Fármacos personalizados y tratamientos dirigidos, instrumentos ópticos, componentes de ordenadores, dispositivos de almacenamiento y baterías,  cosméticos, textiles. Son productos que podemos ver, pero todos ellos llevan incorporadas partículas que no se observan a simple vista y que resultan esenciales para sus aplicaciones. Son los nanomateriales, con propiedades muy diferentes a escala atómica que a su escala convencional. La nanotecnología, el proceso de manipular estos átomos y moléculas, necesita de procesos e instrumentos complejos, pero a cambio promete revoluciones en todas las áreas de la ciencia y la industria, como el tratamiento del cáncer y la edificación sostenible.

Texto: Patricia Ruiz Guevara | periodista de ciencia 

Entendemos cuánto es un metro, un centímetro y un milímetro. Lo vemos con los ojos, lo abarcamos con los brazos y los dedos. Incluso imaginamos la micra, aunque ya queda oculta a nuestra vista. Un nanómetro es diferente. Este prefijo significa dividir una unidad entre mil millones, es decir, la mil millonésima parte de un metro. Es imposible imaginar eso porque escapa de lejos a la capacidad de nuestra visión; forma parte del mundo atómico (los átomos miden entre 0,1 y 0,4 nanómetros).

Sin embargo, aunque no los veamos, los materiales de esas dimensiones ya forman parte de nuestra vida gracias a la nanociencia, disciplina que surgió hace unos 50 años y estudia los fenómenos físicos a escala nanométrica, y la nanotecnología, que es el diseño, creación y manipulación de estructuras y objetos comprendidos entre 1 y 100 nanómetros. Su aplicación para desarrollar objetos con nuevas propiedades es tan amplia y dispar que la envergadura se vuelve gigante, pese a ser conocida como la ciencia de lo pequeño. ¿Hasta dónde puede llegar?

Suena el despertador en tu teléfono móvil; sus chips incorporan nanomateriales. Vas al baño y una de las cremas cosméticas que usas para mejorar la piel contiene nanopartículas de oro funcionalizadas con ácido hialurónico. Después, para hacerte el desayuno, usas un cuchillo que tiene nanopartículas de plata incrustadas con actividad antimicrobiana. Son algunos de los ejemplos que pone Eva Pellicer, catedrática del Departamento de Física de la Universidad de Barcelona (UB), para mostrar cómo lo nano forma ya parte de nuestro día a día.

Hay más de 11.000 productos a la venta en todo el mundo que incluyen nanotecnología, según recoge la base de datos del sitio web StatNano a la que nos referencia Pedro Serena, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Los hay en todos los sectores, pero los líderes son la electrónica (1.962), la medicina (1.318), la construcción (1.170) y la cosmética (1.011). Más atrás, también el textil, las cosas del hogar, la automoción y la alimentación. Por ejemplo, se mencionan las chocolatinas americanas M&M's, que llevan nanopartículas de dióxido de titanio, que se usa como colorante artificial y aditivo alimentario; en la Unión Europea está prohibido con ese uso desde 2022.

Si nos centramos en Europa, Serena menciona el observatorio que mantiene Dinamarca, The Nanodatabase, donde hay recogidos 5.367 productos, “incluidas cosas bastante curiosas, como refrigeradores con sistemas de purificación basados en nanopartículas de plata”, señala.

“Hablamos de aplicaciones reales que ya están en nuestras vidas, no son estudios de laboratorio con perspectivas futuras. Hay sectores donde la nanotecnología está muy establecida desde hace muchos años”, afirma Jordi Diaz-Marcos, coordinador de la Unidad de Técnicas Nanométricas de los centros científicos y tecnológicos de la Universidad de Barcelona (CCiTUB) y de la Unidad de Divulgación de las Nanotecnologías, Nanodivulga UB.

Para fabricar esos productos, primero hay que idearlos. Si hablamos de producción científica a escala nano, China se desmarca y encabeza la lista, seguida de India y Estados Unidos; España está en el número 13. En cuanto a patentes, aquí gana por goleada EE. UU.; después Corea del Sur, China, Taiwán, Japón y Arabia Saudí. España ocupa el puesto 21.

Átomo a átomo

Los fenómenos cuánticos que tienen lugar a escala atómica son complejos, y entender cómo se comporta la materia requiere una cantidad de conocimiento imposible de recoger en unas líneas. A esa escala, las nanopartículas cuentan con propiedades físicas y químicas nuevas y muy diferentes a las que tiene el mismo material a escala convencional. Por ejemplo, el superparamagnetismo de los nanoimanes, o mejoras en la conductividad eléctrica y térmica, o nuevos materiales, señala Serena.

Para manipular la materia a escala nanométrica y convertir las ideas científicas en realidad hacen falta potentes instrumentos, como los microscopios de sonda de barrido o el microscopio de efecto túnel, y técnicas muy avanzadas. El colmo de la complejidad es manejar los átomos de forma individual. En 2022, en un estudio publicado en Science, del que formaban parte investigadores del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela, se consiguió manipular los enlaces entre los átomos de una molécula, uno a uno, para cambiar su estructura. Es decir, modificar moléculas átomo a átomo como si usaran “pinzas nanométricas”, explicó uno de los autores. Un hito porque, hasta ahora, para conseguirlo había que introducir nuevos átomos y moléculas que interactuaran con las que ya había, y es lo que se sigue haciendo.

“El manejo átomo a átomo es algo bastante ambicioso. Se suelen utilizar otras técnicas, por ejemplo, microscopías de litografías, y vamos retirando material a través de ataques, por ejemplo, a siete nanómetros. Eso ya son un montón de átomos, no es átomo a átomo, pero es una estructura nanométrica, donde las propiedades de la materia van a cambiar”, explica María Ujué González, científica titular en el Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM, CSIC). En su laboratorio tienen equipos de litografía EBL, por haz de electrones, que sirve para “escribir con un haz de electrones motivos con un resolución de hasta 5 nanómetros en una resina sensible a los electrones, y así definir máscaras para posteriores ataques o deposiciones de materiales y formar estructuras de tamaños nanométricos”. Y también FIG, equipo de litografía por haz de iones, “donde se graban directamente motivos de tamaño mínimo, en torno a los 7 nanómetros, sobre el material que queramos”.

Los átomos también se pueden alterar con reacciones químicas, creando oxidaciones y generando poros de tamaño nanométrico que luego se rellenan con otro material; por ejemplo, aluminio. También hay técnicas para evaporar parte de los átomos y luego depositar otros; esto se puede hacer con oro y plata. “No es que tú vayas tocando átomo a átomo, sino que utilizas procesos para forzar que se muevan y luego choquen y se junten entre ellos para crear nuevas reacciones. Son procesos que requieren una precisión muy grande”, subraya González.

En IMDEA Nanociencia, Isabel Rodríguez dirige el Grupo de Superficies Nanoestructuradas, donde trabajan en el desarrollo de materiales micro y nanoestructurados con funcionalidades nuevas o mejoradas, utilizando las tecnologías de nanofabricación. “Utilizamos litografía de nanoimpresión (NIL) para crear nuevos dispositivos o dotar a materiales poliméricos con nuevas funcionalidades. Es como un proceso de estampación de un molde que contiene litografiados motivos a micro o nanoescala sobre un polímero fundido. Tras el desmolde, permite la transferencia de patrones con una altísima resolución, de hasta unidades de nanómetro”, detalla Rodríguez. La experta considera que esta tecnología puede hacer económicamente viable la fabricación de productos de consumo que incorporen nanotecnología, como usos en medicina.

Nanomedicina

Todas las aplicaciones son importantes y tienen impacto, pero es indiscutible que pensar en que la nanotecnología pueda ayudar a curar enfermedades como el cáncer es emocionante. Nanofármacos que viajan hasta el centro de la enfermedad, nanobiosensores para diagnósticos, y formas nuevas de investigar y testar tratamientos son algunas opciones.

También en las vacunas contra la COVID-19. “El ARN que se utiliza para los anticuerpos se encapsula en nanopartículas de lípidos para que pueda llegar protegido a donde está la información genética en nuestro cuerpo”, explica González, del IMN-CNM. Es lo mismo que se puede hacer para introducir quimioterapias o inmunoterapias de manera local en las células cancerosas, “porque a veces lo difícil es poder llegar justo a la zona donde está el tumor”. Esto se conoce como drug delivery (administración de fármacos) y hace que “se absorban justo donde se necesita y se minimicen los efectos secundarios”. Se consigue aplicando un campo magnético con luz para que las nanopartículas se calienten localmente y roten, y así es como se pueden manipular y atravesar mejor los tejidos.

En el grupo de Rodríguez, en IMDEA Nanociencia, trabajan en dispositivos denominados tumores en un chip para crear in vitro un modelo de tumor. “Son dispositivos microfluídicos que fabricamos mediante microimpresión en polímeros y permiten la observación en tiempo real de procesos dinámicos. Recreamos el microambiente tumoral y las barreras fisiológicas más importantes para el transporte de nanofármacos administrados por vía intravenosa hasta su entrega a los tumores”, explica. Así pueden evaluar y predecir parámetros de transporte, para saber cómo llegarían a un tumor real. “Los dispositivos tumor en un chip son una herramienta útil para los ensayos preclínicos en el desarrollo de nuevas nanomedicinas, y se ha planteado como alternativa para reducir las pruebas con animales”, añade la investigadora.

Poder disponer modelos fisiológicos personalizados en un chip y que se puedan hacer a gran escala también permitiría avanzar en tratamientos personalizados, algo clave en una enfermedad como el cáncer. “La incorporación de tejidos tumorales de pacientes, obtenidos de biopsias, es el próximo desafío en la tecnología de tumor en un chip. En estos modelos personalizados se podrán probar diferentes terapias y seleccionar la más eficaz y adecuada para cada paciente antes de ser administrada”, asegura Rodríguez.

Hay mucho en fase de investigación. En el Vall d’Hebron Instituto de Oncología se lleva a cabo un estudio clínico para usar nanopartículas para el tratamiento del cáncer de páncreas localmente avanzado, uno de los más mortales. En el CSIC trabajan con distintos recubrimientos de nanopartículas de hierro como terapias inductoras de estrés oxidativo para tratar el cáncer.

Pellicer, de la UB, recuerda que el uso real de nanopartículas en medicina, y en particular en oncología, “quizás está algo más retrasado porque tienen que pasar filtros muy estrictos de las correspondientes instituciones regulatorias”. Pero ya hay empresas farmacéuticas que tienen en su catálogo algunos productos que incorporan nanopartículas para detección y tratamiento del cáncer, como Nanotherm® y sus nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de silanos para hipertermia magnética: “Las nanopartículas generan calor al ser expuestas a un campo magnético alterno externo, provocando la muerte del tumor pero resultando inocuo para los tejidos circundantes”.

En construcción y energía

En el sector de la construcción la nanotecnología hace que los materiales y edificios adquieran propiedades que pueden parecer mágicas. ¿Una superficie que se come la contaminación? Más o menos esto consigue el óxido de titanio, que hace una especie de efecto fotosíntesis. “Si la contaminación orgánica que pueda salir de los coches y en general de las ciudades se queda atrapada en el agua y entra en contacto con el óxido de titano, se puede eliminar. Gracias a estas propiedades superoxidantes se ha utilizado en pinturas para el revestimiento y fachada de los edificios”, explica Diaz-Marcos. Es un efecto que se está estudiando para evitar problemas como la rápida saturación de la superficie.

También hay productos que pueden ser superhidrofóbicos, como el óxido de silicio a nanoescala. “Si recubrimos con estos nanomateriales una superficie esta no se moja; cuando la gota entra en contacto con la superficie resbala y puede arrastrar la suciedad. Es como si fuera autolimpiable”, indica. Esto se puede usar en edificios, cocinas y también para fabricar nuevos aceros haciéndolos más resistentes a la corrosión y a la fatiga.

Las nanopartículas también se están usando para rellenar granos de cemento y mejorar sus propiedades, como reducir la porosidad, evitar la fisuración y mejorar la resistencia. Es lo que ocurre con el nanocemento de la empresa BASF, ejemplifica Diaz-Marcos: “Gracias a la combinación de propiedades de los nanomateriales podemos lograr materiales que sequen más rápido, sean más eficientes y reduzcan los tiempos de fabricación en la construcción”.

En el caso de las energías renovables, hay registrados 591 productos en todo el mundo que contienen nanotecnología, de 422 compañías en 43 países distintos. Por ejemplo, las nanoestructuras 3D se pueden utilizar para la fabricación de paneles solares y hay nanorecubrimientos que se usan en las palas de los aerogeneradores, como nanotubos de carbono. También se está trabajando en nuevas baterías y pilas de combustible con nanomateriales para la conversión de hidrógeno, señala Serena, del CSIC.

En el ámbito nuclear, se investiga el uso de nanomateriales para fabricar reactores más eficientes y para gestionar de forma más segura los residuos nucleares. Por ejemplo, nanopartículas para los sistemas de seguridad que actúen como un refrigerante si se produce un accidente, y sensores de detección. También se podrían usar nanomateriales absorbentes para detectar fugas radiactivas que puedan producir contaminación en el agua, ejemplifica Serena: “Con poros nanométricos y sistemas de membranas con materiales nanoporosos podríamos mejorar la depuración del agua y descontaminar”. En la base de datos de StatNano hay varios productos registrados bajo estas funciones en Japón y Rusia. También hay (y puede haber más en el futuro a medida que avance la investigación en óxido de uranio) nanopartículas en el combustible nuclear.

Todo esto para conseguir electricidad, así que también es de recibo contar que, según los expertos, la próxima generación de iluminación LED también tendrá nanotecnología. “Con nanomateriales se puede aumentar la intensidad y el brillo de los colores a la vez que mantenemos la eficiencia energética, y se puede usar en pantallas y bombillas”, añade Serena.

Una tecnología transversal

Como se deduce, la nanotecnología no es una única tecnología, sino un término paraguas a muchos procesos y herramientas, y también es una tecnología horizontal, como la informática o la biotecnología, que facilita el camino a otras ramas y disciplinas. La Unión Europea la considera una KET (Key Enabling Technology, una tecnología facilitadora esencial para la innovación), recuerda Pellicer, por su potencial para abordar desafíos sociales, como el suministro de energía y la atención médica.

“Estas tecnologías transversales pueden aplicarse en todos los sectores, y ayudar a todos los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU”, afirma Serena, que también es autor del libro Nanotecnología para el desarrollo sostenible. De hecho, la producción industrial sostenible y la agricultura son otros enfoques donde se puede usa la nanotecnología; por ejemplo, con los nanotransportadores, que permiten el transporte de productos con actividad biológica a lugares concretos de una planta.

Además, los conceptos de la nanotecnología son “trasladables”. Por eso la importancia de los equipos multidisciplinares, donde se muevan las ideas y los nanomateriales puedan acabar usándose tanto en la industria de los pegamentos como en la biomedicina. Se trata de una tecnología que parte de lo ínfimo, inentendible, inimaginable, para llegar a ideas gigantes. De los nanomateriales de 10-9 a gigasoluciones de 109, y hasta donde la ciencia lleve.