En aquesta entrada del blog, analitzarem pas a pas el concepte de nanotecnologia, el seu desenvolupament, les tecnologies clau, les aplicacions, les perspectives de futur i les limitacions.
A la pel·lícula de ciència-ficció de 1987 "Innerspace", dirigida per Joe Dante, hi ha una escena on el protagonista explora l'interior dels vasos sanguinis a bord d'un dirigible minúscul. El concepte d'un dispositiu mecànic que viatja a través dels vasos sanguinis era un recurs argumental de ciència-ficció molt innovador en aquell moment, però avui ja no és una idea inversemblant. De fet, s'està duent a terme una investigació activa per utilitzar dispositius mecànics ultrapetits dins dels vasos sanguinis, i la nanotecnologia serveix com a base per a aquesta tecnologia. Sovint es diu que el segle XXI és l'era de les TI (Tecnologies de la Informació), la BT (Biotecnologia) i la NT (Nanotecnologia); la nanotecnologia s'ha establert com a tecnologia bàsica en diversos sectors industrials i continua avançant ràpidament. Tanmateix, malgrat la seva importància, la majoria de la gent no entén completament la nanotecnologia. En aquest article, examinarem què és la nanotecnologia, explorarem els seus antecedents tècnics i el procés de desenvolupament, classificarem la nanotecnologia en subtecnologies per examinar les seves àrees d'aplicació i, finalment, analitzarem el futur de la nanotecnologia i els possibles problemes que poden sorgir al llarg del camí.
La nanotecnologia fa referència a la tecnologia de sintetitzar, muntar i controlar materials a l'escala extremadament petita d'àtoms o molècules, així com a mesurar i elucidar les seves propietats. La "petita escala" a la qual es fa referència aquí generalment significa el rang d'1 a 100 nanòmetres (nm). Un nanòmetre és una mil·lionèsima part d'un metre, i el terme "nano" deriva de la paraula grega "nanos", que significa "nan". Tenint en compte que un cabell humà té un gruix d'uns 80,000 a 100,000 nanòmetres, és fàcil entendre a quina escala tan petita opera la nanotecnologia.
El concepte de nanotecnologia va ser proposat per primera vegada pel físic estatunidenc Richard Feynman. En una conferència del 1959 titulada "Hi ha molt d'espai a la part inferior" pronunciada a l'American Physical Society, va predir que arribaria una era en què seria possible crear lliurement estructures extremadament petites, fins i tot dins dels minúsculs espais a nivell molecular. Com a exemple, va explicar que tota l'Enciclopèdia Britànica es podia enregistrar en una superfície de la mida d'una sola forquilla. Com que el nivell de tecnologia de l'època encara no era prou avançat per fer-ho realitat, molts assistents van desestimar la seva afirmació com a poc realista.
El microscopi de túnel d'escombratge (STM), inventat el 1981, va ser fonamental per transformar la nanotecnologia, que abans semblava ciència-ficció, en un camp científic i tecnològic pràctic. Un STM és un dispositiu capaç d'observar o modificar l'estructura superficial de semiconductors o materials conductors a escala nanomètrica. Analitza les estructures superficials acostant una sonda amb una punta extremadament afilada a la superfície d'un objecte i aplicant després un voltatge entre la sonda i l'objecte per mesurar el corrent resultant. El desenvolupament del STM va anar més enllà de simplement observar superfícies de materials; va obrir la possibilitat de moure i organitzar àtoms i molècules. El 1986, cinc anys després de la invenció del STM, es va desenvolupar el microscopi de força atòmica (AFM).
A diferència de l'STM, l'AFM és un dispositiu en què la sonda fa contacte directe amb la superfície de l'objecte per mesurar el grau de moviment causat per les ondulacions dels àtoms. De la mateixa manera que s'utilitzaria un dit per palpar la superfície d'un objecte i determinar-ne la forma, l'AFM observa la superfície analitzant el moviment de la sonda. El desenvolupament de l'AFM va permetre analitzar fins i tot les superfícies de materials aïllants, que eren difícils d'observar amb l'STM.
Tanmateix, tant l'STM com l'AFM tenien limitacions crítiques. El problema més gran era que el procés trigava massa. L'ús d'aquests dispositius, que només podien moure un àtom o molècula a la vegada, per muntar materials visibles a simple vista era, en termes pràctics, una tasca que requeria una quantitat enorme de temps.
La persona que va proposar les màquines a nivell molecular com a solució a aquest problema va ser el científic estatunidenc Eric Drexler. Al seu llibre de 1986 "Engines of Creation", va argumentar que la nanotecnologia s'havia d'abordar a través de les màquines moleculars que es troben a la natura. Al llibre, va explicar que l'objectiu final de la nanotecnologia és desenvolupar màquines a nivell molecular, com ara els ribosomes, que utilitzen molècules com a blocs de construcció per assemblar les estructures macroscòpiques desitjades. Un ribosoma és un complex d'ARN i proteïnes que, dins dels organismes vius, combina aminoàcids per produir proteïnes basades en la informació genètica. En altres paraules, Drexler va argumentar que necessitem màquines a escala molecular, que, igual que els ribosomes sintetitzen proteïnes basades en la informació genètica de l'ADN, assemblarien molècules segons una seqüència preprogramada per produir els materials desitjats, i va anomenar aquestes màquines "assembladors". Tanmateix, encara no s'ha realitzat un assemblador de la forma que va proposar, cosa que significa que la ciència i la tecnologia modernes encara no han arribat a l'etapa definitiva de la nanotecnologia que ell preveia. Examinem, doncs, fins a quin punt ha avançat la nanotecnologia actual.
Generalment, la nanotecnologia es pot classificar en cinc subtecnologies segons la dificultat tècnica. Concretament, aquestes inclouen tecnologia per a la fabricació de nanomaterials; tecnologia de mesura per avaluar les propietats físiques i químiques de partícules a nanoescala; tecnologia per manipular i integrar nanomaterials fabricats; tecnologia d'aplicació per a nanodispositius; i tecnologia de modelització i simulació.
La primera categoria, la tecnologia de fabricació de nanomaterials, es divideix en dos enfocaments. Un és el procés de dalt a baix, que implica reduir gradualment la mida del material. Aquest mètode processa materials existents fins a la nanoescala, de manera molt semblant a tallar una pedra gran per fer una llança o una destral. Si bé aquest mètode té l'avantatge de permetre una fabricació relativament fàcil de les formes desitjades, té limitacions pel que fa al processament de precisió fins a mides extremadament petites. L'altre és la tecnologia de procés de baix a dalt, que construeix materials combinant àtoms i molècules una per una. Aquest mètode utilitza reaccions químiques per acoblar molècules seqüencialment, oferint l'avantatge de crear estructures molt petites; tanmateix, té el desavantatge de dificultar el manteniment d'una qualitat constant i de tenir una velocitat de producció lenta, cosa que és un inconvenient per a la producció en massa.
Un exemple principal de tecnologia de processament ascendent és el nanotub de carboni (CNT). Els nanotubs de carboni són estructures cilíndriques de carboni basades en buckyballs (ful·lerens) —molècules de carboni amb forma de pilotes de futbol— i actualment s'estan investigant i utilitzant àmpliament en diversos sectors industrials. Els nanotubs de carboni són una de les estructures de carboni més representatives, després del diamant i el grafit, i tenen un diàmetre de només aproximadament 1 nanòmetre. Gràcies a la seva mida extremadament petita i a la seva estructura d'enllaç única, posseeixen una resistència a la tracció superior a la de l'acer i presenten una excel·lent conductivitat elèctrica i tèrmica. A més, depenent de la seva estructura, poden presentar propietats semiconductores, cosa que els converteix en un candidat prometedor per a materials semiconductors de nova generació. Més enllà d'això, s'estan utilitzant en diversos camps com ara pantalles planes, bateries, materials compostos i biosensors, i s'està duent a terme una investigació contínua.
Un cop s'han produït nanomaterials utilitzant les tecnologies de fabricació de dalt a baix i de baix a dalt que s'han comentat anteriorment, el següent pas és desenvolupar tecnologies per manipular i integrar aquests materials. Tanmateix, el que primer s'ha de desenvolupar és una tecnologia de mesura capaç de mesurar amb precisió les propietats dels nanomaterials fabricats. Això és degut a que, sense una tecnologia de mesura prou avançada, és impossible entendre amb precisió quins fenòmens es produeixen a nanoescala. Tanmateix, existeix un obstacle important en el desenvolupament de la tecnologia de mesura a nanoescala: el fet que els efectes quàntics emergeixen a mesura que la mida d'un material esdevé extremadament petita. Quan es produeixen efectes quàntics, es fa difícil explicar els fenòmens utilitzant només les lleis de la física aplicables a escales quotidianes, cosa que dificulta la mesura amb precisió de les propietats dels materials. A més, a mesura que la mida disminueix, el senyal de mesura en si esdevé molt feble i es veu molt afectat pel soroll ambiental, cosa que requereix equips de mesura altament sensibles. Per aquestes raons, la nanometrologia continua sent una àrea de recerca activa avui dia.
Les tecnologies per a la manipulació i integració de nanomaterials també són àrees que requereixen un major desenvolupament en el futur. Actualment, les tecnologies de manipulació i integració de precisió s'utilitzen àmpliament a escala micromètrica, que és molt més gran que la nanoescala. Un exemple principal és la indústria dels semiconductors. La millora contínua del rendiment dels semiconductors avui dia és el resultat dels avenços en aquestes tecnologies de microfabricació. Si en el futur es fa possible una manipulació i integració encara més precises a nivell nanomètric, s'espera que el rendiment de diversos dispositius electrònics, inclosos els semiconductors, millori significativament en comparació amb els nivells actuals. Juntament amb això, també s'espera que les tecnologies d'aplicació per a nanodispositius, així com les tecnologies de modelització i simulació, es tornin més sofisticades a partir dels avenços en les tecnologies de mesura, manipulació i integració.
Així doncs, com serà la nanotecnologia un cop resolts aquests reptes tècnics? Al seu llibre de 1991 "Unbounding the Future", Eric Drexler va identificar els ordinadors, la indústria manufacturera i la medicina com a camps amb un potencial particularment alt per al desenvolupament futur. En el camp de la informàtica, va destacar l'avanç de la bioelectrònica com una possibilitat clau. La bioelectrònica és un camp convergent que combina la biotecnologia i l'electrònica, amb el desenvolupament de bioordinadors com un dels seus principals objectius de recerca. Tot i que encara no està clar exactament quina forma prendran els bioordinadors, s'estan duent a terme diversos estudis per superar les limitacions dels semiconductors de silici existents mitjançant la utilització de biomolècules com les proteïnes.
Els bioordinadors són només un exemple de les tecnologies futures que permet la nanotecnologia. A mesura que la nanotecnologia avança, és probable que les tècniques de fabricació que controlen amb precisió els materials a nivell atòmic es tornin encara més sofisticades. Si bé els mètodes de fabricació actuals impliquen el processament d'un gran nombre d'àtoms simultàniament per crear productes, s'espera que la capacitat de dissenyar i muntar materials amb precisió a nivell atòmic permeti la producció de productes que s'ajustin més a la intenció del disseny original. A més, s'espera que contribueixi significativament a millorar la qualitat i la fiabilitat del producte, així com al desenvolupament de materials i productes amb noves propietats que abans eren difícils d'aconseguir.
També s'espera que el camp mèdic estigui molt influenciat per la nanotecnologia. El camp que combina la nanotecnologia i la medicina s'anomena nanomedicina. Com que les malalties del cos humà sovint s'originen a nivell cel·lular i molecular, la nanotecnologia pot tenir un paper crucial en el diagnòstic i el tractament de malalties amb més precisió. De fet, la recerca i les aplicacions clíniques que utilitzen la nanotecnologia s'estan duent a terme activament en diversos camps, com ara els sistemes d'administració de fàrmacs que lliuren selectivament fàrmacs a llocs específics, el tractament del càncer, la regeneració de teixits i les tecnologies de diagnòstic. S'espera que el desenvolupament d'una nanotecnologia encara més sofisticada en el futur millori significativament l'eficiència i la seguretat del tractament de malalties.
Segons el que hem comentat fins ara, el futur sembla més brillant gràcies als avenços en nanotecnologia. Tanmateix, com altres tecnologies d'avantguarda, la nanotecnologia també té diversos aspectes negatius. Com que les nanopartícules són extremadament petites, poden presentar propietats diferents de les de les partícules ordinàries quan s'introdueixen al cos humà. De fet, s'han publicat resultats d'investigació que indiquen que alguns nanomaterials poden entrar al cos a través de les vies respiratòries o la pell i afectar potencialment la salut; atès que el nivell de risc pot variar segons el tipus de material i el mètode d'exposició, s'estan duent a terme investigacions i avaluacions de seguretat en curs. A més, constantment es plantegen preocupacions sobre el potencial que la nanotecnologia s'utilitzi amb finalitats malicioses. Per tant, perquè la nanotecnologia s'utilitzi en benefici de la humanitat, la verificació de la seguretat i els debats ètics i socials han de procedir conjuntament amb el desenvolupament tecnològic.
Fins ara hem examinat la nanotecnologia des de diverses perspectives. Actualment, no només els Estats Units i altres països desenvolupats, sinó també països d'arreu del món, inclosa Corea del Sud, reconeixen la nanotecnologia com una indústria clau del futur i continuen invertint molt en recerca i desenvolupament. Corea del Sud també implementa contínuament polítiques nacionals per fomentar la nanotecnologia i està enfortint la seva competitivitat en diversos sectors industrials, com ara semiconductors, pantalles, bateries recarregables, biotecnologia i materials avançats. Com a tal, la nanotecnologia està avançant ràpidament a partir d'una recerca i inversió constants, i s'espera que continuï jugant un paper important en les ciències naturals i en tot el sector industrial en general. A més, a mesura que el seu àmbit d'aplicació s'ampliï a través de diversos sectors industrials, s'establirà com una tecnologia bàsica que està encara més estretament relacionada amb la nostra vida quotidiana.
