El nanomundo, es un ámbito fascinante
de estudio e investigación,
repleto de objetos diminutos que debido a su nanotamaño,
se escapan de nuestra percepción,
pero están más cerca de lo que pensamos,
en lugares muy próximos y objetos cotidianos.
Sin duda, la investigación científica en este ámbito,
está siendo fundamental
para el desarrollo de nanomateriales, nanodispositivos,
y estrategias de fabricación que van a permitir revolucionar
la manera de comunicarnos, transportarnos,
diagnosticar y tratar enfermedades, producir y almacenar energía,
detectar y eliminar la contaminación y hasta construir nuestros hogares.
"Sin duda, una nueva revolución industrial,
con grandes implicaciones sociales",
tal y como argumenta Pedro Serena, doctor en Ciencias Físicas
e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales del CSIC.
Su obra, "¿Qué sabemos de... Nanotecnología?"
publicada de forma conjunta, por el CSIC y la Editorial Catarata,
es un claro ejemplo de trabajo de investigación riguroso,
que trata de acercar la ciencia a la sociedad.
Una línea, que ha permitido emprender un proyecto
de estrecha colaboración entre el CSIC y la UNED,
cuyo resultado ha sido la realización
de esta serie de programas de televisión,
para dar a conocer el conocimiento científico en el ámbito de lo nano
que actualmente se está produciendo en nuestro país.
Nada más y nada menos
que 17 investigadores e investigadoras españolas
que están trabajando en ámbitos científicos como la química,
la física, la ingeniería, la biología,
van a ir desvelando lo que hay más allá de lo pequeño.
En el capítulo anterior María Victoria Moreno,
investigadora científica del CSIC y directora
del Instituto de Investigación en Ciencias de la Alimentación,
nos fue explicando aspectos poco conocidos de la nanotecnología
aplicada a los alimentos.
Experta enóloga, María Victoria,
está trabajando en una línea de investigación muy concreta
dentro de la alimentación: el vino y sus propiedades.
En este capítulo hablaremos de otro de los ámbitos
de aplicación de la nanotecnología: la fotónica.
Para ello, contamos con la colaboración de Ceferino López,
investigador científico
del Instituto de Ciencias de los Materiales del CSIC,
que nos va explicar, en detalle,
las interacciones de la luz con medios distintos y nanoestructuras.
Pero dejemos que él mismo nos lo cuente.
Nos encontramos en los exteriores
del Instituto de Ciencias de los Materiales, de Madrid,
aprovechando este magnífico día y, a muchas de las personas entrevistadas
ya les hemos preguntado qué es la nanotecnología, un nanómetro, etc,
pero a ti te toca decirnos por qué es tan interesante
hacer las cosas pequeñas.
¿Tiene sentido?
Esencialmente, hay dos motivos.
Uno es, cuánto más pequeñas las hagamos menos espacio ocuparán y,
por tanto, más funcionalidad podremos sacar por cada unidad de volumen.
Pero, aparte de eso existe una razón energética que es la de disipación,
cuanto más pequeños son los componentes menos energía
necesitan para ser activados y para funcionar.
¿Nos podrías contar qué estáis haciendo en vuestro grupo,
qué líneas seguís en estos momentos?
Nosotros nos dedicamos a estudiar las propiedades ópticas
y las funcionalidades derivadas
de la nanoestructuración de los materiales y, en particular,
estamos más concentrados en los fenómenos que ocurren
en la frontera entre el orden y el desorden.
Los materiales autoensamblados que nosotros fabricamos
tienen ciertas propiedades fotónicas,
debido al hecho de que están constituidos
por materiales repetidos regularmente,
y también estudiamos ciertos materiales
que están completamente desordenados.
Pero la frontera entre las propiedades
de los materiales muy bien ordenados y muy desordenados
son muy interesantes porque revelan nuevos fenómenos
que no ocurren ni en un campo ni en el otro.
Vosotros, durante mucho tiempo,
habéis estado trabajando en los materiales
que se autoensamblaban para formar estructuras ordenadas,
que son cristales fotónicos.
¿Nos puedes decir qué es un cristal fótonico,
qué propiedades tiene y para qué se puede utilizar?
Cuando la luz se propaga por un medio homogéneo lo hace,
como todos sabemos,
en línea recta y de una forma muy bien conocida.
Y, como decía antes, la luz sólo sufre fenómenos
cuando atraviesa la frontera entre materiales
que presentan distintas propiedades para la luz,
que están descritas, esencialmente,
por el índice de refracción.
Entonces, cuando estos cambios de medio ocurren periódicamente
la luz hay ocasiones en las que tiene dificultad para propagarse y,
de hecho, cuando la separación entre las fronteras es conmensurada
con la longitud de onda de la luz, la luz es incapaz de propagarse.
Es decir, un medio que inicialmente era transparente
se convierte en un medio opaco.
Las propiedades suscitadas por este fenómeno son amplias
y tienen muchas aplicaciones.
Y, en particular, se pueden construir láseres a partir de ello.
Nosotros realizamos estos medios ensamblando
pequeñas partículas de distintos materiales que, al juntarse,
producen medios periódicos de manera que podemos regular
la periodicidad de estos medios
para hacer que la luz visible no pueda propagarse por ellos,
y crear fenómenos interesantes y aplicados.
¿Nos podrías decir qué utilidades
tiene un cristal fotónico y para qué sirve?
Esencialmente, los cristales fotónicos lo que hacen es impedir
que ciertas longitudes de onda se propaguen
y esto se traduce en la creación de colores.
Normalmente, los colores que vemos en la naturaleza
tienen el origen en la pigmentación.
Es decir, hay ciertas sustancias
que absorben ciertas longitudes de onda y producen colores,
como el verde de los árboles o el rojo de la cresta del gallo.
Sin embargo, mediante los cristales fotónicos
podemos producir coloración sin necesidad de pigmentos.
Es decir, no hay ninguna absorción de la luz,
solamente hay transmisión o reflexión de manera que,
por ejemplo, las piedras preciosas denominadas ópalos,
tienen colores no porque absorban luz
sino porque reflejan ciertas gamas de colores.
Este fenómeno puede ser aprovechado en ciertas aplicaciones,
por ejemplo, para crear láseres.
De manera que las longitudes de onda
que el cristal fotónico permite o no permite propagarse
pueden ser amplificadas
cuando se añade un medio con ganancia en estas circunstancias.
Cuando hablabas de la luz
estás hablando de longitudes de onda de cientos de nanómetros,
sin embargo la nanotecnología parece que está
en el reino de los cien nanómetros hacia dimensiones inferiores.
¿Cuál es la conexión real
que hay entre los desarrollos en nanotecnología
y el dominio de la luz,
ya sea en dispositivos ópticos, optoelectrónicos...
Hay esencialmente dos ámbitos
en los que la nanotecnología es imprescindible para la fotónica
y ambos están relacionados con los metales.
La óptica de los metales hace que la interacción de la luz
con los metales tenga lugar en distancias mucho más cortas
que cuando lo hace con dieléctricos
y, en particular, esta medida viene dada
por los espesores típicos de metal que la luz puede atravesar, es decir,
se denomina la profundidad de la piel de los metales.
La plasmónica es la parte de la disciplina de la fotónica
que acopla la luz con los electrones de los metales,
por tanto, requiere de dispositivos mucho menores.
Y, por tanto,
se impone el uso de las técnicas de nanoelectrónica o nanotecnología.
Y, por otro lado, está el ámbito de los metamateriales
que es un nuevo tipo de materiales, que no son naturales,
y que tienen unas propiedades que ningún material natural presenta.
Y de nuevo, en este caso,
necesitamos hacer la nanoestructuración de materiales
y combinación de materiales
a escala mucho más reducida que la longitud de onda.
Antes has comentado el tema del cambio climático
y de la generación fotovoltaica como la gran solución.
Parece que la generación fotovoltaica está basada hoy en el silicio
porque es más barato pero,
¿cuáles van a ser las contribuciones de la fotónica,
la nanofotónica en los nuevos desarrollos fotovoltaicos?
En realidad el silicio no es más barato
y si ha sobrevivido tanto tiempo ha sido gracias a las subvenciones,
porque si consideramos la cantidad de energía que cuesta
fabricar una célula fotovoltaica de silicio,
realmente no compensa
porque el silicio se fabrica fundiendo arena
y eso cuesta enormes cantidades de energía.
Compensar eso es muy difícil.
Por otro lado, hay problemas como, por ejemplo,
la eficiencia de captura de la luz.
Y este es uno de los más arduos problemas
con los que nos enfrentamos.
Existen soluciones, propuestas,
que se basan en la nanoestructuración de la superficie y, en este sentido,
ya sean de silicio, de semiconductores 3-5 o de otros,
va a ser la clave de la solución del incremento de eficiencia
la nanoestructuración
y la colección de mayores cantidades de luz para transformar.
Por otro lado, tenemos el problema de que el espectro solar
es muy amplio y el silicio sólo captura una pequeña fracción.
En este sentido, se están desarrollando soluciones
sintetizando moléculas,
sintetizando puntos cuánticos y otras entidades materiales
que amplían el rango de absorción.
A lo que se tiende es a una especie de función clorofílica,
de manera que la luz solar sea transformada en energía
de la forma más eficiente y más amplia posible.
Has mencionado la plasmónica
y se sabe que hay marcadores plasmónicos
y también marcadores ópticos en el ámbito de la medicina, ¿no?
¿Cómo está conectada en este sentido
la nanofotónica y la fotónica tradicional con la medicina?
La utilidad que tienen, por ejemplo, las nanopartículas metálicas
es que tienen resonancia, es decir,
son capaces de absorber mucha cantidad de energía
a ciertas longitudes de onda.
De manera que, si fuéramos capaces de poner estas partículas
en tejidos que quisiéramos destruir, por ejemplo tejidos cancerosos,
podríamos hacer un calentamiento muy local
trasmitiendo luz a las regiones donde hay estas partículas.
Obviamente, necesitamos convencer a las partículas
de alojarse en los tejidos que queremos destruir y no en otros
y esto se hace funcionalizándolas
con marcadores que son adecuados a los receptores que pueda haber
en estos tejidos y que los distingan.
Necesitamos que sean realmente selectivos.
Esto habitualmente se hace con nanopartículas metálicas
pero se puede hacer con otras.
Y, en este sentido, también surge el problema
de enviar cantidades razonables de luz
a las zonas en donde queremos que sea absorbida
y puesto que los tejidos vivos difunden la luz
hay poca luz que llegue a esa zona.
Entonces, necesitamos desarrollar
formas inteligentes de preparar la luz
para que llegue a donde nosotros queremos y sólo allí.
Hablamos de aplicaciones en energía, en sanidad, en telecomunicaciones...
Obviamente, entonces, el ámbito de la nanotecnología,
en este caso conectada con la fotónica, son espectaculares.
Nuestros gobiernos parece que están metiendo mucho dinero,
pero en realidad, ¿todo esto va a ir a buen puerto?,
¿existe el peligro de que no se llegue a nada,
que las expectativas que tenemos sean demasiado grandes?
¿Qué opinas?
Sin duda las inversiones que se están realizando
en nanotecnología asociada con fotónica,
son justificadas y podemos tener confianza
en que van a devolver amplios réditos.
En este sentido, no sólo en el ámbito del diagnóstico,
o del tratamiento en la parcela de lo biomédico,
sino en muchos otros ámbitos como en comunicaciones,
detección por ejemplo de dopantes...
Esto se puede llevar al extremo de fabricar nanoantenas
que sean capaces de detectar moléculas aisladas.
Ya hemos mencionado las aplicaciones energéticas,
podemos pensar también en manipulación de objetos,
podemos concebir sistemas fotónicos
que sean capaces de extraer y seleccionar
células de un torrente sanguíneo, por ejemplo,
mediante manipulación fotónica
o podemos pensar en distintas otras aplicaciones en muchos otros campos.
De manera que las expectativas son amplias
y el panorama es muy optimista.
Me gusta terminar las entrevistas haciendo referencia
a un tema candente en cierta parte de la sociedad,
no toda, en general no está tan preocupada
por los temas científicos como nos gustaría,
pero es sobre los posibles riesgos de la nanotecnología
y su implementación en productos reales.
A tu juicio, ¿cuáles serían?, ¿cuánto de verdad hay?,
¿cuáles serían las formas en que estos riesgos no proliferasen,
si es que llegan a existir?
Se puede pensar que hay dos fuentes de riesgos
relacionados con la nanotecnología que están asociados, por un lado,
a los procesos de producción y,
por otro lado, a los entes mismos producidos.
En este sentido, existe bastante desconfianza a nivel popular
de las nanopartículas puesto que, aunque son materiales conocidos,
su estructura nanométrica les dota de unas propiedades
que los hace nuevos, desconocidos y potencialmente peligrosos.
Y, por otro lado, están los procesos.
Obviamente, la fabricación de estos materiales
puede involucrar ciertos riesgos aunque, en todo caso,
yo soy bastante optimista en este sentido.
Existe un tercer aspecto,
más centrado en la fotónica o lo que es relativo a la luz,
que es la creación de campos eléctricos,
electromagnéticos o magnéticos
que tocan una fibra un poco más cercana a lo mítico
y de la que desconfiamos ampliamente.
En este sentido, yo soy completamente optimista y no temo,
en absoluto, que esto pueda causar ningún problema.
Pero sé que hay que ser consciente de que es algo realmente importante
en la mentalidad de la gente.
Muchas gracias por la entrevista
con sus cambios de luminosidad que hemos sufrido.
Es lo que caracteriza a la fotónica.
En el próximo capítulo, Pablo Aitor Postigo,
investigador científico
del Instituto de Microelectrónica del CSIC,
nos hablará de diseño, fabricación
y caracterización de nanodispositivos fotónicos.
No os lo perdáis. Os esperamos.