidas para proporcionar confort a las casas y edificios en verano ha sido sustituido por equipos de aire acondicionado que realizan un gran gasto energético. Una astuta forma de ahorrar energía en nuestros hogares y oficinas consiste en utilizar paneles y ventanas transparentes que tienen la capacidad de oscurecerse en presencia de luz, evitando que el sol penetre en el interior. Estos elementos constructivos se fabrican con materiales fotocrómicos, que cambian de coloración en presencia de luz. La nanotecnología permite fabricar materiales nanoporosos donde se insertan moléculas que poseen carácter fotocrómico, logrando aumentar la estabilidad de las moléculas y la duración del material resultante. El ahorro energético también está llegando a otros sectores como el de la automoción, mayoritariamente basada en los motores de explosión. Es posible reducir considerablemente el consumo de combustible y la emisión de gases nocivos mediante el aligeramiento de las carrocerías usando 78

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materiales nanohíbridos, mejorando los lubricantes con nanopartículas, introduciendo nanosensores en los sistemas de gestión electrónica y utilizando sofisticados conversores catalíticos que contienen nanopartículas de paladio, platino o rodio. Sin embargo, el parque automovilístico mundial crece al ritmo que lo hace el número de habitantes del planeta (y su capacidad para adquirir un vehículo propio), por lo que mejorar los motores de explosión es solo una estrategia transitoria hacia la implantación de los vehículos eléctricos, de los que hablaremos más adelante. Imitando a las plantas Cada año se lanzan a la atmósfera cerca de 36.000 millones de toneladas de CO2 (según los datos de 2019), lo que significa que cada habitante de nuestro planeta deja una huella de unas cinco toneladas anuales de este gas de efecto invernadero. Además, a esta cantidad hay que añadir un 10% adicional correspondiente a la propia respiración. Mientras se produce la transición hacia la completa implantación de las energías renovables se deben desarrollar otras estrategias de mitigación para intentar capturar la mayor cantidad posible de CO2 con el fin de almacenarlo y quitarlo de la circulación (atmosférica). Dejar de respirar ayudaría algo, pero tiene efectos colaterales poco deseables, por lo que es mejor poner en marcha otras iniciativas como campañas de reforestación intensiva a modo de primer paso para volver a fijar una parte del carbono, aunque se debe prestar atención a la manera de realizarlas para evitar daños a la biodiversidad o favorecer los grandes incendios forestales. Por otro lado, hay que pensar que el carbono que hay en la atmósfera procede de las sucesivas cubiertas vegetales que fueron quedando enterradas en tiempos remotos, por lo que seguramente se necesitarían varios planetas como la Tie­ ­rra cubiertos de bosques para poder restablecer los niveles preindustriales de CO2 en la atmósfera. Otra alternativa es la del enterramiento de CO2 en lugares y condiciones adecuadas 79

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a miles de metros de profundidad. Este enterramiento puede verse como una devolución al subsuelo del carbono que se le ha arrebatado desde la Revolución industrial en forma de carbón, petróleo o gas natural. Este reintegro es una tarea muy compleja, pues requiere costosas instalaciones y mucha energía que habría que generar de manera renovable, si se desea re­­ ducir la concentración neta de CO2 en la atmósfera. Desde la nanotecnología se ha propuesto el uso de diferentes nanomate­ ­riales porosos para optimizar los sistemas de captación y almacenamiento de las moléculas de CO2 aumentando la capacidad de los depósitos subterráneos. Sin embargo, enterrar carbono es un parche transitorio y no parece la mejor solución a me­­ dio o largo plazo, en un contexto en el que van a seguir creciendo las emisiones de CO2 en los próximos 30 años. Parece que se debe ir más allá del mero almacenamiento creando otro tipo de dispositivos, como los basados en materiales que contienen nanopartículas de metales de transición capaces de catalizar ciertas reacciones que transforman el CO2 capturado en sustancias orgánicas de diverso tipo, incluidos los biocombustibles. El funcionamiento de estos dispositivos se basa en procesos que siguen requiriendo una considerable cantidad de energía. Una solución más interesante se logra mediante la fotosíntesis artificial basada en la capacidad de ciertos materiales y dispositivos para transformar el CO2 en otras sustancias mediante acción directa de la energía solar, de la misma manera que las células vegetales realizan la fotosíntesis gracias a la clorofila. En el año 2011, el grupo dirigido por D. G. Nocera, quien entonces trabajaba en el MIT, desarrolló la primera hoja artificial fabricada a partir de silicio, níquel, cobalto y otros catalizadores, que lograba descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno. Al año siguiente, la empresa Panasonic presentó un sistema de fotosíntesis artificial, con el aspecto de un panel solar, fabricado con un material semiconductor de nitruro de galio e indio, capaz de convertir el CO2 en biocombustible. En 2019, un equipo de la Universidad de Cambridge presentó diversos prototipos de hojas artificiales con sofisticadas 80

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combinaciones de nanomateriales semiconductores que, a partir de agua, CO2 y luz solar, producen oxígeno y ácido fórmico, sustancia que puede usarse bien directamente o sirve para producir hidrógeno, del que hablaremos al final del capítulo. Parece que ya hay una gran variedad de propuestas de sistemas de fotosíntesis artificial que están consiguiendo rendimientos superiores a los de las propias plantas. Sin embargo, estos sistemas son aún muy caros para su implantación masiva. Cuando se abaraten los costes de producción quizás será posible disponer de instalaciones que vayan devorando el CO2 atmosférico por acción del Sol, produciendo diversos productos orgánicos. Hoy por hoy, a muchos nos sigue gustando más la idea de un árbol frondoso de gran tamaño como dispositivo conversor de energía solar en materia orgánica, pero ya veremos lo que nos deparará el futuro. Bóreas y Helios Almacenar CO2 o convertirlo en materia orgánica son soluciones insuficientes para frenar el aumento de su concentración en la atmósfera, por lo que cada vez resulta más urgente que entren en escena, con fuerza, las energías renovables, explotando dos recursos sobradamente conocidos por la humanidad: el viento y el sol. Eso sí, esta vez tienen que trabajar conjuntamente en lugar de competir entre sí, como ocurría en la conocida fábula de Esopo, Bóreas y Helios (el viento septentrional y el Sol). La energía eólica es la fuente de energía renovable que más auge ha experimentado en las tres últimas décadas. Ade­ ­más, nos resulta muy familiar pues, a pesar de la crisis eco­­ nómica que ralentizó las inversiones en este sector, España es el quinto país del mundo por potencia eólica instalada detrás de China, Estados Unidos, Alemania e India. Los aerogeneradores han ido aumentando de tamaño con el fin de poder incrementar su potencia, lo que requiere diseños y materiales cada vez más sofisticados. El uso de composites basados en 81

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polímeros y nanotubos de carbono o grafeno facilitará la construcción de descomunales aerogeneradores capaces de soportar las condiciones extremas que se dan en crestas montañosas o la elevada salinidad en el caso de las instalaciones en zonas costeras o mar adentro. Los combustibles fósiles, la energía eólica y la hidroeléctrica tienen su origen en la radiación solar, por lo que quizás lo más inteligente sea obtener la energía directamente del sol prescindiendo de intermediarios. Una primera opción consiste en generar y controlar pequeñas estrellas en la Tierra, imitando los procesos de fusión nuclear que ocurren en el Sol, pero aún estamos aprendiendo a hacerlo. La segunda aproximación, utilizada en centrales termosolares, consiste en aprovechar la radiación que nos llega del Sol, concentrando mediante espejos la energía recibida sobre circuitos de agua, para crear vapor con el que mover turbinas y generar electricidad. Esta segunda aproximación requiere materiales que soporten bien altas temperaturas o las condiciones ambientales de operación. La tercera opción es la generación fotovoltaica. Esta tecnología utiliza paneles solares formados por celdas o células solares que convierten directamente la luz solar en energía eléc­­ trica aprovechando el efecto fotoeléctrico, que esencialmente consiste en la emisión de electrones por un material cuando este es iluminado. Este efecto fue explicado por A. Einstein en 1905, recibiendo así el Premio Nobel de Física en 1921. En el caso de las células solares se utilizan materiales semiconductores en los que hay dos tipos de niveles de energía: por un lado, los inferiores ocupados por electrones y, por otro, los superiores, usualmente vacíos. Cuando un haz luminoso, formado por fotones con la energía adecuada, llega al material semiconductor, estos transfieren su energía a los electrones para que salten desde los niveles inferiores de energía a los superiores. Los electrones ubicados en los niveles superiores poseen una mayor movilidad y así crean una corriente que fluye por la celda solar gracias a los campos eléctricos producidos en su interior por los materiales semiconductores tras 82

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ser tratados convenientemente para formar regiones con diferentes dopados (tipo p o tipo n, con defecto o exceso de electrones, respectivamente). Como resultado se logra la conversión parcial de la energía de los fotones en corriente eléctrica. Aunque parece una idea compleja que requiere un diseño costoso, no lo es tanto en comparación con un procesador dedicado al cálculo. Las celdas solares se caracterizan por un parámetro denominado eficiencia máxima, que indica la fracción de la potencia energética de la luz solar que se puede convertir en potencia eléctrica. La eficiencia está determinada por las propiedades físicas de los materiales utilizados y el diseño de la célula. La gran mayoría de las células fotovoltaicas que se utilizan actualmente se basan en el abundante silicio y poseen eficiencias inferiores al 20%. Además del silicio existen muchos tipos de materiales semiconductores (GaAs, GaInAs, GaInGe, GaInN, etc.) con altas eficiencias en algunos rangos del espectro visible, pero su coste es más elevado por lo que solo se utilizan en aplicaciones muy específicas. Las técnicas empleadas en la fabricación de las células solares son análogas a las usadas en la nanoelectrónica, lo que permite integrar en las mismas distintos elementos como diminutos espejos y lentes que concentran la luz sobre las zonas activas de la celda logrando aumentar la producción de electricidad. En otras ocasiones sobre las células solares se crean nanoestructuras 3D con diversas formas que permiten captar la luz de forma mucho más eficiente, imitando nanoestructuras como las que se encuentran en las alas de la mariposa negra o de la mariposa morfo azul gigante. También es posible fabricar celdas solares formadas por capas nanométricas de diferentes materiales semiconductores con los espesores adecuados de forma que cada una de estas capas se encarga de convertir en electricidad la radiación procedente de una parte del espectro solar, consiguiendo un mayor aprovechamiento de la energía incidente. En el año 2020 un grupo del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE UU (NREL) alcanzó una eficiencia del 47% usando una célula de tipo multicapa. 83

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A la hora de fabricar células solares también se pueden emplear materiales semiconductores de origen orgánico, de menor eficiencia pero que poseen otras ventajas como menor coste, mayor ligereza y cierta flexibilidad. La eficiencia de estas células se ha ido mejorando mediante el añadido de nanotubos de carbono o grafeno al material orgánico original, y en algunos casos se logran eficiencias cercanas al 20%. La versatilidad de este tipo de materiales fotovoltaicos orgánicos es muy grande, por lo que es posible integrar­­los en superficies curvas, productos textiles, etc., haciendo que tejados, velas de barco, invernaderos, lonas publicitarias, entre otros, puedan convertirse en minigeneradores fotovoltaicos. Hace una década parecía que todos los materiales fotovoltaicos habían entrado en escena. ¡Craso error! En el año 2012, grupos de investigación de Suiza, Corea del Sur y Rei­ ­no Unido demostraron las excelentes propiedades de unos materiales con estructura cristalina de tipo perovskita para la generación fotovoltaica. Se trata de materiales con una mayor complejidad que la mostrada por los elegantes cristales de silicio, pero, ante el asombro general y en menos de ocho años, la eficiencia conseguida por esta nueva familia de células solares ha pasado del 5 al 25%, un ritmo de crecimiento nunca antes visto. Estas nuevas celdas se han convertido en unas atractivas candidatas para desbancar a las basadas en silicio, pero aún quedan por resolver algunas cuestiones relativas a la estabilidad y durabilidad de los materiales, la obtención de grandes superficies y el escalado industrial. Es recomendable visitar la página web del NREL11 para seguir la apasionante competición entre las diferentes tecnologías fotovoltaicas en su pugna por conseguir mayores eficiencias. Las innovaciones en materiales, diseños y procesos de producción han hecho que la energía solar ya sea plenamente competitiva. El papel de las administraciones públicas es crítico para que estas tecnologías aumenten su contribución en el 11. Véase https://www.nrel.gov/

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denominado mix energético de cada país para avanzar hacia la descarbonización de la economía. En España, tras un periodo de cierto estancamiento, se ha reactivado el sector de la producción renovable. En el año 2020 las energías limpias representaban ya un poco más del 50% de la capacidad de generación eléctrica de España. De toda la capacidad basada en fuentes renovables, el 47% corresponde a la energía eólica, el 16% a la fotovoltaica y el 37% restante a otras tecnologías renovables. Está claro que hemos sabido obtener los favores de Bóreas pero hay margen para aprovechar nuestra relación con Helios (que ya nos ayuda bastante con otra fuente de riqueza: el turismo solar). Parece que vamos en la buena dirección, como muestra la entrada en funcionamiento en 2020 de la planta fotovoltaica más grande de Europa en Usagre (Badajoz). Por cierto, estas avanzadas plantas de producción también son elementos que ayudan a sostener la población y diversificar la economía de las zonas rurales. Quien guarda, halla Una adecuada gestión de la energía eléctrica ha de tener en cuenta también su almacenamiento para facilitar su posterior uso en fábricas, hogares, sistemas portátiles de todo tipo y medios de transporte. Existen diversas formas de almacenar la energía producida. Un curioso ejemplo del uso del alma­­ cenamiento de energía a gran escala para satisfacer los picos de demanda lo encontramos en las centrales hidroeléctricas de bombeo, sistemas de almacenamiento gravitatorio, poco eficientes y condicionados por el régimen de lluvias. En cuanto al almacenamiento de energía para teléfonos móviles, equipos portátiles, sistemas de alimentación ininterrumpida y vehículos eléctricos es indudable que las baterías siguen siendo un elemento imprescindible. El interés del sector de las comunicaciones por desarrollar baterías avanzadas es enorme ya que cada año se venden 1.400 millones de teléfonos móviles y unos 300 millones de ordenadores portátiles. El mercado de baterías para vehículos eléctricos o híbridos es 85

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más modesto, pero se espera un crecimiento gigantesco a medida que estos vehículos sustituyan a los de combustión interna. Recientemente, el gobierno de Reino Unido ha anunciado que en 2030 ya no se venderán en el país vehículos con motores de combustión. Sería deseable que otros sigan su ejemplo. A una buena batería se le piden muchas cosas: que sea li­­ gera, tenga gran capacidad de carga, su tiempo de recarga sea corto, soporte un gran número de ciclos de carga-descarga, no utilice elementos contaminantes, sea reciclable al final de su ciclo de vida y, además, su producción no sea excesivamente costosa. Parece una misión imposible, pero estos retos se afrontan con ayuda de la ubicua nanotecnología. Las baterías de ion-litio, la tecnología predominante, están siendo mejoradas gracias a la incorporación de nanotubos de carbono, nanohilos de diversos materiales o nanopartículas metálicas en los electrodos. Un grupo de la Universidad de California ha presentado recientemente una batería ion-litio con electrodos formados con nanocables con un recubrimiento de oro y de dióxido de manganeso, capaz de realizar 200.000 ciclos de carga-descarga sin que la batería se deteriore. También se investiga en baterías basadas en iones de sodio, potasio, zinc o aluminio, elementos más abundantes y baratos que el litio, elemento que ha adquirido la condición de estratégico, avivando rivalidades comerciales entre las potencias económicas. El almacenamiento de energía eléctrica también tiene otros protagonistas como los dispositivos supercondensa­­dores, sistemas que guardan una razonable cantidad de carga eléctrica para su rápida liberación en situaciones que requieran una gran potencia. Las excelentes propiedades conductoras del grafeno y de una parte de la familia de los nanotubos de carbono facilitan su incorporación en estos supercon­­densadores. Recientemente un equipo de la Universidad Po­­litécnica de Valencia ha sintetizado supercondensadores basados en ligeras fibras poliméricas (de polianilina) y grafeno, que pueden ser integradas en otros materiales textiles. Imaginemos que vestimos una camiseta fabricada con dos tipos de materiales orgánicos, el primero capaz de convertir energía solar en 86

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eléctrica y el segundo de almacenar la electricidad en supercondensadores textiles. Ahora pensemos en lo que podríamos hacer con esa energía: cargar un móvil, iluminar una zona de la camiseta, calentarla, alimentar una red de sensores inte­­ grados en la camiseta que midan variables externas o constantes vitales… La nanotecnología sirve para disparar la ima­ ­gi­­nación. El poder del hidrógeno Una interesante forma de gestionar el almacenamiento y la utilización de energía consiste en usar el hidrógeno molecular (H2) como vector energético. La energía generada por diversos medios, que entendemos que serán mayoritariamente limpios tarde o temprano, puede servir para producir hidrógeno bien a partir de la hidrólisis (ruptura) del agua o bien como subproducto de ciertas reacciones químicas. La producción y el almacenamiento del inflamable hidrógeno pueden mejorarse gracias al uso de nanomateriales. Para alcanzar una síntesis más eficiente de hidrógeno se han propuesto diversos procesos donde intervienen catalizadores con nanopartículas de rutenio y platino, así como superficies nanoestructuradas de iridio, óxido de cerio u óxido de titanio. En cuanto al almacenamiento de hidrógeno, se ha planteado usar depósitos compactos formados por materiales nanoporosos o nanotubos de carbono que contendrían en su interior las moléculas de hidrógeno, con el fin de evitar explosiones en caso de accidentes. En lo relativo a su utilización, el hidrógeno puede actuar como un combustible que produce energía y agua al combinarse de forma violenta con el oxígeno. Sin embargo, hay una manera más astuta y segura de aprovechar su poder mediante una pila o celda de combustible, un dispositivo de tipo electroquímico, pariente cercano de las baterías, y que cuenta con dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por el electrolito, una sustancia con conducción exclusivamente iónica. En estos dispositivos el hidrógeno se recombina con el oxígeno de 87

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forma controlada, generando una corriente eléctrica y agua, todo ello ¡sin rastro de CO2! También existen pilas de combustible que funcionan con metanol, etanol, ácido fórmico, etc., pero en estos casos sí se generaría CO2. Los diferentes tipos de combustible, electrodos y electrolitos determinan las numerosas clases de pilas de combustible que se han desarrollado en las últimas décadas. Si bien la tecnología de las pilas de combustible está bien asentada, el uso de nanomateriales en los electrodos permite aumentar la eficiencia de los procesos electroquímicos y del transporte de electrones. Como la electricidad resultante puede utilizase in situ para accionar un motor eléctrico, su uso ha despertado el interés por parte de los fabricantes de automóviles y ya se comercializan en algunos países varios modelos de vehículos impulsados por hidrógeno. La nanotecnología tiene mucho que aportar a las aplicaciones energéticas, relacionadas con el ODS7, pero son muchas las cosas que se quedan en el tintero, como el desarrollo de nanomateriales termoeléctricos y piezoeléctricos, que permiten recuperar parte de la energía habitualmente desperdiciada por muchos dispositivos en forma de calor y vibraciones mecánicas, respectivamente. Tampoco han hecho acto de presencia los materiales triboeléctricos que permiten fabricar nanodispositivos que generan electricidad a partir de la fricción, ni los materiales superconductores nanoestructurados con los que se pueden fabricar cables que evitan pérdidas de energía durante el transporte de la electricidad o con los que hacer bobinas que mejoren las prestaciones de motores y generadores eléctricos. Se invita a los lectores y lectoras a que, más allá de estas gruesas pinceladas, indaguen por su cuenta en estas asombrosas aplicaciones de los nanomateriales.

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CAPÍTULO 6

Larga vida y prosperidad

Una revolución en medicina Nanomedicina Una pegadiza canción del pop de los años sesenta interpretada por el grupo Cristina y los Stop reducía a tres las bases de nuestra vida: salud, dinero y amor. En otros confines del universo, los individuos de otras civilizaciones se despiden deseándose larga vida y prosperidad, o al menos así lo hacen los vulcanianos, según cuenta el doctor Spock en la mítica serie televisiva Star Trek. Chascarrillos aparte y sin entrar a valorar la importancia del dinero, el amor y la prosperidad, lo cierto es que la salud es el elemento sobre el que pivota todo lo demás para la gran mayoría de los seres humanos. Sin embargo, siendo un tema central, no suele cobrar relevancia hasta que los síntomas de alguna enfermedad se manifiestan. Esto explica que, en estos momentos, en medio de la pandemia de COVID-19, se preste gran atención a todo lo relacionado con esta enfermedad y, por extensión, a las cuestiones relacionadas con la medicina y la ciencia. El desarrollo experimentado por la especie humana a lo largo del siglo XX ha venido acompañado del aumento de los 89

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casos de cáncer, afecciones cardiovasculares y enfermedades neurodegenerativas, favorecido por hábitos de vida más sedentarios, la exposición a ambientes más contaminados y el cambio en los modos de alimentación. El mismo siglo también ha sido el del gran avance de la medicina gracias a la espectacular irrupción de técnicas de diagnóstico y eficaces tratamientos. En los países con más recursos, el resultado del enfrentamiento de dos fuerzas contrapuestas, por un lado una medicina avanzada (junto con el acceso a buenos alimentos y agua potable) y, por otro, los estragos causados por las enfermedades, ha sido favorable a la primera y, en consecuencia, somos más y tenemos vidas más largas, lo que obliga a repensar el diseño de los sistemas públicos de salud. Por otro lado, los países más desfavorecidos, con otra estructura demográfica, se ven afectados por algunas enfermedades que son consecuencia de su menor desarrollo y que resultarían fácilmente tratables en los países más avanzados. En cualquier caso, los asuntos de salud son de importancia para todos los habitantes de nuestro planeta y tienen implicaciones en todos los otros elementos de la sociedad, de ahí que el ODS2 de la Agenda 2030 haga referencia a la necesidad de garantizar una vida sana y promover el bienestar de forma general. El desarrollo de la medicina en el siglo XX, manifestado a través de, entre otros avances, sofisticados sistemas de diagnóstico, una extensa farmacopea y precisas herramientas quirúrgicas, ha sido posible gracias a las aportaciones de varias disciplinas científicas y al interés de la sociedad, los gobiernos y la poderosa industria biomédica. En los últimos 20 años la nanotecnología, como era de esperar, se ha ido infiltrando en el territorio de la medicina y la simbiosis de ambas ha fructificado en lo que llamamos nanomedicina (Howard et al., 2016; Salvione et al., 2019). La incorporación de la nanotecnología a la medicina ha sido algo más lenta en comparación con otros sectores como la construcción o la cosmética, pero lo ha hecho con increíble ímpetu como quedó patente en la tabla 2. 90

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Nanobiosensores En el ámbito biomédico es importante detectar la presencia de patógenos como virus o bacterias en nuestro organismo, así como conocer con detalle la concentración de ciertas sustancias en los tejidos, dado que su exceso o defecto se pueden vincular a diversas patologías. Para lograrlo usualmente se utilizan biosensores de distinto tipo que tienen dos componentes básicos: un elemento reactivo y un transductor. El primero es cierto material o una entidad biológica (cadena de ácido nucleico, anticuerpo, enzima…) capaz de reconocer y enlazarse a la sustancia o entidad que se quiere detectar, el analito. Dicho enlace genera alguna señal eléctrica, óptica, química, mecánica o la liberación de calor, que es recogida por el elemento transductor para convertirla, por lo general, en una señal eléctrica que acaba transformada en bits de información que pueden ser transmitidos, analizados y almacenados o sirven para desencadenar automáticamente otros procesos. La nanotecnología facilita la reducción extrema de los elementos reactivos y transductores, a la vez que propone singulares estrategias en el diseño de los biosensores, que podemos denominar nanobiosensores. Es importante mencionar que la miniaturización de los componentes del sensor aumenta la relevancia de efectos de tamaño, lo que permite aumentar la sensibilidad del biosensor, facilitando la detección de pequeñísimas concentraciones del analito. Esto es muy importante para poder hacer diagnósticos en los primeros estadios de una enfermedad. En los nanobiosensores basados en la detección de corrientes eléctricas, el elemento transductor es un nanomaterial conductor (nanohilo metálico, lámina de grafeno, nanotubo de carbono o molécula conductora) que se funcionaliza con un elemento reactivo capaz de acoplarse a una molécula del analito que se desea detectar. El acoplamiento del analito por lo general provoca un cambio en la resistencia eléctrica R del sistema. Si durante ese acomplamiento se está aplicando al sensor un voltaje V, el cambio de la resistencia se ve reflejado en un 91

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cambio en la corriente, pues las tres cantidades están relacionadas por la famosa ley de Ohm: R=V/I. Por tanto, un cambio de la intensidad delata la presencia del analito: ¡detectado! Otra forma de detección se fundamenta en el cambio que experimenta alguna propiedad óptica cuando el analito se une al sensor. Un ejemplo lo encontramos en las nanoestructuras semiconductoras convenientemente funcionali­­ zadas. Estas nanoestructuras poseen un espectro óptico concreto que se modifica cuando el analito es capturado por el elemento reactivo. En otras palabras, el cambio en la coloración de la luz emitida o absorbida por el biosensor indica la presencia del analito. Este cambio de coloración puede detectarse a simple vista o ser medido con precisión por equipos que guardan esta información para su posterior uso. La nanotecnología sirve para diseñar otros tipos de nanobiosensores, como los inspirados en los microscopios AFM. En este caso el sensor consiste en una micropalanca fabricada con dos láminas de metales diferentes convenientemente unidas. La superficie externa de la palanca se funcionalizaría con un elemento reactivo capaz de enlazarse a un analito concreto mediante una reacción exotérmica, que libera energía. Cuando tiene lugar el enlace, el calor producido provoca el aumento de temperatura de la micropalanca, que se flexiona, ya que las láminas experimentan deformaciones diferentes por ser de metales distintos. Cuando la micropalanca se comienza a doblar sabemos que el analito está presente y cuanto más se doble mayor es la concentración del mismo. Las técnicas de miniaturización permiten agrupar en un único dispositivo muchos nanobiosensores. Por ejemplo, es po­ ­sible diseñar un chip con cientos de micropalancas capaces de efectuar la detección simultánea de distintas sustancias tanto en medios gaseosos como líquidos. Atinadamente, estos dispositivos se denominan nanonarices porque realizan funciones similares a la olfativa12. 12.  Merece la pena destacar las investigaciones realizadas en este tipo de nanobiosensores por el grupo de Laura Lechuga del Instituto Catalán de Na­­ nociencia y Nanotecnología (ICN2), fundadora de la empresa Biod S.L., y el de

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Laboratorios y secuenciadores de bolsillo Las técnicas de micro- y nanofabricación se están utilizando con el fin de reducir e integrar en un único chip muchos de los elementos que encontramos en un laboratorio. De esta manera, los procesos químicos (preparación, dosificación, purificación, mezclado, distribución, etc.) tienen lugar, a pequeña escala, en un laboratorio miniaturizado que incorpora canalizaciones, llaves de paso, dosificadores, cámaras de mezcla, calentadores, reactores, sensores, etc. Este minúsculo laboratorio, LOAC (lab-on-a-chip), requiere un concienzudo diseño pues, además de los procesos químicos que van a tener lugar en su interior, hay que tener en consideración las propiedades de los reactivos y productos, tanto líquidos como gases, que están involucrados en dichos procesos. Con ayuda de potentes sistemas de control, los LOAC permiten llevar a cabo cientos de experimentos del mismo tipo en los que se modifican composiciones y condiciones experimentales, ahorrando mucho tiempo en la realización de una completa investigación. Otro tipo de pequeño laboratorio lo encontramos en los biochips o microarrays de ADN, cuyos componentes han ido disminuyendo de tamaño continuamente de forma que ahora deberían llamarse nanoarrays de ADN. Estos dispositivos permiten secuenciar fragmentos de cadenas de ARN gracias a la presencia de numerosas unidades o puntos de detección dispuestos ordenadamente sobre la superficie de un material. Cada punto de detección contiene varios fragmentos idénticos y bien caracterizados de ADN, que han sido inmovilizados sobre la superficie utilizando diferentes técnicas. Como la configuración de ADN cambia de un punto de detección a otro, el biochip en realidad es una gran librería de secuencias de ADN. Javier Tamayo y Montserrat Calleja del Instituto de Micro y Nanoelectrónica (IMN) del CSIC, que crearon la empresa Mecwins. Estas empresas están especializadas en el desarrollo de ensayos inmunológicos y kits de detección de proteínas, virus, etc.

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Estos puntos de detección se encargarán de discernir cadenas de ARN mensajero (mARN) procedentes de dos te­­ jidos, uno sano y otro tumoral, a las que se han acoplado marcadores fluorescentes de distintos colores, que podemos denominar A y B, antes de ubicarlas en el biochip. Las cadenas de mARN solo se unirán a aquellas moléculas de ADN que tengan una secuencia complementaria a la suya, haciendo que el marcador fluorescente que lleva asociado quede fijado en el correspondiente punto de detección. Analizando la luz emitida por cada punto, se puede saber si un determinado fragmento de ADN aparece en uno (A o B) o los dos tejidos (A y B) analizados o si no está presente en ninguno (ni A ni B), y así determinar las diferencias que aparecen en la expresión genética del tejido tumoral con respecto del sano. La sensibilidad de estos nanoarrays de ADN puede ser tan grande que en algunos casos no se requieren técnicas de amplificación del material genético, como la ahora ultrafamosa técnica basada en la reacción en cadena la polimerasa (PCR). En la carrera por seguir aumentando las prestaciones de los equipos secuenciadores, la nanotecnología propone nuevos diseños. Uno de ellos, tan simple como fascinante, se basa en la lectura secuencial del ADN mediante la identificación, una a una, de las bases que lo componen. Para ello se usa una pequeña unidad lectora que puede ser un sencillo agujero practicado en la superficie de una finísima lámina de un material conductor por el que se enhebra (parte bastante complicada) y hace pasar una cadena de ADN. Cuando se somete el material conductor a un pequeño voltaje, aparece una débil corriente que sufre ligeros cambios según el nucleótido que en ese momento esté pasando a través del agujero. De esta forma, observando los cambios de corriente se realiza la lectura secuencial de las bases de la cadena. La misma estrategia de lectura secuencial a través de nanoporos se está desarrollando para realizar la secuenciación de aminoácidos, lo que puede ser de gran importancia en proteómica. Los equipos lectores que se han descrito trabajan de forma similar a como lo hacía un telegrafista del siglo XIX 94

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leyendo los mensajes en clave Morse que iban apareciendo en una larga cinta. La empresa inglesa Oxford Nanopore Tech­­­­ no­­logies Ltd. ha sido pionera en el diseño y comercialización de equipos portátiles de secuenciación basados en esta tecnología. Seguramente el lector o la lectora hayan pensado en el grafeno como esa fina lámina conductora donde se encuentra el nanoporo, y no se equivocan, pues es uno de los materiales empleados en estos secuenciadores. Los avances de la nanotecnología van a seguir logrando la disminución del tamaño de biosensores, LOAC, nanoarrays y secuenciadores, de tal manera que estos sistemas a su vez se puedan reunir en complejas plataformas que acelerarán la investigación en medicina, biología, biotecnología, alimentación, ciencias medioambientales o ciencias forenses. Con el tiempo estas plataformas también podrán miniaturizarse e integrarse en otros dispositivos. Imaginemos que en una zona pequeña de la pantalla de un teléfono móvil se integrase una plataforma capaz de, a partir de una gotita de saliva o de sangre, determinar los niveles de glucosa, colesterol, hierro, insulina, vitaminas, sustancias tóxicas, etc. Los teléfonos podrían convertirse en auténticos laboratorios de análisis, además de medir nuestra temperatura, pulsación o tensión arterial como ya hacen en algunos casos. Además, la conectividad de estos sistemas con los servicios médicos facilitará el seguimiento remoto de la salud de muchos pacientes. Está claro que muchos de los avances mencionados van a ayudar al desarrollo de terapias génicas personalizadas, de la medicina preventiva o de la telemedicina. ¿Todo esto es ciencia ficción? No, comienza a ser una realidad y hay cientos de grupos en el mundo trabajando en estos temas. Un interesante ejemplo lo protagoniza un grupo de la Universidad Jau­ ­me I de Castellón dirigido por la investigadora G. Mínguez, que está trabajando en el diseño de un sensor óptico basado en nanopartículas de carbono, que se puede integrar en la cámara de los teléfonos móviles, con el fin de detectar el nivel de glucosa en la lágrima de las personas con diabetes, evitando molestas punciones. 95

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Liberación controlada de fármacos La nanomedicina propone estrategias novedosas para el tratamiento de muchas enfermedades, resolviendo algunos problemas que presentan los fármacos convencionales como su escasa solubilidad, su baja disponibilidad debido a su rápida eliminación en el hígado o su distribución descontrolada por todo el organismo causando efectos secundarios. La estrategia más empleada en el desarrollo de nuevos tratamientos farmacológicos es la liberación controlada de fármacos, en la que se usan nanofármacos que combinan un sistema transportador con un principio activo. El primero sirve para llegar al foco de la enfermedad (diana biológica) donde el segundo es liberado para que cumpla con su misión. En cuanto a los principios activos, se prueban continuamente nuevas formulaciones, pero viene siendo habitual utilizar aquellas que han acreditado su efectividad. Por ejemplo, en nanofármacos oncológicos se suelen emplear la daunorubicina para el tratamiento de la leucemia, la doxorubicina para tratar el carcinoma de ovario y el paclitaxel para combatir el cáncer de mama. El objetivo es usar los mismos fármacos, pero haciéndolos llegar a su objetivo de una forma distinta. Como transportadores se han propuesto diversos tipos de nanoobjetos: micelas, liposomas, dendrímeros, nanopartículas inorgánicas y poliméricas, fullerenos, nanotubos de carbono, virus modificados, nanomateriales zeolíticos, nanocontenedores de ADN… Es posible que el nanoobjeto que transporta el fármaco pueda realizar otras tareas adicionales, como la de agente de contraste. Esto se logra si el transportador es una nanopartícula magnética, un punto cuántico semiconductor u otro nanoobjeto funcionalizado con una molécula fluorescente. De esta forma se puede determinar la posición del nanofármaco utilizando bien microscopios o detectores ópticos o bien equipos de resonancia magnética. En cierto modo esto es una forma de comunicación entre el nanofármaco y el exterior. Tras llegar a su destino, es conveniente que el nanofármaco permanezca en el mismo, por lo que los transportadores 96

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deben tener funcionalizaciones adicionales, de tal manera que sean capaces de reconocer el foco de la enfermedad y anclarse al mismo (por ejemplo, una proteína concreta asociada a la membrana de una célula tumoral o de una cápsida viral). Una vez llegado a su destino, el principio activo del nanofármaco empieza a actuar. En ciertos transportadores (nanotubos, zeolitas) es posible añadir compuertas moleculares que puedan abrirse y cerrarse mediante la aplicación de estímulos exteriores (luz, cambio de pH, concentración de una sustancia), de forma que el fármaco encerrado en el contenedor se libera solo si dicho estímulo se produce. Cuando el nanoobjeto convenientemente funcionalizado es capaz de realizar simultáneamente la detección y el tratamiento de una enfermedad se habla de teragnosis (término que surge de combinar las palabras terapia y diagnosis). Aunque muchos de los desarrollos propuestos desde la nanotecnología fracasan durante los ensayos a los que son sometidos todos y cada uno de los fármacos que usamos, otros logran superar las duras pruebas. En 2005, en EE UU se aprobó el uso de Abraxane, un producto empleado para tratar metástasis de origen cancerígeno basado en nanopartículas de conjugados poliméricos albúmina-paclitaxel. Desde entonces se han comercializado casi un centenar de nanofármacos y hay varios cientos más en fase de ensayo o a la espera de su aprobación por las distintas autoridades sanitarias (Farjadian et al., 2019). También debe destacarse que, aunque muchos de estos fármacos se han dirigido a la lucha contra el cáncer, también se están desarrollando otros para tratar la diabetes, el infarto de miocardio, la tensión arterial, etc. Hipertermia magnética Además de la liberación local de fármacos, la nanotecnología ofrece otros increíbles tratamientos para algunas enfermedades como es el caso de la hipertermia magnética (Hepel, 2020). Su funcionamiento es relativamente sencillo. Supongamos que tenemos nanopartículas magnéticas de óxido de hierro (Fe2O3) 97

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que se funcionalizan para que puedan unirse a una diana biológica concreta vinculada a la enfermedad que se desea tratar como, por ejemplo, un tumor. Mediante una inyección, las partículas se distribuyen por el sistema circulatorio. Entonces se puede esperar a que encuentren su diana por azar o bien se puede acelerar el proceso de acoplamiento nanopartícula-tumor utilizando campos magnéticos que dirigen a las nanopartículas hacia el tejido u órgano donde se localiza el tumor. Por cierto, esta misma estrategia se puede usar para los nanofármacos descritos anteriormente. Tras el acoplamiento se aplican dosis controladas de microondas en la región tumoral que provocan un rápido calentamiento de las nanopartículas y la consiguiente destrucción del tumor al que se han unido. En ocasiones es posible aplicar una funcionalización extra a las nanopartículas añadiendo moléculas de quimioterapia, de forma que se puede realizar simultáneamente un doble ataque, térmico y químico, sobre el tumor. En el año 2010 la Agencia Europea del Medicamento (EMA) aprobó el protocolo para la realización de ensayos para determinar la efectividad y la seguridad de la hipertermia magnética en el tratamiento de tumores sólidos. La empresa alemana Magforce ha sido pionera en el desarrollo de equipos para el tratamiento de tumores cerebrales que actualmente se están utilizando en hospitales de varios países europeos. En 2018, la misma empresa obtuvo la autorización en EE UU para realizar allí los ensayos de la hipertermia magnética. Hay otras propuestas más sorprendentes para eliminar tumores con nanopartículas magnéticas, como la que consiste en aplicar campos magnéticos alternos que fuerzan el rápido movimiento oscilatorio de las nanopartículas en los tejidos enfermos, actuando como una especie de nanotrituradora, causando daños irreparables en las células tumorales a las que se han unido. Balas mágicas y nanorrobots Seguramente algunas cosas relatadas anteriormente les resulten familiar a los amantes del cine bélico que relata las batallas 98

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navales del siglo XX: un submarino con su sistema de comunicaciones capaz de detectar un navío enemigo al que dispara un torpedo tras abrir las compuertas… ¡Es que esa es la idea! Sin embargo, la propuesta de tratar ciertas enfermedades empleando pequeños dispositivos que viajen por nuestro cuerpo no es algo excesivamente nuevo. En 1900, el médico alemán P. Ehrlich (Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1908, junto con E. Metchnikoff) propuso el concepto de “bala mágica”, un dispositivo autónomo capaz de dirigirse a entidades patógenas. Tiempo después, en 1966, la película de ciencia ficción Viaje alucinante, dirigida por R. Fleischer, nos mostraba cómo un submarino y su tripulación eran miniaturizados, convertidos en una bala mágica pilotada, para realizar una singladura por el sistema circulatorio de un paciente con el fin de destruir un coágulo cerebral. Ese mismo año, el guion de esta película fue transformado por I. Asimov en una novela. Hay ciertos aspectos de la película, como la reducción de la tripulación, que son afortunadamente irrealizables. Sin embargo, no se puede descartar que algún día los rudimentarios nanofármacos que ahora comienzan a utilizarse, que realizan unas pocas funciones, incorporen además sistemas propulsores basados en motores moleculares y posean sistemas de guiado externo (como un dron) o internos (basados en sensores y diminutos chips). Estamos hablando de nanorrobots, entidades que hace una década eran parte de la ciencia ficción pero ahora comienzan a tener visos de hacerse realidad, aunque seguramente no se van a parecer al nanosubmarino de dicha película. Quizás en el futuro dispongamos de nanodispositivos específicamente diseñados para detectar, acoplarse y destruir grupos de células cancerígenas que se formen durante las primeras fases de un tumor, o para atacar todo tipo de bacterias y virus desde el momento en que comienzan a invadir nuestros cuerpos. Estos sistemas actuarán como refuerzo de nuestro sistema inmunológico. Otro tipo de nanorrobots, menos belicosos, podrán deshacer las formaciones de colesterol que atascan nuestras arterias, diluir coágulos o reparar las cadenas 99

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defectuosas de ADN de nuestras células, responsables de enfermedades de origen genético. En realidad, esto último es la edición génica, y ya es una realidad gracias a la tecnología CRISPR/Cas9 (Montoliu, 2019)13. Implantes y regeneración de tejidos Desde tiempos remotos se ha usado el oro, elemento biocompatible, para fabricar fundas dentales y distintos ornamentos que adornaban los cuerpos de los seres humanos. Ya hace medio siglo que se comenzaron a utilizar nanomateriales de carácter cerámico para fabricar prótesis, placas y elementos de fijación que no provocaban rechazo por parte de nuestro sistema inmunológico. Se pueden destacar los biomateriales fabricados con óxidos de aluminio, zirconio o zinc. En la actualidad se estudia la forma de mejorar las prestaciones mecánicas de estos biomateriales mediante la incorporación de nanotubos de carbono o grafeno. También se pueden utilizar materiales nanoporosos en los implantes con el fin de que puedan almacenar y liberar de forma dosificada sustancias bactericidas, antiinflamatorias, analgésicas o inmunosupresoras, así como factores de crecimiento celular. De esta forma se puede programar y acelerar la restauración de células y tejidos, objetivo de la medicina regenerativa. En ciertos casos los nanomateriales permiten fabricar implantes temporales que actúan como plantillas o andamios durante las fases iniciales del proceso de regeneración del tejido celular. Utilizando técnicas de impresión 3D se diseña una plantilla de un tejido o parte de un órgano utilizando nanomateriales porosos biocompatibles y biodegradables, capaces de fijar células madre a partir de las cuales se pueden formar diferentes tipos de tejidos celulares. En los poros del nanomaterial se pueden almacenar de una forma adecuada 13.  El Premio Nobel de Química de 2020 se ha concedido a las investigadoras E. Charpentier y J. Doudna por el uso de esta tecnología en aplicaciones médicas, quedando sin ese merecido reconocimiento el microbiólogo alicantino F. Fer­­ nández Mojica, su descubridor, hecho que a muchos nos ha resultado incom­­ prensible.

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distintas moléculas de señalización que estimulan los genes responsables de la regeneración local de las células, haciendo que se produzca un crecimiento dirigido y ordenado del tejido. A medida que el tejido se restablece, la plantilla se degrada hasta desaparecer, dejando en su lugar la estructura regenerada con la forma predefinida en el diseño 3D. Esta estrategia se ha comenzado a usar en regeneración de fragmentos de hueso, pero en el futuro se extenderá para generar tejidos y órganos de mayor complejidad. A medio y largo plazo algunos implantes serán inteligentes, pues podrán incorporar nanosensores que monitoricen la fatiga del material, su nivel de degradación o el inicio de procesos infecciosos. También se investiga activamente en el desarrollo de electrodos fabricados con nanohilos metálicos, nanotubos de carbono o grafeno para desarrollar estimuladores neuronales con los que retrasar la evolución de enfermeda­­ des neurodegenerativas o fabricar dispositivos capaces de reconectar circuitos neuronales facilitando la recuperación de capacidades auditivas, visuales o motoras dañadas o desaparecidas por causa de enfermedades o accidentes. Un ejemplo de estas prótesis o implantes avanzados fue presentado en 2019 por el investigador J. A. Garrido del ICN2. Se trata de una pequeña lentilla formada por miles de electrodos de grafeno, que se implantaría en la retina y estaría conectada de manera inalámbrica a una cámara incorporada a unas gafas. De esta forma se espera recuperar parte de la visión de personas que padecen retinosis pigmentaria o degeneración macular asociada a la edad, dos causas comunes de ceguera. La ciencia desde luego da esperanza para resolver muchas enfermedades que ahora parecen irresolubles. Eso sí, es una esperanza realista, que requiere su tiempo para transformarse en soluciones tangibles. La posibilidad de poder regenerar tejidos y órganos, así como los avances en implantes, seguramente disminuirán la necesidad de buscar donantes para realizar trasplantes de órganos, ámbito en el que España mantiene una posición privilegiada. Por cierto, la nanotecnología también contribuye a mejorar las técnicas de trasplantes gracias al uso de nanofármacos 101

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que evitan el rechazo inmunológico de los órganos trasplantados o al uso de la hipertermia magnética para controlar y optimizar el proceso de descongelación de los órganos que van a ser trasplantados. De la cosmética a la lucha contra las pandemias Existen muchos más desarrollos en el ámbito de la nanomedicina, como la elaboración de nanofármacos capaces de eliminar bacterias resistentes a los antibióticos convencionales, el encapsulado de vacunas para aumentar su estabilidad y prolongar su conservación, la elaboración de membranas de grafeno para realizar diálisis o el uso de nanomateriales en apósitos, vendajes, audífonos, lentes, materiales quirúrgicos, etc. Otras aplicaciones de la nanotecnología se encuentran a mitad de camino entre la medicina preventiva y la cosmética. Hace más de 20 años que la empresa L’Oreal comenzó a comercializar productos que contenían nanosomas encargados de la liberación dosificada de pro-retinol A, sustancia que parece corregir las arrugas de la piel. También se puede mencionar el uso de nanopartículas de TiO2 o ZnO en algunas cremas de protección solar y otros productos cosméticos dada su capacidad para absorber la dañina radiación ultravioleta, o el empleo de nanopartículas de fluoruro de calcio en algunas pastas dentífricas para mejorar la absorción de flúor por los dientes. Para finalizar este recorrido por la nanomedicina se debe destacar su contribución en la lucha contra la pandemia de COVID-19. En el caso del CSIC, son muchos los grupos de in­ ­vestigación movilizados en diferentes actuaciones, casi todas orientadas a la consecución de fármacos y vacunas. Sin embargo, en el contexto de los nanomateriales destaca el trabajo del grupo dirigido por J.M. Palomo del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP), que ha desarrollado y patentado en 2021 un nuevo material biocompatible, constituido por nanopartículas de cobre dispersas en una matriz proteica, capaz de inhibir el funcionamiento de las proteínas del coronavirus SARS-CoV-2, bloqueando su propagación. Por su parte, el 102

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grupo dirigido por J. M. Lagarón, del Instituto de Agroquí­­ mica y Tecnología de Alimentos (IATA), desarrolló en 2020 nanofibras capaces de destruir el virus, lo que ha permitido que la empresa Bioinicia, que cuenta con la participación del CSIC, haya fabricado y comercializado millones de masca­­ rillas eficaces frente a la transmisión del virus. Este ejemplo, como otros mencionados anteriormente, muestra que es posible conjugar investigación, transferencia de tecnología, emprendimiento, y apoyo institucional para conseguir útiles productos que tienen gran repercusión social. Nanotecnología para la agroalimentación Un 10% de la humanidad pasa hambre. Es un tema que debiera causar una mezcla de tristeza, indignación y vergüenza a cualquier individuo, sobre todo cuando hay países donde no se recogen cosechas para regular precios, se arroja a la basura un porcentaje no despreciable de los alimentos y el sobrepeso se ha convertido en una epidemia. Hay suficientes alimentos para todos los habitantes del planeta, pero esas barreras invisibles que hemos construido impiden que muchas personas accedan a una alimentación saludable. Dentro de la Agenda 2030, el ODS2 pretende abordar el formidable reto de poner fin al hambre en el mundo, en un momento en el que el cambio climático y el aumento de la población son dificultades añadidas. La consecución de este objetivo requiere la suma de políticas públicas, la cooperación al desarrollo y, por supuesto, las propuestas de la ciencia, incluyendo las de la nanotecnología (Busquets, 2015; Villena de Francisco y García-Estepa, 2017). El impacto de la nanotecnología en la agricultura se manifiesta en diversas aplicaciones como el encapsulamiento de plaguicidas en nanomateriales para obtener tratamientos fitosanitarios más eficientes gracias a una dosificación menos agresiva y de mayor duración de las sustancias aplicadas. También se ha propuesto el uso de nanopartículas metálicas como fungicidas y bactericidas para combatir ciertas enfermedades de árboles frutales y viñedos. En cuanto a la ganadería, es evidente 103

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que muchas técnicas de aplicación en medicina tienen reflejo en aplicaciones veterinarias y viceversa. Tampoco hay que olvidar que la mejora en la depuración y el tratamiento del agua tienen impacto en el sector agropecuario. Siendo importante el papel de la nanotecnología en ciertas áreas del sector agropecuario, se puede decir que su mayor impacto se está produciendo en el procesado, envasado, conser­­ vación y empaquetado de alimentos. En cuanto al procesado de alimentos, se pueden poner varios ejemplos, como el uso de membranas nanoporosas para filtrar ciertas sustancias o el uso de nanopartículas funcionalizadas para cambiar la fluidez de algunas harinas, salsas y cremas, facilitando así su manipulación. El uso de ciertos nanomateriales también permite minimizar las consecuencias negativas del abuso de algunas sustancias alimenticias. Por ejemplo, las nanopartículas de sal adecuadamente pulverizadas sobre algunos alimentos o las nanopartículas de grasa que encapsulan agua o SiO2 en su interior permiten degustar patatas fritas, productos lácteos o barritas de chocolate sin notar cambios de aroma y sabor a la vez que se disminuye la ingesta de sal y grasas, algo que seguramente agradece nuestro sistema circulatorio. En cuanto al envasado y al empaquetado, las contribuciones de la nanotecnología son muy evidentes por ser sectores relacionados con la ciencia de materiales. El diseño de nuevos envases contempla el uso de nanomateriales, híbridos por lo general, en los que una matriz polimérica puede contener nanopartículas metálicas (de plata, por ejemplo) para evitar la proliferación de bacterias. En otros casos las nanopartículas pueden ser de ciertos materiales semiconductores que bloquean el paso de luz que deteriore el contenido del envase. Este tipo de estrategias también se pueden trasladar a películas transparentes, papel de envoltorio y cartón de embalaje en los que conservar alimentos. Los nanomateriales también están mejorando las técnicas de conservación de alimentos de manera que es posible utilizar materiales nanoporosos que dosifiquen la aportación de conservantes, optimizando su utilización y evitando sus elevadas concentraciones. 104

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El encapsulado de ciertas sustancias como el archiconocido omega 3, la lecitina de soja, la lactasa, bacterias prebióticas, isoflavonas, extractos de ajo, etc., ha propiciado la aparición de una gran variedad de productos alimenticios presentes en los supermercados: son los nuevos alimentos. El encapsulamiento evita que estas sustancias tengan mal sabor o que este se vea alterado en los alimentos que las contienen y también puede prevenir que dichas sustancias sean degradadas por las enzimas de la saliva o los ácidos del estómago. En otras ocasiones lo que se busca es que sean liberadas controladamente en zonas concretas del tracto intestinal donde su absorción es máxima. Estas estrategias son similares a las que se usan en aplicaciones farmacológicas. Como puede verse, la nanotecnología permite diseñar envases, embalajes, sistemas de conservación y diferentes aditivos nutricionales que también contribuyen a garantizar la seguridad alimentaria. Este aspecto es muy importante en aquellos países con climas agresivos que requieren mejorar el almacenamiento y la distribución de alimentos para su consumo interno o para su exportación. Hay que destacar que muchas de estas aplicaciones de la nanotecnología en agricultura y alimentación no son excesivamente costosas por lo que, en principio, son accesibles a países con menores recursos, lo que permitirá potenciar su sector agroalimentario. Finalmente, se debe comentar que muchos de los avances que se han mostrado en el campo de las tecnologías alimentarias son denostados por las personas que propugnan una vuelta a la alimentación ecológica, de origen orgánico y natural. Sin embargo, la forma de vida en las zonas urbanas en continua expansión, la creciente demanda de alimentos seguros y las ventajas que ofrecen los productos que se adaptan a las necesidades y los gustos de diferentes tipos de consumidores, seguramente hagan inevitable el desarrollo de toda una gama de nuevos alimentos basados en la aplicación conjunta de los conocimientos que tenemos (y de los que vendrán) en biotecnología y nanotecnología.

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CAPÍTULO 7

Nuevas fábricas y ciudades, nueva sociedad

Verde que te quiero verde La industria del futuro deberá asentarse sobre procesos productivos diseñados para minimizar el consumo de energía, optimizar el uso de materias y conseguir la reducción extrema de la generación de todo tipo de residuos. Esta forma de producir bienes, prácticamente ortogonal a la empleada ahora en la mayor parte de los sectores manufactureros, debe implementarse con cierta premura en vista de la situación del planeta. La nanotecnología será una aliada indispensable en las nuevas factorías, ya que en su propia filosofía de trabajo, sobre todo en la aproximación bottom-up, está implícita la optimización de recursos al proponer métodos de síntesis y de fabricación que utilizan una cantidad precisa de átomos, moléculas y otros nanoobjetos. Aunque se está lejos de construir ensambladores moleculares tal y como concebía E. Drexler hace 35 años (Drexler, 1986), la nanotecnología facilita el desarrollo de algunas técnicas de fabricación que tienen ciertas similitudes con esta propuesta, como ocurre con las técnicas de fabricación aditiva con las que se llegan a crear objetos 3D con detalles de decenas de nanómetros. Ahora se están dando los primeros pasos en estas técnicas de fabricación, todavía demasiado 106

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lentas por su carácter secuencial, pero seguramente se harán mucho más eficientes en los próximos años cuando se utilicen métodos ópticos para trabajar de forma paralela en lugar del uso de inyectores de materiales poliméricos o metálicos. Como ya se mencionó en el capítulo 2, la naturaleza nos brinda ejemplos tanto de complejos nanomateriales como de eficientes procesos de síntesis que tienden a minimizar el uso de recursos: materiales ultrarresistentes en las valvas de los moluscos, estructuras hidrofóbicas en plantas como el loto, nanoestructuras con interesantes propiedades ópticas en mariposas y escarabajos, bacterias capaces de sintetizar nanopartículas magnéticas, telas de araña ligeras y resistentes, etc. Es bastante interesante conocer cómo se las ingenian todas estas especies para elaborar estos nanomateriales a temperatura ambiente, sin emplear productos tóxicos y sin dañar sus hábitats. Las investigaciones sobre la maquinaria celular, las sustancias y las reacciones que intervienen en la síntesis de estos nanomateriales son de gran importancia para conseguir otros de similares o mejores características. El desarrollo de estas estrategias bottom-up, junto con métodos bioinspirados a los que hay que añadir otras que ya se han mencionado anteriormente, como el uso de nanocatalizadores, favorecerán la puesta en marcha de sistemas de producción más sostenibles, más verdes, con un menor impacto medioambiental (Nasrollahzadeh, 2019). Es paradójico que la naturaleza, a la que tanto estamos dañando, sea nuestra aliada pues nos indica el camino a seguir, aunque no hay que descartar que algún día se canse definitivamente de nosotros. No sin las TIC Cualquier técnica de fabricación de materiales o dispositivos, bioinspirada o no, requerirá una máxima automatización mediante la implantación masiva de la robótica, el internet de las cosas (IoT), el acceso a recursos ingentes de computación en red, el aprovechamiento de gigantescas cantidades de datos (big data), las diferentes generaciones de comunicaciones 5G-6G7G…, y la inteligencia artificial. Todas estas tecnologías se 107

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están sustentando, y seguirán haciéndolo, de los avances de la invisible nanoelectrónica. Por cierto, la industria de la electrónica es un ejemplo de círculo virtuoso que facilita el descubrimiento de nuevos materiales y dispositivos que se emplean en el desarrollo de sofisticado instrumental y potentes computadores que, a su vez, sirven para investigar en nuevos materiales y dispositivos que volverán a emplearse en otra generación de instrumentos y computadores, y así sucesivamente. Llevamos un siglo dando vueltas, cada vez con más velocidad, en este círculo virtuoso, aunque en realidad deberíamos definirlo como una espiral vertiginosa pues nunca antes ninguna tecnología había evolucionado tan aceleradamente como la electrónica. Aún recuerdo cuando en 1986 adquirí mi primer ordenador personal, un clon del modelo XT de IBM, basado en un procesador Intel 8086, un disco duro de 20 megabytes y un práctico lector de disquetes flexibles. Un excelente equipo que costó una cantidad casi equivalente a la retribución de cuatro meses de la beca que disfrutaba en esa época como investigador en formación. Esta máquina ejecutaba más de un millón de instrucciones por segundo, mil veces más que los voluminosos equipos de válvulas de vacío comercializados en las décadas de 1950 y 1960. Ayudado de un monitor CRT, con pantalla de fósforo verde, y una impresora matricial, me sentía el rey de la computación. Un reinado efímero, pues a los tres años el equipo ya era una antigualla. Hoy en día es posible adquirir ordenadores de sobremesa que son 25.000 veces más rápidos que aquel equipo, almacenan 100.000 veces más datos y cuestan la tercera parte (teniendo en cuenta el efecto de la inflación). Estos modernos equipos utilizan procesadores fabricados con tecnologías de entre los 5 y 22 nm (desarrolladas a lo largo de los últimos 10 años). Los anteriores ejemplos ilustran tres momentos tecnológicos en la evolución exponencial descrita por la ley de Moore, ya mencionada anteriormente. La miniaturización extrema, el salto de la microelectrónica a la nanoelectrónica, junto con el desarrollo de herramientas sofisticadas de software han favorecido la revolución digital que estamos viviendo (Bhatia, 2013). A finales de 108

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2020 Apple lanzó el procesador A14 Bionic, el primero comercializado con tecnología de 5 nm, pero varios fabricantes han previsto lanzar al mercado procesadores basados en tecnología de 3 nm en 2023 o 2024. ¡La espiral vertiginosa sigue girando! Quizás entonces será el momento en el que la ley de Moore deje de cumplirse, aunque este final se ha anticipado en otras ocasiones sin demasiado acierto. Aun así, ya hay caminos alternativos para seguir aumentando las prestaciones de los equipos informáticos gracias al desarrollo de nuevos materiales, componentes y estrategias de diseño que serán posibles gracias a la nanotecnología. Por ejemplo, en algún momento dado los transistores de nanotubos de carbono o grafeno o las memorias basadas en moléculas podrían tomar el relevo a los fabricados actualmente, que usan el silicio como material base. En ocasiones se piensa que estas propuestas son entelequias o que están lejos de hacerse realidad, pero lo cierto es que algunas de ellas ya están en fases avanzadas de desarrollo, como el computador fabricado en el año 2019 por un equipo del MIT que incluía un procesador donde se integraban 14.000 transistores fabricados con nanotubos de carbono. En menos de una década se espera que existan procesadores que integren varios millones de transistores de estos nanomateriales. Más esperanzas incluso están depositadas en el grafeno, material con el que seguramente se fabricarán transistores nanométricos capaces de operar a frecuencias cientos de veces mayores que las que utilizan ahora nuestros modernos procesadores y con un menor consumo de energía. Es buen momento para echar a volar la imaginación e intentar vislumbrar las tareas que podrán realizar los dispositivos portátiles del futuro cuando posean 200 o 300 veces más potencia que los actuales. Además del ubicuo grafeno, se deben mencionar otras propuestas en fase de desarrollo como los minimalistas transistores de un solo electrón SET o las posibilidades que brinda la espintrónica, que hace uso del espín de los electrones (una propiedad cuántica que puede equipararse a una rotación interna de las partículas) para almacenar y procesar la información. 109

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No olvidemos tampoco las luminosas ideas que surgen de la nanofotónica, que propone el uso de luz y materiales ópticos para construir dispositivos capaces de realizar operaciones lógicas a una insuperable velocidad (la de la luz, claro). Del mundo de la biotecnología también emergen sugerentes propuestas como las que proponen la utilización de procesos biológicos y equipos de secuenciación de ADN, convirtiendo pipetas y tubos de ensayo en supercomputadores biológicos. Y hablando de supercomputadores, ahora mismo se está viviendo un apasionante momento en el que distintas empresas como IBM, Intel, Microsoft, Google o D-Wave Systems compiten por liderar el desarrollo de los computadores cuánticos, otra disrupción que va a propiciar un gigantesco salto en la computación de altas prestaciones aplicada a sectores como la optimización de problemas complejos o el financiero. La nanotecnología, en menor o mayor medida, contribuye al desarrollo de todas las propuestas mencionadas en estas líneas. Parece claro que las factorías del futuro podrán hacer uso de la enorme variedad de propuestas que permitirán reformar los sectores industriales en la dirección requerida para satisfacer el ODS9, integrando la producción eficiente con las capacidades que brindan las TIC. No obstante, se tienen que tener en cuenta, obligatoriamente, otros ingredientes para lograr un equilibrado desarrollo industrial, como el uso generalizado de energías de origen renovable, la minimización de la emisión de sustancias contaminantes, la eliminación de los riesgos laborales del personal que trabaje en las fábricas del futuro, así como la formación continua del mismo. No tener en cuenta estas cuestiones puede tener efectos adversos sobre otros ODS.

Construcción sostenible Durabilidad Es lógico el asombro que causan obras como el puente de Alcántara o el acueducto de Segovia por haberse mantenido 110

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en pie durante casi un par de milenios. Se pueden poner otros ejemplos de teatros, templos, lonjas o fortalezas ideados para perdurar y que ahora forman parte de nuestro patrimonio histórico. Todos ellos fueron levantados aplicando la tecnología constructiva puntera del momento y requirieron enormes inversiones, pero han resultado social y económicamente rentables. En el extremo opuesto nos encontramos con muchas construcciones que han crecido en las ciudades en los dos últimos siglos, sobre todo aquellas que albergaron a las personas que emigraron desde el campo u otros países durante los periodos de expansión industrial. Muchas de estas construcciones se levantaron con materiales de baja calidad, con diseños en los que el consumo energético, la gestión de residuos o el acceso al gas no se tuvieron en cuenta, y ocupando espacios planificados con escasos criterios urbanísticos. Son muchos los barrios de las grandes ciudades de los países avanzados que crecieron siguiendo los mismos patrones constructivos. En otras partes del mundo, especialmente de África, Iberoamérica y Asia, la situación adquiere mayor dramatismo pues el 20 o 30% de la po­­ blación habita infraviviendas que se extienden en espacios anárquicamente urbanizados, con deficientes accesos al agua, la electricidad, el gas o los servicios de alcantarillado, recogida de basuras, limpieza urbana y asistencia sanitaria primaria. Una reflexión prácticamente idéntica se puede hacer sobre muchos edificios de oficinas, fábricas, puentes, carreteras, embalses, etc., que se plantearon con una vocación temporal, para ser demolidos al poco tiempo. Parece que en los próximos siglos la tecnosfera seguirá creciendo al ser necesario renovar muchas infraestructuras y levantar otras nuevas, como se ha venido haciendo desde hace milenos. Este crecimiento deberá satisfacer las necesidades de una creciente población que va a demandar mayor calidad y eficiencia en las edificaciones. Por otro lado, hay que señalar que el sector de la construcción es quizás el que más materiales, agua y energía precisa. Dadas las dimensiones de la reforma planetaria que se avecina es evidente que deben revisarse los modelos de 111

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construcción y de urbanismo. Las edificaciones e infraestructuras de todo tipo deberán diseñarse pensando en su mayor durabilidad, minimizando el uso de materias primas y energía durante las etapas de construcción y funcionamiento, sin perder de vista la necesidad de que los residuos generados al final de su ciclo de uso sean reciclables o reutilizables, siguiendo la filosofía de la economía circular. Las mejoras que se introduzcan en el sector de la construcción tendrán impacto en los ODS 9 y 11 y bastantes de ellas se beneficiarán de en las aportaciones que está haciendo la nanotecnología (Pacheco-Torgal, 2013; Khitab y Arshad, 2014). En el sector de la industria cementera, desde hace tiempo se utilizan nanomateriales de distinto tipo para lograr mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión, etc. (Du, 2019). Mediante la introducción en la composición del cemento de pequeñas cantidades de nanopartículas de sílice (SiO2), nanotubos de carbono o grafeno, se mejoran sus prestaciones mecánicas a la vez que se retrasa la aparición y la propagación de microgrietas que causan el posterior fallo de muchas estructuras, lo que redunda en un aumento del tiempo de servicio de las estructuras. La nanotecnología también ofrece algunos tratamientos antienvejecimiento como el uso de nanocápsulas de diferentes materiales que encierran sustancias reductoras capaces de frenar procesos oxidativos. Dichas nanocápsulas se abren o se degradan bajo la actuación del oxígeno que pueda llegar al interior del material a través de una grieta recién formada. Una vez liberada la sustancia reductora, los procesos de oxidación son neutralizados, retardando la propagación de las grietas. Una versión más sofisticada contempla el uso de adhe­ ­sivos o sustancias cementantes almacenadas en nanocápsulas que se abren o degradan, como en el caso anterior, en presencia del oxígeno, liberando su contenido para sellar la grieta y frenar su propagación. Con estas estrategias de nanoencapsulación, similares a las que se emplean en cosmética o alimentación, las estructuras estarían continuamente autorreparándose a lo largo de su ciclo de servicio. 112

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Devoradores de contaminación Además de aumentar la durabilidad de las construcciones, la nanotecnología es capaz de proporcionar funciones adicionales a las mismas. La incorporación de nanopartículas del fotocatalizador TiO2 en cementos, revestimientos o pinturas hace que las superficies de fachadas o calzadas se mantengan limpias a la vez que ayudan a degradar ciertos contaminantes de la atmósfera (como los peligrosos óxidos nitrosos)14. Otra forma de aumentar la durabilidad de estructuras se logra retrasando los efectos causados por la humedad, la corrosión, ciertas bacterias y hongos, para los que se usan cementos que contengan nanomateriales hidrofóbicos, bactericidas o fungicidas. La combinación de nanopartículas de diferente tipo permite elaborar productos que sirven para hacer restauraciones de edificios o para evitar que las pinturas puedan adherirse a las fachadas, lo que es una buena noticia para la conservación del patrimonio cultural, aunque no resulte del agrado de las personas aficionadas al grafiti. Puestos a incorporar todo tipo de nanomateriales en los cementos, también se ha propuesto añadir (¡cómo no!) nanopartículas magnéticas para conseguir un fraguado más rápido de los cementos gracias al calor desprendido por dichas nanopartículas tras ser sometidas a campos magnéticos alternos. Pero ¿no hemos visto algo parecido? Sí, se trata de otra aplicación de la hipertermia magnética utilizada para eliminar tumores que aquí se traslada a un ámbito totalmente distinto. ¡Fascinante! Otros elementos constructivos permitirán aumentar la eficiencia energética de los edificios o disminuir su impacto medioambiental. Las ventanas o paneles trasparentes fabricados con cristales fotocrómicos, mencionados anteriormente, 14.  Cementos de este tipo, fabricados por la empresa italiana Italcementi, fueron empleados en la construcción de la iglesia del Jubileo de Roma, logrando así que la contaminación atmosférica no desluzca su reluciente blancura. La empresa española Acciona Infraestructuras también ha realizado ensayos de estos nanomateriales en diferentes edificios y pavimentos de muchas localidades españolas.

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facilitarán la regulación de la temperatura de los espacios interiores. Los paneles solares flexibles y ligeros ubicados en fachadas o tejados ayudarán a satisfacer parte de las necesidades energéticas de los edificios. Las eficientes depuradoras basadas en nanomateriales ubicadas en los edificios permitirán la reutilización de parte del agua para uso en riego o limpieza. Estos tres ejemplos ilustran propuestas que, de considerarse, muestran lo mucho que queda por hacer. A todo lo anterior podemos añadir el importante papel de las TIC y de la nanoelectrónica en la construcción del futuro. Se espera que cientos de nanosensores se inserten en pilares, vigas, muros de carga, columnas o bóvedas para realizar el seguimiento de su estado evitando los riesgos originados por el deterioro incontrolado de los materiales, pudiéndose aplicar medidas preventivas o correctoras a tiempo. Estas nubes de sensores ubicadas en las estructuras es lo que se denomina polvo inteligente (smart dust), que por cierto serían parecidos a los que se incorporen en implantes óseos para monitorizar su estado. Otro de los impactos que podremos experimentar más de cerca, en el ámbito doméstico, ocurrirá gracias a la paulatina implantación de sistemas domóticos inteligentes que sincronicen la actuación de redes de nanosensores, ventanales fotocrómicos, sistemas de depuración local de agua, dispositivos de nanofiltrado de aire, etc., que optimizarán el consumo de energía y agua, y mejorarán la calidad del aire en nuestros hogares. Muchas de las investigaciones que se hacen en España sobre nanomateriales aplicados a la construcción se llevan a cabo en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETCC) del CSIC. Se puede destacar el trabajo del grupo de investigación liderado por las investigadoras M. C. Alonso y A. Guerrero, que desarrollan cementos modificados con nanomateriales en colaboración con nume­­ rosas empresas nacionales e internacionales. Este grupo mantiene una estrecha colaboración con el grupo de la in­­vestigadora S. Arrechea, de la Universidad San Carlos de Guatemala, y la empresa Cementos Progreso del mismo país, lo que muestra 114

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que muchos países se están subiendo al tren de las nuevas tecnologías aprovechando las redes de relaciones científicas, la cooperación internacional estructurada y la colaboración público-privada. Ciudades sosteligentes A juicio de muchos expertos, la ciudad, elemento nuclear de nuestra civilización, requiere una reorientación que ponga el foco en los seres humanos mediante una planificación urbanística en la que se encajen servicios básicos universales, de alta calidad, y construcciones eficientes y de poco impacto ambiental. Una de las propuestas organizativas de la vida en las ciudades que más se ha desarrollado en los últimos 20 años es el modelo de ciudad inteligente (smart city). Este concepto ha ido evolucionando a medida que gobiernos, empresas e instituciones se han implicado tanto en su desarrollo teórico como en su implantación práctica. Parece haber cierto consenso en considerar que una ciudad inteligente debe ser compatible con el modelo de desarrollo sostenible o, de lo contrario, no tendría sentido. Se trata de reconducir la evolución de las ciudades hacia la eficiencia energética, el uso de las energías renovables, la movilidad sostenible, la nula emisión de CO2 y de otros contaminantes, la gestión óptima del agua, la mínima producción de residuos, el reciclado de estos, la calidad de vida de las personas teniendo en cuenta su diversidad y un sistema de servicios que lleguen a todas ellas, así como la implantación de sistemas participativos de gestión y de gobierno. Hoy por hoy una ciudad sostenible e inteligente, que podríamos llamar sosteligente, puede considerarse una idea aún ubicada en la utopía, pero son muchas las ciudades de todo el mundo que se esfuerzan por acercarse a ese unicornio urbano. Tan solo en España hay más de 80 ciudades miembros de la Red Española de Ciudades Inteligentes (RECI). Cada una desarrolla proyectos piloto en diferentes sectores y en algún momento este aprendizaje se difundirá al resto de núcleos urbanos. 115

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Como ya se ha visto a lo largo de este libro, la nanotecnología tiene cierto protagonismo en muchos avances en nuevos materiales, generación y almacenamiento de energía, tratamiento de agua, diagnóstico y tratamiento de enfermedades, alimentación, construcción y transporte. Todos estos avances repercuten en la habitabilidad y la sostenibilidad de las ciudades y son de suma importancia para determinar cómo será nuestro modo de vida urbano en el futuro. Proporcionar una visión completa sobre las ciudades inteligentes es imposible en unas pocas páginas pues incluye aspectos que van desde el desarrollo urbanístico hasta la participación ciudadana, pasando por la organización del transporte, el acceso a los servicios y suministros, etc. En cada uno de ellos el conocimiento tiene algo que aportar para conseguir pequeñas o grandes mejoras. A modo de ejemplo, se puede ilustrar cómo la nanotecnología puede facilitar la vida en esta ciudad sostenible e inteligente; para ello nos fijamos en la movilidad y, en particular, en los diferentes tipos de vehículos que se han hecho imprescindibles a la hora de desarrollar nuestra actual forma de vida, y la del futuro, pues no parece que la movilidad sea un elemento al que se pueda o se quiera renunciar. Los medios de transporte se están beneficiando en primer lugar del aligeramiento de las carrocerías gracias a los materiales que la nanotecnología ayuda a producir. Muchos de ellos son de base polimérica y pueden incorporar nanomateriales que aumenten sus prestaciones, como una mayor resistencia a impactos. Las pinturas utilizadas para proteger la carrocería incluirán en su composición diferentes nanomateriales que impidan los pequeños arañazos y eviten la adhesión de suciedad y el envejecimiento del vehículo. El aligeramiento de los vehículos reducirá el consumo de energía y además esta energía tendrá un origen limpio pues la motorización de los vehículos será totalmente eléctrica, aprovechando la carga acumulada en baterías y supercondensadores, sin olvidar las prestaciones de las pilas de combustible de hidrógeno. El impacto sobre la atmósfera será muy grande, al reducirse 116

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considerablemente las emisiones de CO2 y otros gases. No hay que descartar que los vehículos incorporen pequeños dispositivos basados en materiales termoeléctricos, piezoeléctricos, triboeléctricos o fotovoltaicos que aprovechen, respectivamente, cambios de temperatura, vibraciones, el rozamiento o la radiación solar para producir energía eléctrica. Los neumáticos incorporarán nanomateriales derivados de los nanotubos de carbono o del grafeno para evitar su desgaste, mejorando su adherencia y disminuyendo la cantidad de partículas ultrafinas que ahora llegan a la atmósfera. Otra característica de los vehículos del futuro será su capacidad para moverse de manera autónoma (la conducción automática), lo que, sin duda, requiere multitud de cámaras, sensores, acelerómetros y sistemas de comunicación que monitoricen los cambios de velocidad, de las condiciones meteorológicas o del estado del pavimento, a la vez que capten información procedente de satélites, otros vehículos, personas y balizas de señalización ubicadas en calles y carreteras. Todo este caudal de datos requiere ser procesado en tiempo real con sistemas de inteligencia artificial que tomen decisiones sobre las maniobras que deben llevarse a cabo por el vehículo. A su vez, la información sobre el conjunto de vehículos que esté circulando en un momento dado servirá para regular el tráfico, minimizando los tiempos medios de desplazamiento. Detrás del hardware (procesadores, memorias, sensores, antenas) que logrará que funcione este complejo sistema de toma de decisiones estará, como es de esperar, la nanoelectrónica. A estas alturas, quien esté leyendo estas líneas es posible que ya pueda intuir el impacto de la nanotecnología en otros sectores que van a determinar cómo serán las futuras ciudades. Es importante recordar que los desarrollos se alcanzarán mediante la convergencia entre varias tecnologías y, como debe ocurrir en todo salto tecnológico, sería deseable integrar las consideraciones que procedan de las ciencias humanas y sociales. El resultado final dependerá de las decisiones que se tomen y del esfuerzo que se haga por convertir los sueños en 117

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realidad. Nos jugamos mucho en ello porque de no conseguirlo vamos camino de transformar nuestro planeta en una anárquica sucesión de gigantescas urbes, vastos vertederos, autopistas, polígonos industriales y centros de actividad (hubs) agroalimentarios, etc., donde millones de personas sobrevivirán en condiciones no demasiado buenas.

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CAPÍTULO 8

No hay que dejar para mañana lo que se pudo hacer ayer

Las dos caras de la nanotecnología Controversias, especulaciones y miedos Como ya se mencionó en el primer capítulo, el impulso científico-tecnológico experimentado en las últimas décadas propicia la aparición de disrupciones tecnológicas que nos llevan en volandas hacia la cuarta revolución industrial (Schwab, 2016). Al igual que ha ocurrido en el pasado, es posible que las tecnologías emergentes tengan efectos, no previstos ni deseados, de diferente tipo y diversa consideración. No existen tecnologías totalmente inocuas y casi todas implican la asunción de ciertos riesgos que hay que conocer para poder eliminarlos o minimizarlos, intentando preservar sus ventajas y beneficios. En los tres últimos capítulos se ha mostrado el lado amable de la nanotecnología como herramienta que puede facilitar la consecución de algunos ODS. Sin embargo, la irrupción de la nanotecnología ha generado diferentes reacciones: entusiasmo, miedo, agresividad e indiferencia. De todas, esta última no-reacción es la más habitual debido al desconocimiento generalizado sobre lo que es la nanotecnología, su silenciosa propagación y sus implicaciones. En el extremo opuesto desde hace un par de décadas ha aumentado el número de personas 119

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que se preguntan si realmente el conocimiento del mundo nanométrico va a servir para mejorar el nuestro (Parr, 2005). La respuesta no es fácil porque son muchos los factores que hacen que una tecnología tenga éxito o acabe despeñada en el barranco del rechazo. Para que una tecnología llegue a adoptarse, además de su eficacia y eficiencia en comparación con otras ya existentes, tiene que evitar incertidumbres y generar confianza tanto en usuarios como en inversores. El activismo antinano, que existe, expresa el miedo a lo desconocido justificado por experiencias previas amargas, la complejidad del tema, la falta de información asimilable por buena parte de la población y, en ocasiones, la falta de transparencia. No hay que olvidar que el temor se ha alimentado incluso desde la propia comunidad científica, como ocurrió en el año 2000 cuando B. Joy, director científico de Sun Microsys­­ tems, publicó el artículo “¿Por qué el futuro no nos necesita?”, que mostraba un mañana abarrotado de nanomáquinas capaces de reproducirse y propagarse sin control hasta poner en jaque a la humanidad. Esta destructiva plaga gris (grey goo) ha fomentado una visión apocalíptica de la nanotecnología, ha inspirado argumentos de novelas, cómics, series de televisión y películas, e incluso ha servido para que algunos personajes famosos proyectasen de manera amplificada hacia la sociedad una visión inquietante de la nanotecnología. Desde algunos sectores de la ciencia también se han propuesto impactantes visiones que causan entusiasmo y horror a partes iguales. Es el caso del pensamiento transhumanista, que tiene a R. Kurtzweil como uno de sus máximos exponentes, que incluye a la nanotecnología en el cajón de herramientas que se usarán para reconducir la evolución de la especie humana, logrando esquivar a la muerte más allá de los límites impuestos por la biología e incluso proponiendo la conquista de la inmortalidad (De Cózar Escalante, 2010). Estos planteamientos, recibidos con algarabía por las personas más tecno-optimistas, entran en conflicto directo con visiones críticas de los humanistas. También parecen atentar contra los fundamentos de buena parte de las confesiones religiosas, cuyos 120

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líderes y seguidores terminan por incluir a la nanotecnología en la lista de las fuerzas del mal. Con algo más de fundamento, también se alerta sobre la capacidad de la nanotecnología para contribuir a la fabricación de armas letales y sistemas de espionaje sofisticados, poniendo sobre la mesa la recurrente cuestión del doble uso, civil y militar, del conocimiento aplicado, así como la posible pérdida de derechos de las personas. Si bien es cierto que una parte del presupuesto dedicado a fomentar las investigaciones en nanotecnología se destinan al sector militar y de seguridad, esta situación no es específica de la nanotecnología, pues ocurre con prácticamente todas las tecnologías. En cualquier caso, la limitación del uso militar de cualquier tecnología requiere un debate en los foros adecuados, contemplando aspectos como sus costes, la seguridad, las relaciones internacionales, el impacto industrial, los daños colaterales a civiles, etc. Además de los aspectos señalados, es evidente que la nanotecnología la están desarrollando un puñado de países. La autoría del 90% de los artículos de nanotecnología corresponde a investigadores de 30 países, mientras que tan solo 10 países controlan el 90% de las patentes en este tema. Por lo general, aquellos países que generan nuevo conocimiento son los que poseen una sólida economía y pueden realizar cuantiosas inversiones en I+D, lo que aumenta la brecha tecnológica con el resto. Esto no solo mantiene, sino que aumenta la desigualdad económica y social entre aquellas personas que viven en los países más ricos con respecto a las que lo hacen en las regiones más desfavorecidas. Este aspecto tampoco sería distintivo de la nanotecnología, pues se puede atribuir a casi todas las tecnologías que han ido apareciendo en el último siglo, lo que explica, en parte, el desarrollo heterogéneo de las distintas regiones del planeta. Los riesgos de lo pequeño Como acabamos de ver, la nanotecnología ha sido objeto de cierta controversia sobre sus aspectos negativos, en unas 121

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ocasiones de forma especulativa y en otras resaltando problemas que son comunes a los manifestados por otras tecnologías. Sin embargo, a lo largo de las dos últimas décadas una parte de la comunidad científica, diversas asociaciones y ONG han hecho hincapié en otro posible aspecto perjudicial de los nanomateriales: sus nocivos efectos para nuestra salud y la del medioambiente. Este riesgo no puede ser ignorado, ya que los nanoobjetos poseen un tamaño muy inferior al de las células, por lo que pueden penetrar fácilmente en las mismas a través de diferentes mecanismos. Pensemos que una nanopartícula de 6 nm es mil veces más pequeña que un glóbulo rojo, algo así como si comparamos una canica y un autobús. Una vez en el interior de la célula, las nanopartículas pueden acumularse sin más o, por el contrario, interferir en el metabolismo celular o en sus mecanismos de reproducción, provocando su mal funcionamiento o su muerte. La incertidumbre aumenta si tenemos en cuenta que los nanoobjetos pueden mostrar propiedades diferentes a las manifestadas por los objetos macroscópicos de similar composición. Por ejemplo, las nanopartículas de oro, ese apreciado metal noble, amarillento y biocompatible en la macroescala, presentan una amplia gama de colores y diferente actividad catalítica en función de su tamaño y forma. Entonces, ¿podría ocurrir que el oro en formato nanométrico fuese tóxico, aunque en formato macroscópico no lo sea? ¿Puede suceder lo mismo con otros nanomateriales que son poco preocupantes en formato macro o micro? Para encontrar la respuesta, el único camino es hacer más ciencia y así concretar si esas posibles amenazas pueden convertirse en una realidad. Esto es precisamente el objetivo de la nanoecotoxicología, la rama de la toxicología dedicada al estudiar el impacto de los nanomateriales, durante todo su ciclo de vida, sobre personas, seres vivos y ecosistemas. Este conocimiento es imprescindible para poder asegurarnos que la producción y el consumo de los bienes con nanocomponentes se hacen de manera responsable, a lo que aspira el ODS12. 122

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Es importante cuantificar la dimensión del posible problema. Por un lado, nos encontramos ante situaciones en las que los nanoobjetos se encuentran integrados en otras estructuras de una manera bastante robusta, como ocurre con los transistores de un procesador, por lo que resulta muy difícil que se puedan liberar al medioambiente a lo largo de su ciclo de vida. En el extremo opuesto sabemos que muchos productos empleados en la construcción, la automoción, la cosmética o el sector textil contienen nanomateriales que se pueden liberar durante su ciclo de vida o al final del mismo, terminando en los vertederos, los suelos, el agua o la atmósfera (Keller et al., 2013). El incremento gradual de los nanomateriales en el medioambiente provocará una mayor exposición de las diferentes especies biológicas a los mismos, incluida la nuestra, y esa exposición puede, finalmente, hacer que los materiales lleguen a distintos tejidos u órganos. Es cierto que aún se desconoce el impacto de cada uno de los nanomateriales sobre nuestra salud, pero existen evidencias de los daños causados por algunos de ellos a personas sometidas a elevadas exposiciones debido a accidentes laborales o al mal uso de los equipos de protección individual (EPI). Además, diversos experimentos in vitro demuestran la toxicidad de algunos nanomateriales por encima de ciertas concentraciones. Tampoco debe olvidarse que desde hace tiempo se conocen los perniciosos efectos de las denominadas partículas ultrafinas sobre la salud, y no es nada arriesgado aventurarse a predecir que seguramente muchas nanopartículas podrían actuar de forma parecida. En vista de estos indicios y teniendo en cuenta antecedentes históricos con otras tecnologías, es necesario conocer los efectos que podrían causar cantidades de diferentes tipos de nanomateriales en producción, comercialización y uso. De esta manera se puede evitar que, a la larga, su utilización masiva con la intención de facilitar la consecución de algunos ODS sea un impedimento para el logro de otros. Afortunadamente, cada vez se están financiando más proyectos que permiten determinar los potenciales efectos a corto, medio y largo plazo 123

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de los nanomateriales mediante estudios in vitro y en animales modelo. Estos estudios avanzan con cierta lentitud por su complejidad, puesto que la toxicidad de un nanomaterial depende de muchas variables como su composición, tamaño, forma, concentración, distribución granulométrica, vías de penetración, capacidad de agregación, reactividad, posibles cambios en el entorno biológico, metabolización celular, su interacción con el sistema inmunitario, su interacción con otros agentes contaminantes, etc. Tras conocer la influencia de todas estas variables será posible determinar aquellos valores límite de concentración en el medioambiente o en el interior de los seres vivos (en la matriz extracelular o en citoplasma) que no deben superarse con el fin de evitar problemas de toxicidad. Todo este conocimiento se deberá plasmar en una normativa que no puede ser rígida y cerrada, ya que depende de los nuevos conocimientos que se vayan generando15. El imparable desarrollo científico-tecnológico lanza nanomateriales al mercado a gran velocidad, impidiendo que puedan estudiarse sus efectos dentro de los plazos requeridos por la toxicología y que se disponga con rapidez de la adecuada normativa. Mientras se avanza en la investigación sobre la toxicología de los nanomateriales, sobre todo de aquellos más utilizados, las administraciones públicas realizan recomendaciones sobre su uso que, en algunos casos, se han convertido en legislación. Quizás la UE sea la región del mundo donde se ha hecho un mayor esfuerzo para establecer recomendaciones y normas, teniendo como resultado un complejo paisaje legal que evoluciona a medida que se dispone de más información científica (Rauscher, 2017). En el año 2008 la Comisión Europea emitió una recomendación sobre la necesidad de elaborar e implementar un código de conducta basado en el principio de precaución que garantizase la investigación responsable en nanotecnología y el uso seguro de nanomateriales. Desde entonces se han 15.  Es interesante una visita a la página web del Nanosafety Cluster de la Unión Europea (https://www.nanosafetycluster.eu/) donde aparecen los resultados de decenas de proyectos en marcha o finalizados relacionados con la nanoecotoxicología.

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publicado diferentes normas de obligado cumplimiento sobre el uso de nanomateriales en cosmética, alimentación, sustancias biocidas y equipamiento médico, así como recomendaciones en el ámbito de la prevención de riesgos laborales. Recientemente, en 2018, los nanomateriales quedaron incluidos en el reglamento de registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias químicas (REACH), así como en la normativa sobre clasificación, etiquetado, y empaquetado de sustancias químicas (CLP)16. A pesar de todas estas iniciativas, nunca llueve a gusto de todos y en ocasiones han sido criticadas desde sectores empresariales que creen que la limitación en la comercialización de nanomateriales disminuye la competitividad de la industria europea, y por las organizaciones de consumidores y grupos ecologistas que reclaman unas normas más estrictas y la vigilancia de su cumplimiento. También se debe destacar que aunque es importante vivir en una región que dispone de normas y mecanismos de control, esto no evita que los nanomateriales se usen de forma poco adecuada en otras partes, y ya sabemos que los efectos que puedan generar tendrán un alcance global, como ha ocurrido con los plásticos o las emisiones de diferentes gases nocivos.

Gobernanza de la nanotecnología Tiempos revueltos El contexto en el que se están desarrollando iniciativas que faciliten el cumplimiento de los ODS está caracterizado por la complejidad de un mundo interconectado, la incertidumbre política, la concentración del poder económico, la rapidez con la que se suceden los cambios sociales como consecuencia de la aceleración tecnológica o del deterioro exponencial 16.  Para aquellos que deseen tener una visión más amplia sobre la regulación europea se recomienda visitar la página web del Observatorio de Nanomateriales de la Unión Europea (EUON), en https://euon.echa.europa.eu/es/

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del planeta, la rápida propagación de información falsa, las corrientes negacionistas, la equiparación de hechos contrastados con hechos alternativos (posverdad), etc. Estamos inmersos en un escenario volátil, incierto, complejo y ambiguo (VUCA), acuñado en las escuelas militares de EE UU para referirse a la situación global tras la Segunda Guerra Mundial. Este concepto parece adecuado para describir el revuelto escenario mundial en el que, por si fuera poco, ha irrumpido un nuevo actor, la pandemia de COVID-19. Es evidente que se debe hacer un esfuerzo para que la nanotecnología se implante con rapidez, convirtiéndola en un factor decisivo para la consecución de los ODS, pero debe hacerse de forma que se eliminen o minimicen los posibles riesgos de todo tipo evitando ambigüedades e incertidumbres (Bermejo y Serena, 2017). Para ello la toma de decisiones sobre la forma en la que aprovechamos el nanomundo en un contexto VUCA es un aspecto de gran importancia y es necesario el diseño de una auténtica ética de la nanotecnología (UNESCO, 2006). La toma de decisiones debe hacerse situando en un plato de la balanza los beneficios prometidos por la nanotecnología, mientras que en el otro se tendrán en cuenta sus impactos negativos, así como las estrategias para minimizarlos. Se requiere una estrategia flexible que se adapte rápidamente a las circunstancias alineando las visiones de las instituciones públicas, organizaciones internacionales, empresas, la comunidad científica y representantes sociales, teniendo en cuenta los avances científicos, la normativa, la información a los consumidores, los aspectos formativos… Desde luego no es una tarea fácil y seguramente imposible de llevar a cabo en países que no tienen una tradición en modelos participativos de gobierno. Tomar decisiones en un marco dinámico y complejo, con tantos elementos a considerar, requiere una go­­ bernanza integral de la nanotecnología según han planteado muchos expertos (Echevarría, 2005; Rip, 2020). La tabla 3 proporciona, a modo de decálogo, los elementos principales de este esquema de gobernanza de la nanotecnología teniendo en cuenta su necesaria imbricación con los ODS. 126

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Tabla 3 Decálogo para la gobernanza de la nanotecnología. 1

Impulsar los programas de investigación relacionados con la nanotecnología en general y la nano-eco-toxicología en particular.

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Establecer regulación y normativa de aplicación global que proporcionen seguridad a los ciudadanos en sus facetas de usuarios, consumidores y trabajadores, aplicando el principio de cautela en aquellos casos en los que se sospeche de la existencia de potenciales riesgos.

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Fortalecer la colaboración entre las entidades que a nivel nacional e internacional diseñan y aprueban normativa y recomendaciones sobre estandarización, nomenclatura, seguridad y comercialización de productos con componentes nanotecnológicos.

4

Establecer observatorios que realicen el seguimiento del desarrollo de la nanotecnología teniendo en cuenta sus aspectos científicos, tecnológicos, económicos, y sociales.

5

Potenciar aquellos aspectos de la nanotecnología que tienen mayor impacto en la consecución de los ODS, sin perder de vista aquellos que pueden impedir dicha consecución.

6

Mejorar la formación sobre nanotecnología en los diversos niveles educativos.

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Impulsar la divulgación de la nanotecnología.

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Permitir el acceso libre y gratuito a los bancos de datos con la información publicada en artículos o informes científicos, sobre nanotecnología.

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Facilitar que países con menor desarrollo económico tengan acceso a las patentes sobre nanomateriales desarrolladas por entidades públicas de los países más avanzados, como parte de las políticas de cooperación al desarrollo.

10 Fomentar el diálogo entre la administración, la comunidad científica, las empresas, y las asociaciones de trabajadores y ciudadanos para asegurar una toma de decisiones equilibrada con participación de todas las partes.

Lo más probable es que en cada país o región del mundo solo se puedan poner en marcha, y de manera incompleta, algunos puntos de estas recomendaciones. En el caso de la UE, hay muchas iniciativas relacionadas con algunos de los puntos del decálogo, aunque hay diferentes niveles de actuación en cada país. Por ejemplo, hay países donde las inversiones en I+D son cuantiosas, las enseñanzas preuniversitarias incluyen una formación básica en nanotecnología o se ponen en marcha procesos de debate social, por mencionar algunos aspectos interesantes relacionados con puntos del decálogo, pero hay otros que dedican menos inversión, esta se realiza en el marco de modelos poco participativos y hay cierto desinterés por que esta tecnología llegue a las aulas. En cualquier caso, lo importante es avanzar de manera sólida y segura siguiendo la sabia recomendación de nuestro rico refranero: ¡vísteme despacio que llevo prisa!

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EPÍLOGO

Sin ciencia no hay futuro

Ha llegado el momento de concluir este libro y seguramente las personas que hayan llegado hasta aquí tengan la sensación de que los seres humanos somos equilibristas caminando sobre una larga cuerda, cargados con imaginativas ideas, sabiendo que hay que avanzar con cuidado, sin equivocarse, para alcanzar los ODS en un corto espacio de tiempo, o al menos hacer todo lo posible para lograrlo. Para colmo, de vez en cuando soplan rachas de viento que parece que van a dar al traste con la aventura. Para llegar a la meta se van a usar todos los co­­ nocimientos científicos que tenemos a nuestro alcance, incluyendo los de la nanotecnología, y es que sin ciencia no hay futuro, como reza el lema empleado por la comunidad científica española para mostrar su preocupación ante la disminución de la inversión en I+D+i experimentada en la última década. No podemos quedarnos paralizados por el miedo ni debemos intentar caminar marcha atrás sobre nuestros pasos buscando una inalcanzable situación preindustrial, imposible de recuperar. Hay que avanzar, pertrechados con nuevos conocimientos con la cautela de los exploradores, asegurándonos de que la aplicación de la ciencia en general y de la nanotecnología en particular se haga de manera segura, eficiente y efectiva. Sin duda es un reto formidable que necesita complicidad entre todas las partes. En particular, la comunidad 129

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científica y la sociedad deben reforzar su relación, puesto que la primera es conocedora de los impactos que el conocimiento puede causar y tiene la responsabilidad de hacer partícipe a la sociedad de los pros y los contras de las aplicaciones de este conocimiento, facilitando así la toma de decisiones de manera corresponsable. Queda mucho por hacer, pero esto debe verse como un acicate, un revulsivo para seguir adelante. Espero que los lectores y lectoras del libro, conociendo un poco más los detalles de la aventura que estamos viviendo, la gloria que se espera alcanzar y los contratiempos que hay que superar, se sientan parte de la misma. Quizás el destino nos permita que volvamos a reunirnos dentro de diez años, cuando la Agenda 2030 ya haya pasado a ser parte de la historia. Otra vez tendremos mucho de lo que hablar.

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Nanocronología

Siglo XX a. C. Primera constancia del uso de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) en productos cosméticos fabricados en el Antiguo Egipto. Siglo V a. C. Demócrito establece un modelo atomístico de la naturaleza. Empédocles de Agrigento propone el modelo de los cuatro elementos para explicar la naturaleza. Siglo IV a. C. Aristóteles y Platón añaden el éter a los cuatro elementos. Siglo IV d. C. Se fabrica la Copa de Licurgo (actualmente en el Museo Británico). Siglo VI Comienzan a fabricarse las espadas de Damasco. Siglos VIII-IX Primera constancia del azul maya en Mesoamérica. Siglos IX-X Se desarrolla la técnica del lustre en varias regiones del Mediterráneo. Siglos IX-XIV Utilización de metales nanoparticulados en vidrieras medievales. 1803 J. Dalton presenta su teoría atómica. 1827 N. Niépce obtiene la primera impresión fotográfica. 1857 M. Faraday trabaja en disoluciones coloidales de nanopartículas. 1869 D. I. Mendeleiev presenta la tabla periódica de los elementos. 131

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1897 J. J. Thomson descubre el electrón. 1900 M. Planck establece el concepto de cuanto de energía. 1905 N. Bohr propone su modelo cuántico de átomo. 1909 H. Lohmann utiliza el prefijo nanno para referirse a varias especies biológicas de tamaño submicrométrico. 1931 E. Ruska y M. Knoll inventan el microscopio electrónico. 1947 J. Bardeen, W. Brattain y W. B. Shockley inventan el transistor, y recibirán por ello en 1956 el Premio Nobel de Física. 1956 E. W. Müller observa por primera vez átomos usando un microscopio de emisión de campo (FIM). C. J. Plank y E. J. Rosinski comienzan sus investigaciones sobre el uso de zeolitas como catalizadores. 1957 J. Kilby inventa el circuito integrado, merecedor del Premio Nobel de Física de 2000, compartido con el ruso Z. Alferov y el estadounidense H. Kroemer, por sus trabajos en semiconductores. 1959 R. Feymnan describe las bases de lo que luego será la nanotecnología. 1965 G. Moore, cofundador de Intel, establece su ley empírica sobre la evolución de la densidad de integración de componentes electrónicos. 1968 J. R. Arthur y A. Y. Cho desarrollan la técnica de crecimiento epitaxial mediante haces moleculares (MBE). 1970 J. A. Pople desarrolla el software Gaussian que permite describir el comportamiento cuántico de átomos y moléculas mediante técnicas computacionales. En 1998 recibiría, junto a W. Kohn, el Premio Nobel de Química. 1974 N. Taniguchi emplea por primera vez el término “nanotecnología”. 1981 G. Binnig y H. Rohrer inventan el microscopio de efecto túnel (STM). 1983 L. Brus descubre las disoluciones coloidales de puntos cuánticos. 1985 R. F. Curl, H. W. Kroto y R. E. Smalley descubren el fullereno (C60), por lo que serán galardonados con el Pre­ ­mio Nobel de Química de 1996. 132

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1986 G. Binnig, C. Quate y C. Gerber desarrollan el microscopio de fuerzas atómicas (AFM). G. Binnig y H. Rohrer reciben el Premio Nobel de Física por la invención del STM junto con E. Ruska por la invención del microscopio electrónico de transmisión (TEM). E. Drexler publica el libro Engines of Creation. 1988 A. Fert y P. Grünberg descubren el efecto de la magnetorresistencia gigante (GMR) y ganan por ello el Nobel de Física de 2007. 1989 D. Eigler y E. K. Schweizer manipulan átomos con un microscopio de efecto túnel (STM). 1991 S. Iijima descubre los nanotubos de carbono. M. Grätzel patenta la célula solar fotoelectroquímica. 1992 C. T. Kresge descubre el óxido de silicio mesoporoso MCM-41 en la empresa Mobil Oil Corporation. 1998 C. Dekker presenta el transistor basado en un nanotubo de carbono. 1999 C. Mirkin presenta la nanolitografía de tipo dip pen. J. M. Tour y M. A. Reed desarrollan un conmutador mo­­ lecular. 2000 Comienza la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI) en EE UU. Se funda la Red Española de Nanotecnología (NanoSpain). 2004 A. Geim y K. Novoselov descubren el grafeno, por lo que serán reconocidos con el Nobel de Física de 2010. El Plan Nacional de I+D+i de España incluye por primera vez una acción estratégica dedicada a nanociencia y nanotecnología. Intel lanza el procesador Pentium IV Prescott basado en tecnología de 90 nm, comenzando así la nanoelectrónica. El gobierno alemán pone en marcha NanoTruck, una iniciativa de divulgación de la nanotecnología. 2005 Se aprueba en EE UU el uso de, un fármaco para tratar el cáncer de mama metastásico, basado en nanopartículas de paclitaxel y albúmina. 2006 P. Rothemund desarrolla la técnica del origami de ADN. 133

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2007 La Ciudad de las Ciencias y la Industria de la Villette, en Francia, acoge la gran exposición Expo Nano. La OCDE establece un grupo de trabajo sobre el desarrollo responsable de la nanotecnología. 2008 La Organización Internacional para Estandarización (ISO) publica sus primeras normas relacionadas con la nanotecnología. La República Popular China supera a Estados Uunidos en número anual de publicaciones internacionales sobre nanotecnología. Una delegación del Instituto Español de Comercio Exterior (ICEX) participa por primera vez en la feria Nano Tech de Tokio. 2009 Se inaugura el Laboratorio Internacional Ibérico de Nanotecnología en Braga (Portugal), iniciativa conjunta de los gobiernos de España y Portugal. 2011 La empresa IBM anuncia la fabricación del primer circuito integrado de grafeno. 2013 La Unión Europea lanza la iniciativa Flagship sobre el grafeno. La Universidad de Standford desarrolla el primer procesador basado en 178 transistores fabricados con nanotubos de carbono. 2014 La empresa Intel lanza sus procesadores con tecnología de 14 nm. I. Akasaki, H. Amano y S. Nakamura ganan el Premio Nobel de Física por fabricar el LED que emite luz azul. 2016 J. P. Sauvage, J. F. Stoddart y B. L. Feringa obtienen el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de los motores moleculares. 2017 J. Dubochet, J. Frank y R. Henderson reciben el Premio Nobel en Química por el desarrollo de las criomicroscopía de alta resolución. La empresa IBM anuncia el prototipo de transistor con tecnología de 5 nm.

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2018 Investigadores del MIT, liderados por el español P. Jarillo-Herrero, descubren que ciertas configuraciones formadas por dos capas de grafeno son superconductoras. 2019 La Unión Europea regula el registro, evaluación, clasificación y etiquetado de nanomateriales en las normativas REACH y CLP. El CSIC recibe el premio a la transferencia de tecnología en la feria internacional Nano Tech de Tokio. El MIT y la empresa Analog Devices anuncian la creación del primer procesador programable de 16 bits basado en nanotubos de carbono. Una nanomáquina de origen natural, el virus SARS-CoV-2, salta a la especie humana mediante zoonosis, provocando la pandemia de la enfermedad COVID-19. 2020 Se desarrollan las primeras vacunas para inmunizar contra la COVID-19 basadas en péptidos o en ácidos nucleicos que son liberados mediante transportadores nanométricos. Las empresas TSMC y Samsung anuncian la construcción de plantas de fabricación de procesadores con transistores con tecnología de 3 nm.

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Bibliografía

La siguiente lista de referencias puede ser de utilidad para aquellas personas interesadas en profundizar en los temas tratados a lo largo del libro. La relación de referencias combina unas de carácter más general, muchas de ellas títulos de la colección ¿Qué sabemos de?, con otras más especializadas, por lo general artículos de revisión. En algunos casos se han incluido documentos de libre acceso, de fácil búsqueda en internet, por lo que se han omitido los enlaces. Aengenheyster, M. et al. (2018): “The point of no return for climate action: effects of climate uncertainty and risk tolerance”, Earth System Dynamics, 9, pp. 1085-1095. Álvarez, P. J. J. et al. (2018): “Emerging opportunities for nanotechnology to enhance water security”, Nature Nano­­ technology, 13, pp. 634-641. Andreu Pinillos, A. y Fernández Mateo, J. (2019): “La ambivalencia tecnológica para impulsar (¿o no?) los ODS”, Telos, 111. Bermejo, M. y Serena, P. A. (2017): Los riesgos de la nanotecnología, CSIC-Los Libros de la Catarata, Madrid. Bhatia, I. S. et al. (2013): “The Shift from Microelectronics to Nanoelectronics – A Review”, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, 12(11), pp. 4464-4468. 137

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Serena, P. A. (2010): La nanotecnología, CSIC-Los Libros de la Catarata, Madrid. Serrano, E. et al. (2009): “Nanotechnology for sustainable energy”, Renewable and Sustainable Energy Review, 13, pp. 2373-2384. Silva, G. A. (2018): “A New Frontier: The Convergence of Nanotechnology, Brain Machine Interfaces, and Arti­­ ficial Intelligence”, Frontiers in Neuroscience 12, p. 843. UNESCO (2006): The ethics and politics of nanotechnology, Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), París. — (2020): Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2020: Agua y Cambio Climático, Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), París. Vessuri, H. (2016): La ciencia para el desarrollo sostenible (Agenda 2030), Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO), París. Villena De Francisco, E. y García-Estepa, R. M. (2018): “Nanotechnology in the agrofood industry”, Journal of Food Engineering, 238, pp. 1-11. Zalasiewicz, J. et al. (2017): “Scale and diversity of the physical technosphere: a geological perspective”, The An­­ thro­­pocene Review, 4(1), pp. 9-22.

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Robots. Elena García Armada El Parkinson. Carmen Gil y Ana Martínez Mecánica cuántica. Salvador Miret Artés Los primeros homininos. Paleontología humana. Antonio Rosas Las matemáticas de los cristales. Manuel de León y Ágata Timón Del electrón al chip. Gloria Huertas, Luisa Huertas y José L. Huertas La enfermedad celíaca. Y. Sanz, M. Carmen Cénit y M. Olivares La criptografía. Luis Hernández Encinas La demencia. Jesús Ávila Las enzimas. Francisco J. Plou Las proteínas dúctiles. Inmaculada Yruela Guerrero Las encuestas de opinión. Joan Font Fàbregas y Sara Pasadas del Amo La alquimia. Joaquín Pérez Pariente La epigenética. Carlos Romá Mateo El chocolate. María Ángeles Martín Arribas La evolución del género ‘Homo’. Antonio Rosas Neuromatemáticas. José María Almira y Moisés Aguilar-Domingo La microbiota intestinal. Carmen Peláez y Teresa Requena El olfato. Laura López-Mascaraque y José Ramón Alonso Las algas que comemos. Elena Ibáñez y Miguel Herrero Los riesgos de la nanotecnología. M. Bermejo y P. A. Serena Domingo Los desiertos y la desertificación. J. M. Valderrama Matemáticas y ajedrez. Razvan Iagar Los alucinógenos. José Antonio López Sáez Las malas hierbas. César Fernández-Quintanilla y José Luis González Andújar Inteligencia artificial. R. López de Mántaras Badia y P. Meseguer González Las matemáticas de la luz. Manuel de León y Ágata Timón Cultivos transgénicos. José Pío Beltrán El Antropoceno. Valentí Rull La gravedad. Carlos Barceló Serón Cómo se fabrica un medicamento. M. C. Fernández y N. E. Campillo Los falsos mitos de la alimentación. Miguel Herrero El ruido. Pedro Cobo Parra y María Cuesta Ruiz La locomoción. Adrià Casinos Antimateria. Beatriz Gato Rivera Las geometrías y otras revoluciones. Marina Logares Enanas marrones. María Cruz Gálvez Ortiz Las tierras raras. Ricardo Prego Reboredo El LHC y la frontera de la física. El camino a la teoría del todo. Alberto Casas

101. La tabla periódica de los elementos químicos. José Elguero Bertolini, 102. 103. 104. 105. 106. 107. 108. 109. 110.

111. 112.

113. 114. 115. 116. 117. 118. 119. 120. 121. 122.

Pilar Goya Laza y Pascual Román Polo La aceleración del universo. Pilar Ruiz Lapuente Blockchain. D. Arroyo Guardeño, J. Díaz Vico y L. Hernández Encinas El albinismo. Lluís Montoliu Biología cuántica. Salvador Miret Artés Islam e islamismo. Cristina de la Puente El ADN. Carmen Mora Gallardo y Karel H. M. van Wely Big data. David Ríos Insua y David Gómez-Ullate Oteiza Verdades y mentiras de la física cuántica. Carlos Sabín La quiralidad. Luis Gómez-Ortigüela Sainz Las diatomeas y los bosques invisibles del océano. Pedro Cermeño Los bacteriófagos. Lucía Fernández, Diana Gutiérrez, Ana Rodríguez y Pilar García Nanomecánica. Daniel Ramos Vega Cerebro y ejercicio. José Luis Trejo y Coral Sanfeliu Enfermedades raras. Francesc Palau La innovación y sus protagonistas. Elena Castro Martínez e Ignacio Fernández de Lucio Marte y el enigma de la vida. Juan Ángel Vaquerizo Las matemáticas de la pandemia. Manuel de León y Antonio Gómez Corral Ciberseguridad. David Arroyo Guardeño, Víctor Gayoso Martínez y Luis Hernández Encinas Pensar en español. Reyes Mate La esclerosis múltiple. Leyre Mestre y Carmen Guaza Por qué y cómo se hace la ciencia. Pere Puigdomènech

¿de qué sirve la ciencia si no hay entendimiento?

¿ QUÉ SABEMOS DE?

Nanotecnología para el desarrollo sostenible

Los Objetivos del Desarrollo Sostenible representan la estrategia primordial del ser humano para poder garantizar su futuro, y la ciencia y la tecnología son dos de las herramientas indispensables que pueden ayudar a alcanzar dichos objetivos. La nanotecnología, es decir, el conocimiento aplicado de lo diminuto, jugará un papel clave en esa estrategia junto con otras ramas del saber. La intención de este libro es, precisamente, conectar el conocimiento sobre el mundo de lo diminuto con las soluciones y estrategias necesarias para lograr la supervivencia de la especie humana en un adecuado equilibrio con la naturaleza de la que forma parte. En definitiva, en esta obra se muestra cómo el conocimiento acumulado sobre el nanomundo nos ayudará a mejorar nuestra calidad de vida sin comprometer el futuro de nuestros descendientes. Pedro A. Serena Domingo es doctor en Ciencias Físicas por la Universidad Autónoma de Madrid e investigador científico del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Sus líneas de investigación están relacionadas con la modelización y simulación de distintas propiedades de nanosistemas. Entre otros cargos, ha sido gestor de la Acción Estratégica de Nanotecnología del MICINN, coordinador del Área de Ciencia y Tecnología de Materiales del CSIC, delegado institucional del CSIC en la Comunidad de Madrid y director del Centro de Física Teórica y Matemáticas.

ISBN: 978-84-00-10780-2

¿QUÉ SABEMOS DE? Pedro A. Serena Domingo NANOTECNOLOGÍA PARA EL DESARROLLO SOSTENIBLE

62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75. 76. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89. 90. 91. 92. 93. 94. 95. 96. 97. 98. 99. 100.

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1. El LHC y la frontera de la física. Alberto Casas 2. El Alzheimer. Ana Martínez 3. Las matemáticas del sistema solar. M. de León, J. C. Marrero

¿ QUÉ SABEMOS DE?

Nanotecnología para el desarrollo sostenible

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Pedro A. Serena Domingo

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y D. Martín de Diego

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

El jardín de las galaxias. Mariano Moles Las plantas que comemos. Pere Puigdomènech Cómo protegernos de los peligros de Internet. Gonzalo Álvarez Marañón El calamar gigante. Ángel Guerra Sierra y Ángel F. González González Las matemáticas y la física del caos. M. de León y M. Á. F. Sanjuán Los neandertales. Antonio Rosas Titán. Luisa M. Lara La nanotecnología. Pedro A. Serena Domingo Las migraciones de España a Iberoamérica desde la Independencia.

13. 14. 15. 16.

El lado oscuro del universo. Alberto Casas Cómo se comunican las neuronas. Juan Lerma Los números. Javier Cilleruelo y Antonio Córdoba Agroecología y producción ecológica. Antonio Bello, Concepción Jordá

17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47.

La presunta autoridad de los diccionarios. Javier López Facal El dolor. Pilar Goya Laza y Mª Isabel Martín Fontelles Los microbios que comemos. Alfonso V. Carrascosa El vino. Mª Victoria Moreno-Arribas Plasma. Teresa de los Arcos e Isabel Tanarro Los hongos. M. Teresa Tellería Los volcanes. Joan Martí Molist El cáncer y los cromosomas. Karel H. M. van Wely El síndrome de Down. Salvador Martínez Pérez La química verde. José Manuel López Nieto Princesas, abejas y matemáticas. David Martín de Diego Los avances de la química. Bernardo Herradón García Exoplanetas. Álvaro Giménez La sordera. Isabel Varela Nieto y Luis Lassaletta Atienza Cometas y asteroides. Pedro José Gutiérrez Buenestado Incendios forestales. Juli G. Pausas Paladear con el cerebro. Francisco Javier Cudeiro Mazaira Meteoritos. Josep Maria Trigo Rodríguez Parasitismo. Juan José Soler El bosón de Higgs. Alberto Casas y Teresa Rodrigo Exploración planetaria. Rafael Rodrigo La geometría del universo. Manuel de León La metamorfosis de los insectos. Xavier Bellés La vida al límite. Carlos Pedrós-Alió El significado de innovar. E. Castro Martínez e I. Fernández de Lucio Los números trascendentes. Javier Fresán y Juanjo Rué Extraterrestres. Javier Gómez-Elvira y Daniel Martín Mayorga La vida en el universo. F. Javier Martín-Torres y Juan Francisco Buenestado La cultura escrita. José Manuel Prieto Biomateriales. María Vallet Regí La caza como recurso renovable y la conservación de la naturaleza. Jorge Cassinello Roldán Rompiendo códigos. Vida y legado de Turing. M. de León y Á. Timón Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar. José Vicente García Ramos Las células madre. Karel H. M. van Wely Los metales en la Antigüedad. Ignacio Montero El caballito de mar. Miquel Planas Oliver La locura. Rafael Huertas Las proteínas de los alimentos. Rosina López Fandiño Los neutrinos. Sergio Pastor Carpi Cómo funcionan nuestras gafas. Sergio Barbero Briones El grafeno. Rosa Menéndez y Clara Blanco Los agujeros negros. José Luis Fernández Barbón Terapia génica. Blanca Laffon, Vanessa Valdiglesias y Eduardo Pásaro Las hormonas. Ana Aranda La mirada de Medusa. Francisco Pelayo

48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57 . 58. 59. 60. 61.

Consuelo Naranjo Orovio

y Julio César Tello