Modelización teórica de ‘nano-objetos’

Ruptura de cuatro nanohilos. Cada bola representa un átomo de níquel. | P. García-Mochales (UAM) y S. Peláez (ICMM-CSIC).

Esta semana tengo la oportunidad de poder charlar con Pedro Serena, polifacético investigador científico del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) (. A sus éxitos en ciencia se suman su buen hacer como divulgador y su contribución a la gestión de la política científica.

Pedro Serena (ICMM-CSIC).Pedro Serena (ICMM-CSIC).

Mónica Luna.- Comenzando por su trabajo como investigador, ¿nos podría explicar cuál es el papel de un científico teórico en el campo de las Nanociencias?

Pedro Serena.- La labor consiste en averiguar, a partir la elaboración de modelos y de la resolución de las ecuaciones matemáticas que de ellos se derivan, las propiedades que los materiales de tamaño nanométrico tendrán. La información adquirida también puede permitir optimizar la forma en la que deben ser sintetizados.

M. L.- ¿Y cómo lo consiguen?

P. S.- Mediante distintos tipos de aproximaciones. En una de ellas, que lleva el nombre de cálculo ‘ab initio’, se parte de las leyes básicas de la naturaleza, sin asunciones adicionales, y de los constituyentes básicos aislados, es decir, los átomos con sus nubes electrónicas, para obtener como resultado la estructura electrónica de los sistemas estudiados, su energía de cohesión, sus propiedades eléctricas, mecánicas, ópticas, etc. El sueño de los teóricos que trabajan en nanotecnología es poder simular y entender la estructura y el comportamiento todo tipo de nano-objetos.

M. L.- Imagino que estos cálculos serán muy costosos, desde el punto de vista de la cantidad de operaciones que tienen que realizarse hasta llegar al nano-objeto.

P. S.- Esa es justamente la desventaja de este método. Con la capacidad de cálculo de los ordenadores actuales no es fácil poder simular nano-objetos de más de 1000 átomos, a no ser que tengamos a mano alguno de los supercomputadores que ya hay en España. La otra forma de emular teóricamente los nanomateriales, válida para un mayor número de átomos, utiliza interacciones entre los átomos descritas de una forma más simple y mediante herramientas como la “dinámica molecular” llegamos a conocer cómo las estructuras se deforman o reaccionan ante fuerzas exteriores.

Estructuras icosaédricas durante la ruptura de un nanohilo. | P. García-Mochales (UAM) y S. Peláez (ICMM-CSIC).Estructuras icosaédricas durante la ruptura de un nanohilo. | P. García-Mochales (UAM) y S. Peláez (ICMM-CSIC).

M. L.- El poder conocer las propiedades de una nanomaterial antes de ser fabricado en la realidad, supongo que es altamente ventajoso, en cuanto al ahorro en tiempo y dinero.

P. S.- Las simulaciones teóricas están llegando a ser tan precisas que se habla de la experimentación ‘in silico’, es decir, experimentación mediante cálculos de ordenador. La simulación teórica completa la visión que se obtiene del nanomundo a partir de los resultados experimentales y nos permite ahorrar en algunos casos la realización de costosos experimentos o diseñarlos de una manera más eficiente.

M. L.- ¿Al estudio de qué tipo de nano-objetos ha enfocado su trabajo?

P. S.- Hemos tratado de explicar el comportamiento de nanohilos metálicos, su geometría, sus propiedades mecánicas, cómo se deforman, y cómo se rompen. Más recientemente hemos aplicado el conocimiento adquirido a la simulación de la materia blanda, al estudio de las propiedades mecánicas de los virus. En este caso utilizamos técnicas más ingenieriles: simulamos el virus mediante pequeños elementos y mediante sofisticadas ecuaciones describimos su deformación por la presión ejercida por otro nano-objeto (como la punta de un microscopio de fuerzas atómicas). Otros estudios en los que estamos trabajando están relacionados con la propagación de luz en microscopios ópticos de campo cercano.

Propagación de la luz a través de un microscopio óptico de campo cercano. | M. Douas (ICMM-CSIC) y M. Marqués (UAM).

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Propagación de la luz a través de un microscopio óptico de campo cercano. | M. Douas (ICMM-CSIC) y M. Marqués (UAM).

M. L.- En relación con su faceta divulgadora, en su libro: ‘La nanotecnología’, habla, entre otros muchos temas, de las particularmente interesantes propiedades de los nanocables.

P. S.- En los nano-hilos es la mecánica cuántica la que rige el comportamiento de la conductividad a través de ellos. Además, el transporte de los electrones puede estar dentro del régimen balístico, es decir, apenas sufren colisiones en su camino y por tanto la resistencia eléctrica es muy baja. Entonces, la ley de Ohm que nos han enseñado en nuestra adolescencia y en la Universidad deja de tener sentido. Este comportamiento nuevo lo podemos usar a nuestro favor, diseñando nuevos dispositivos ‘balísticos’ o con una rica fenomenología cuántica.

M. L.- ¿Qué tipos de nuevos componentes electrónicos cree que podrían reemplazar en el futuro a los componentes actuales basados en el silicio?

P. S.- Hay varios candidatos: moléculas electroactivas, nanotubos de carbono, grafeno, nanohilos de diversos materiales, puntos cuánticos…

M. L.- ¿Cómo afectarán estos nuevos elementos nanotecnológicos a los dispositivos que ahora manejamos?

P. S.- Intentar adelantarse a lo que ocurrirá en el futuro siempre es un ejercicio difícil, pero seguramente las pantallas serán muy grandes, táctiles, flexibles y plegables. Los ratones y los teclados desaparecerán y podremos comunicarnos verbalmente con las máquinas. Los procesadores y memorias serán tan pequeños que estarán distribuidos sobre la propia pantalla, como de hecho ya empieza a verse en muchos equipos modernos.

M. L.- En su libro, nos muestra centenares de aplicaciones de la nanotecnología, muchas de las cuales ya están a nuestra disposición, sin olvidar mencionar, también, los riesgos que conllevan.

P. S.- En estos momentos estamos asistiendo a la primera fase de inserción de la nanotecnología en nuestras vidas, bien mediante sofisticados equipos nanoelectrónicos, bien mediante una serie de productos poco elaborados basados en nanopartículas, nanotubos de carbono y otros tipos de nanomateriales que han comenzado a usarse en la fabricación de materiales estructurales, vehículos, automoción, medicamentos, envases de alimentos, productos cosméticos, etc… Un paso muy importante que hay que dar en esta etapa es la elaboración de una normativa específica por parte de organismos nacionales e internacionales, basada en datos fiables, obtenidos a partir de estudios toxicológicos de cada uno de los materiales.

M. L.- Dada la enorme variedad de nanomateriales emergentes no parece que esta vaya a ser una tarea fácil.

P. S.- La cantidad de trabajo que queda por hacer es ingente, pero a medida que se vaya progresando en la caracterización de sustancias y de su posible impacto, el número de nuevas ‘nanosustancias’ registradas en las bases de datos crecerá de manera imparable. Por ejemplo, se prevé que la base de datos vinculada a la normativa europea duplicará su tamaño en menos de una década. En realidad se trata de un proceso muy complejo y costoso que va a requerir un largo periodo de tiempo. Mientras tanto se nos pide que en laboratorios y fábricas se trabaje usando el sentido común, aplicando el principio de precaución.

M. L.- Por último, aprovechando su experiencia como experto en políticas científicas de estrategia nanotecnológica, me gustaría que me hablara sobre el papel de España en el campo de la nanotecnología.

P. S.- En ranking de PIB España ocupa el puesto 12º. En resultados científicos, en general, nos encontramos entre el lugar 10º y el 11º. En resultados nanotecnológicos hemos llegado a ocupar el puesto 7º y ahora nos encontramos en el puesto 9º. Estas cifras indican que el conocimiento científico de España, y en particular en nanotecnología, es el adecuado, o incluso algo mejor que el esperado en relación con su PIB.

M. L.- ¿Cuál es el porcentaje de PIB que se dedica en España a la investigación?

P. S.- Alrededor del 1,38% del PIB en 2009 . La media europea es cercana al 1.9%. Es importante notar que mientras que en la media europea, casi las 2/3 partes de la inversión dedicada a investigación y desarrollo es capital privado, el tercio restante lo aporta el Estado. En España, aproximadamente el 45% de los recursos dedicados a I+D (0,64% del PIB) proceden de inversión privada. Si España quisiera acercarse a la media Europea, en cuanto a inversión en investigación (2% del PIB), 1/3 debería provenir del Estado (es decir, un 0,67 %) y el resto (1,3 %) del capital privado. Esto indica que la inversión pública en actividades de I+D ya ha llegado prácticamente a su nivel de saturación, sin embargo, para igualarnos con la media europea, la inversión con fondos privados debería multiplicarse casi por dos.

M. L.- ¿Cómo se podría en España atraer más capital privado hacia la investigación?

P. S.- De muy diversas formas. Una de ellas podría ser orientando una mayor parte de la investigación hacia objetivos que sean de interés a sectores estratégicos económicos españoles.

M. L.- ¿Cuáles cree que serán los sectores empresariales españoles que más se beneficiarán de los avances nanotecnológicos?

P. S.- España destaca en varios sectores industriales. La investigación en nanotecnología debe apoyarlos para que sigan siendo competitivos. Por ejemplo, España es líder mundial en aerogeneradores. Los materiales nanocompuestos tendrán un gran protagonismo en la construcción de las torres y palas de grandes dimensiones. La nanotecnología también debe servirnos para no perder posiciones en la dura competencia que hay en el mundo de las energías renovables, la desalación del agua, la industria alimentaria, etc.

M. L.- ¿Qué otras empresas se beneficiarán de la nanotecnología?

P. S.- La sanidad pública española está evaluada como la 4ª mejor del mundo. Estados Unidos ha intentado recientemente copiar nuestro sistema sanitario. Gracias a la fuerza de esta actividad en España existe un consumo importante de fármacos, una importante actividad clínica, así como un tejido industrial de pymes farmacéuticas y médicas. La nanotecnología aportará sistemas de diagnóstico mucho más precisos, nuevas terapias y fármacos, así como nuevos implantes para la regeneración de tejidos. Por otra parte, somos proveedores de componentes de automoción para las empresas ensambladoras, industria que ya está integrando desarrollos nanotecnológicos en sus materiales, adhesivos, pinturas, etc.

M. L.- La administración española ha realizado un claro esfuerzo en los últimos años por generar conocimiento nanotecnológico y potenciar la transferencia de resultados a la industria, ¿qué aspecto cree que se podría mejorar de esta política de investigación científica?

P. S.- España tiene un sistema de tributación de impuestos modélico, que varios países quieren copiar. Creo que la gestión científica española se debería profesionalizar de forma similar a como lo ha hecho la Agencia Tributaria. Quizás esto se logre con la puesta en marcha de la nueva agencia de financiación y evaluación de la I+D que surge al amparo de la nueva Ley de la Ciencia. Debería existir una gestión dirigida a objetivos estratégicos concretos, basados en estudios de prospectiva, con indicadores de los resultados. Y por supuesto, que estos esquemas no cambien con cada legislatura.

Mónica Luna es investigadora en Nanociencia y Nanotecnología del Instituto de Microelectrónica de Madrid (CNM-CSIC).
monica.luna.estevez@gmail.com

 

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