Un teléfono móvil transparente y que no se tenga que enchufar a la corriente para cargarse? ¿Una camisa que monitorice las constantes vitales de quien la viste? ¿Un ordenador que piense como un cerebro humano? Quizá parezcan escenas de ciencia ficción, pero la nanotecnología, que permite diseñar materiales desde la escala atómica, podría hacerlas realidad en las próximas décadas.

“En los próximos diez años seremos capaces de imprimir tintas para producir energía solar en la ropa. Podremos cargar el móvil conectándolo a la chaqueta, y adiós a conectarse a la red”, declara Mónica Lira, investigadora del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2). Junto a su equipo, Lira está desarrollando celdas solares en forma de tintas que se pueden depositar sobre prácticamente cualquier superficie y con técnicas como las que hoy en día se utilizan para imprimir camisetas. Su versatilidad abriría un nuevo abanico de posibilidades. “Con ellas se podrían pintar las ventanas, las paredes y los muebles de cualquier habitación”, añade Lira. La composición de las tintas, basadas en óxidos (compuestos que contienen oxígeno), puede modificarse además para escoger prácticamente cualquier color que se desee.

Otra fuente de energía igualmente ubicua, aunque menos evidente, es la radiación electromagnética que nos rodea, como la del wifi, la radio o los teléfonos móviles. “Se podría fabricar una antena integrada en la ropa para recolectar la energía de las ondas electromagnéticas”, afirma José María Ruiz, profesor de la E scola Universitària Salesiana de Sarrià (EUSS) que ha trabajado en el desarrollo de esta idea. Una antena de este tipo podría ser suficiente para alimentar pequeños dispositivos ¬integrados en piezas de ropa inteligentes: sensores médicos, linternas led, un ventilador o un mecanismo que ayudase a las piernas a saltar, ilustra Ruiz. “Todavía debe resolverse el reto de integrar los circuitos eléctricos en los tejidos”, puntualiza.

Celdas solares en forma de tintas abren la posibilidad de tener energía eléctrica sin conectarse a la red

Para esta clase de aplicaciones electrónicas también se estudian moléculas orgánicas que pueden hacer las funciones clásicas del silicio, base de la electrónica actual, pero que además ofrecen un sinfín de posibilidades adicionales, ya que sus propiedades eléctricas son mucho más versátiles. “Existen millones de moléculas y se pueden diseñar como uno quiera”, declara Concepció Rovira, investigadora del Institut de Ciències de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC). El equipo de Rovira ha desarrollado una pequeña membrana cuya conductividad eléctrica cambia en función de cuánto se estire. Incorporada en una faja, monitoriza en tiempo real la respiración de una persona. “Puede tener aplicaciones para diagnosticar trastornos como la apnea del sueño”, afirma la investigadora.

Su equipo también ha producido un sensor de temperatura tan sensible que se dispara sólo con que una persona se acerque a un metro de distancia. “Podría servir para contar cuántas personas hay en una habitación en un momento dado”, explica Rovira. Otra ventaja de estos materiales orgánicos es que son muy económicos, ya que también se pueden imprimir como ¬tintas.

Otra área que despierta interés son los circuitos electrónicos transparentes. “Se podrían integrar sobre una pantalla, en las gafas o en las ventanas de los coches, por ejemplo”, señala Gustau Catalán, investigador Icrea en el ICN2. Catalán investiga materiales como el óxido de galio que podrían servir para esa finalidad.

Quizás hay quien se contentaría, por otra parte, con que las baterías de los móviles no se estropeasen a los pocos años. El problema radica en el litio, en el que se basan las baterías actuales. “Cada vez que se cargan, se van deteriorando los electrodos por culpa del calor, porque el litio es extremadamente reactivo. Por eso, cada vez son capaces de almacenar menos energía”, explica Llorenç Servera, profesor de la EUSS e investigador del Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC). Una posible solución sería utilizar supercondensadores, dispositivos capaces de almacenar grandes cantidades de energía en forma de electricidad, y no como energía química, como lo hacen las baterías. “Los supercondensadores, combinados con baterías, pueden prolongar la vida de estas en más de un 50%”, afirma Llorenç Servera. Sin embargo, el mayor potencial de los supercondensadores estaría en los vehículos eléctricos. “Podrían permitir que una moto eléctrica se cargase en un minuto. Y solo tendría que cargarse una o dos veces al día. Es una alternativa más económica que la gasolina”, declara Llorenç Servera, que está desarrollando supercondensadores con mayor capacidad gracias al grafeno, uno de los materiales que más expectativas han levantado en la última década.

El grafeno tendrá varios usos que despiertan enorme expectación por su potencial

El grafeno es un material bidimensional, formado por una sola capa de átomos de carbono, y con una gran capacidad para conducir la electricidad y el calor. Además, se le pueden introducir modificaciones químicas para que cambie sus propiedades eléctricas frente a diferentes estímulos, lo que lo hace ideal como sensor rápido y muy sensible, explica Frank Koppens, investigador Icrea en el Institut de Ciències Fotòniques (ICFO). “Gracias al grafeno, se pueden fabricar cámaras que pueden ver por la noche o a través de la niebla. O sensores ópticos para coches o smartphones que midan luz que no podemos ver con nuestros ojos”. Estos sensores, todavía en desarrollo, permitirían comprobar, a través de un teléfono, si un alimento está fresco y es apto para el consumo, añade Dmitri Efetov, investigador también del ICFO. En el caso de los coches autónomos, les ayudarían a identificar rápidamente a un peatón incluso de noche, apunta Koppens.

El grafeno también tiene un gran potencial en computación, ya que permitiría procesar la información a través de la espintrónica, según Stephan Roche, investigador Icrea en el ICN2. “Sería una revolución completa”, afirma. La espintrónica se basa en una propiedad magnética interna de los electrones llamada espín, que define cómo giran y se puede transferir en una corriente de modo similar a como los electrones atraviesan un dispositivo electrónico, pero con una gran diferencia: en un dispositivo espintrónico avanzado, los electrones no tendrían que moverse, de forma que consumiría muy poca corriente eléctrica.

“Gracias al grafeno y la espintrónica, podemos imaginar tener algún día ordenadores sin batería ni cables. Unas pocas celdas solares serían suficientes para alimentarlos”, especula Stephan Roche. El investigador del ICN2 calcula que, en un futuro hipotético en que la espintrónica lograse sustituir a la electrónica, podría suponer un ahorro mundial de billones de euros al año.

Para la espintrónica, además del grafeno, también se investigan los óxidos, explica Josep Fontcuberta, investigador del ICMAB que trabaja con estos materiales. Algunos óxidos, por otra parte, podrían ayudar a producir ordenadores que integrasen la memoria y el procesamiento de datos, que en las máquinas actuales están separados, señala Fontcuberta. Eso no sólo ahorraría una cantidad enorme de energía, sino que también permitiría a los ordenadores trabajar como lo hace el cerebro humano. “En el cerebro la memoria y la lógica están juntas”, declara Fontcuberta. “Esta arquitectura permite hacer operaciones en paralelo y es muy eficiente en tareas que para los ordenadores actuales son difíciles, como el reconocimiento automático de formas”, esencial para los coches autónomos, señala el investigador del ICMAB.

A una escala mucho mayor, de ciudades o incluso países, otro tipo de materiales podrían ayudar a ahorrar grandes cantidades de energía. Son los superconductores, materiales que conducen la electricidad sin pérdidas. El cobre disipa el 10% de la energía que conduce en forma de calor, mientras que los superconductores no oponen ninguna resistencia a la electricidad y, en el mismo volumen, permiten el paso de mucha más potencia: “diez veces más que un cable de cobre de la misma sección”, subraya Elena Bartolomé, directora de investigación en la EUSS e investigadora en el ICMAB. “En las grandes ciudades ya es difícil construir nuevas instalaciones para el transporte de electricidad. Los superconductores permitirán transportar mucha más energía por los conductos que ya existen; hasta cinco veces más”, afirma Xavier Obradors, director del ICMAB y experto en superconductores. Los nuevos superconductores que se están desarrollando, de naturaleza cerámica, permitirán además construir molinos eólicos entre tres y cinco veces más potentes que los actuales y aviones eléctricos más competitivos, según Teresa Puig, investigadora del ICMAB.

Materiales al servicio de la medicina

Manipular materiales a escala nanoscópica puede abrir nuevas posibilidades también en medicina. Por ejemplo, las llamadas nanopartículas son capaces de dirigir fármacos a tejidos específicos, como tumores. “Son el grial de la terapia personalizada”, afirma Anna Roig, investigadora del ICMAB. Roig trabaja en un proyecto para administrar fármacos en nanopartículas magnéticas que se pueden dirigir a un tejido del cuerpo con tan solo colocar un pequeño imán, una estrategia que ya se está estudiando para favorecer la recuperación tras un ictus, en ensayos con animales. Pero una de las áreas en las que se están invirtiendo más esfuerzos es el cáncer. “Dirigir el fármaco solo a las células cancerosas permite reducir la dosis y los efectos secundarios de la quimioterapia”, declara Roig.

También la radioterapia se puede combinar con nanopartículas. “La radioterapia convencional dirige un haz ionizante muy fuerte que debe cruzar tejido sano para llegar al tumor y siempre afecta a parte de este tejido sano”, declara Gerard Tobias, investigador del ICMAB. Su grupo está diseñando una estrategia para “conseguir que la radioterapia vaya por dentro y que irradie localmente el tumor”. Para conseguirlo, han modificado unas partículas llamadas nanotubos de carbono, “que son como láminas de grafeno enrolladas”. Dentro les han introducido material radioactivo y por fuera las han recubierto con compuestos biocompatibles que ayudan a dirigir las partículas al tumor. “En principio esta terapia podría ser útil para tratar la mayoría de tumores sólidos”, declara Tobias, aunque advierte que todavía está en un estadio muy inicial y que tardarán al menos diez años en comenzar los ensayos clínicos.

Las nanopartículas son el “grial de la terapia personalizada”

A una mayor escala, se están desarrollando materiales para favorecer la regeneración de los tejidos o incluso producirlos en el laboratorio. El equipo de Anna Roig, del ICMAB, estudia un hidrogel hecho de celulosa, pero fabricada por bacterias en lugar de plantas. Una vez producido, se eliminan las bacterias y queda un material que absorbe gran cantidad de agua, como una esponja, y ofrece un ambiente óptimo para el crecimiento de células. “Puede servir para proteger heridas, pero además se le pueden introducir factores de crecimiento para acelerar la curación”, explica Roig. Otro hidrogel en desarrollo en el ICMAB podría ser útil para la inmunoterapia del cáncer, en concreto para los tratamientos basados en extraer inmunitarias de los pacientes, multiplicarlas y entrenarlas para combatir los tumores en el laboratorio, y volver a inyectarlas. “En el cuerpo, estas células proliferan en los nodos linfáticos. Nuestro objetivo es crear un nodo linfático artificial en tres dimensiones con un hidrogel”, explica Imma Ratera, investigadora del ICMAB. Eso permitiría obtener más células, y más rápido, de lo que permiten los tratamientos actuales.

En el ámbito de los implantes, por otra parte, se investigan nuevos materiales que puedan mejorar la integración con los tejidos del cuerpo y evitar el rechazo. El grupo de Gustau Catalán, del ICN2, ha descubierto que los huesos generan campos eléctricos a través de una propiedad llamada flexoelectricidad y que este fenómeno es esencial para la reparación de las fracturas. A partir de este hallazgo, “estamos estudiando cómo hacer prótesis óseas que posean flexoelectricidad y se integren mejor con los huesos”, explica Catalán.

En otros tipos de implantes, un material muy prometedor es el grafeno. “Es un material biocompatible, ya que está hecho de carbono, y se le pueden anclar moléculas de muchos tipos y de forma muy controlada”, declara Pablo Sevilla, profesor de la EUSS e investigador en la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). “Recubrir implantes con grafeno podría permitir crear andamios para favorecer la regeneración y la vascularización del tejido que los rodea”.

La flexibilidad y la conductividad del grafeno lo hacen también interesante para implantes en el sistema nervioso, explica Jose Garrido, investigador Icrea en el ICN2. Los implantes cerebrales actuales están hechos de materiales rígidos, lo que dificulta la conexión con el cerebro, que experimenta pequeños movimientos dentro del cráneo. El equipo de Garrido está desarrollando implantes de grafeno más sensibles, pequeños y adaptables que los actuales. Uno de estos dispositivos serviría para leer la actividad cerebral de personas que han perdido la capacidad de hablar, algo que ocurre, por ejemplo, en la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). “Eso permitiría a estas personas comunicarse a través de una voz artificial”, declara Garrido. También están creando retinas artificiales para personas ciegas e implantes para que pacientes con amputaciones o lesiones medulares puedan mover extremidades artificiales.

Avances nacidos de la colaboración

“Para inventar nuevos materiales hay que juntar científicos de muchos ámbitos diferentes: físicos teóricos y experimentales, químicos, biólogos, ingenieros…”, sostiene Xavier Obradors, director del ICMAB. “La interdisciplinariedad acelera los descubrimientos”, añade. “Un solo investigador no puede desarrollar un nuevo material. Es imposible. Deben colaborar muchos grupos expertos en distintas disciplinas”, coincide Elena Bartolomé, directora de investigación de la EUSS e investigadora en el ICMAB. Pero los esfuerzos de los científicos por sí solos no son suficientes. “Para que finalmente la ciencia llegue al mercado requiere la complicidad de la industria”, remarca Gustau Catalán, del ICN. Solo la inversión de las empresas en los prototipos que los investigadores desarrollan permitirá que algún día beneficien a la sociedad.

Fuente: lavanguardia.com