Sobre cosas pequeñas y también sobre pequeñeces

Publicado el 11. dic, 2011 por Cuadrivio en Dossier

Aunque el boom de la nanotecnología es bastante reciente, en realidad ha estado en el núcleo de la curiosidad científica desde que se hablaba de átomos y moléculas. Sin embargo, hasta hace poco la ciencia ha comenzado a traspasar los límites de lo muy pequeño donde se tocan la ficción y la realidad. Comenzamos a alcanzar lo que antes sólo imaginábamos y a comprender. Laura Vargas nos acerca en este artículo al mundo nano y hace un llamado de atención sobre la necesidad de un debate crítico e informado para llevar por el mejor cause posible el desarrollo de la nanotecnología.

Laura Vargas-Parada

A los seres humanos siempre nos ha llamado la atención lo muy grande y lo muy pequeño. Quizás se deba a que todo aquello que sale de nuestras proporciones estimula nuestra imaginación. Construimos entonces telescopios para mirar al Universo y maravillarnos por lo enorme de sus dimensiones; también construimos microscopios que nos permitieron descubrir todo un mundo invisible para aquel que mira sólo con los ojos.

Mirando hacia lo más pequeño descubrimos a los átomos, componentes de la materia de la que estamos hechos. Descubrimos cómo los átomos se combinan entre sí para formar moléculas pequeñas, mismas que se combinan entre sí para hacer moléculas más grandes de las cuales estamos hechos los seres vivos. Estas moléculas más grandes se combinan entre sí para dar lugar a las células, que a su vez, dan forma y estructura a todo aquello que llamamos vida.

Imaginen ahora, las infinitas posibilidades que nos da todo este conocimiento. En diciembre de 1959, durante una reunión de la Sociedad Americana de Físicos en el Instituto de Tecnología de California, Richard Feynman presentó la conferencia «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Hay suficiente cancha en la base») sentando, en la opinión de muchos, las bases de lo que ahora conocemos como nanotecnología. En su presentación, el futuro premio Nobel planteó la posibilidad de manipular directamente a los átomos para construir nuevas moléculas. O considerar el desafío de construir, cada vez, cosas más pequeñas.

Por supuesto, la ciencia ficción no perdió la oportunidad de tomar el desafío e imaginar las infinitas posibilidades de miniaturizar al mundo. ¿Qué pasaría si pudiéramos hacernos tan pequeños como las células de nuestro cuerpo para viajar por la sangre y salvar la vida de un paciente que tiene un coágulo en el cerebro inoperable debido a su localización? En 1966, una sensual y curvilínea Raquel Welch fue reducida, gracias a la magia de Hollywood, al tamaño de un glóbulo rojo. Welch, junto con un grupo de intrépidos médicos, viajó en un submarino, igual de minúsculo, hasta el coágulo con el fin de destruirlo usando un rayo láser. La historia puede sonar tan exagerada e imposible como cualquier otro blockbuster del cine norteamericano, pero no tanto los posibles beneficios de que algo como esto pudiera existir para ayudar a médicos y pacientes. Cual buena historia de ciencia ficción, los límites sólo están hasta donde llega la imaginación.

En los 45 años que han pasado desde que el Viaje Fantástico llegó a las pantallas, los científicos han imaginado, y utilizado el conocimiento científico disponible, para determinar cómo podrían fabricarse dispositivos cada vez más pequeños que puedan ser útiles en el diagnóstico y tratamiento de ciertas enfermedades. ¿Cómo puede ser esto posible? La respuesta radica en que es posible argumentar que toda la biología es una forma de nanotecnología.

Qué tan pequeño es pequeño

Mientras realizaba su tesis doctoral, Albert Einstein utilizó datos experimentales sobre cómo el azúcar se disuelve en el agua para calcular cuál sería el tamaño de una molécula de azúcar. Encontró que cada molécula de azúcar mide alrededor de un nanómetro de diámetro.

Un nanómetro es una mil millonésima parte de metro (o una millonésima de milímetro, 10^-9). Es la esencia misma de lo que los seres humanos consideramos verdaderamente pequeño. Para darnos una idea de los tamaños, los seres humanos vivimos en la escala de los metros, los centímetros y los milímetros, las células que nos componen se miden en micras, y las moléculas que componen a las células, como ácidos nucleicos, proteínas, grasas, carbohidratos, y agua, son mil veces mas pequeñas y están en la escala de los nanómetros.

La nanotecnología tiene que ver con manipular a la materia a nivel de átomos y moléculas. Por convención, el término nanotecnología se utiliza para todo desarrollo tecnológico –como nuevos materiales, dispositivos, y estructuras– construido en la escala de 1 a 100 nanómetros. Esta escala tiene que ver con el hecho de que la nanotecnología debe construir sus innovaciones (productos) a partir de átomos y moléculas. De esta forma, el límite inferior para el campo de la nanotecnología se estableció al tomar en cuenta el tamaño de los átomos. El átomo de hidrógeno es el más pequeño y mide aproximadamente un cuarto de nanómetro de diámetro. El límite superior es un tanto más arbitrario y se estableció en el rango donde la física de lo grande deja de funcionar y comienza a actuar la física de lo pequeño: la mecánica cuántica.

Cuando se llega al tamaño de los nanómetros, las propiedades físicas de los materiales pueden modificarse. Por ejemplo, una sustancia opaca como el cobre se vuelve transparente, o materiales insolubles como el oro se vuelven solubles, o materiales estables como el aluminio se convierten en inestables combustibles. No es de extrañar entonces, por qué la nanotecnología genera tanta fascinación. Es casi como una alquimia moderna.

Con la nanotecnología se busca producir desde objetos físicos convencionales que se reducen sistemáticamente de tamaño hasta sistemas moleculares que puedan autoensamblarse. Esto último se basa en la idea de que es posible diseñar moléculas que adquieran una configuración específica favorecida por las fuerzas que se establecen entre sus átomos. Sin embargo, lograrlo no es cosa fácil. Para poder construir moléculas de este tipo se requiere un conocimiento muy detallado de las fuerzas termodinámicas que participan en la interacción entre los átomos. Estos procesos ocurren naturalmente cuando se forman las moléculas biológicas (como una enzima que reconoce un sustrato en específico o un anticuerpo que reconoce a un agente extraño). Pero aún estamos lejos de comprender por completo estos fenómenos.

Como muchas otras áreas de la ciencia que se desarrollan actualmente, la nanotecnología es un campo multidisciplinario. Convergen áreas tan diversas como la investigación en nuevos materiales, la química orgánica, la biología molecular y la física de semiconductores.

El boom de lo nano

Aunque Feynman trajo a la mente colectiva la idea de manipular átomos y moléculas, la nanotecnología como tal es un campo relativamente reciente. El desarrollo de potentes microscopios que permitieron por primera observar átomos individuales en 1981, y el descubrimiento de los fullerenos –una forma estable en la que se organizan los átomos de carbono–, en 1985, impulsaron la nano-investigación.

Siguiendo las ideas de Feynman, la nanotecnología utiliza dos estrategias principales para construir las innovaciones tecnológicas. Por un lado, los nano-objetos pueden construirse a partir de una estrategia que llaman «de arriba hacia abajo». En estos casos, el material se agrega poco a poco sobre una superficie. Por ejemplo, los microchips actuales que no miden más de 100 nanómetros son un ejemplo de este método. Por el otro, los materiales y dispositivos se construyen a partir de componentes moleculares que se ensamblan espontáneamente, bajo las condiciones adecuadas. A este método se le conoce como «de abajo hacia arriba» y los nanotubos –cilindros de grafito que tienen propiedades eléctricas inusuales– son un buen ejemplo de nanoestructuras que se ensamblan a sí mismas.  blan qejemplo de

En 1986, Eric Drexler –uno de los grandes defensores de la nanotecnología– publicó su libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (Máquinas para Crear: La futura era de la nanotecnología). Con su libro, Drexler popularizó el concepto de nanotecnología –aunque no fue el primero en usar este término–,  y fundó lo que algunos llaman nanotecnología molecular. En el libro, Drexler describe nanomáquinas que hacen copias de sí mismas y pueden producir prácticamente cualquier cosa. No obstante, imaginar lo que podría ocurrir si estas nanomáquinas se salieran de control también produjo muchos detractores. Es importante notar que para muchos científicos estas proyecciones están en el borde de la ciencia y la ficción, ya que aún estamos muy lejos de comprender la física del mundo nano para acercamos siquiera a producir moléculas tan complejas como las imaginadas por Drexler.

Con el nuevo siglo, un mayor interés en las potenciales aplicaciones de la nanotecnología, sumado a un público cada vez más consciente de los potenciales riesgos, ha convertido a este campo del conocimiento en un tema muy controvertido. En la última década el financiamiento de la investigación en nanotecnología con fondos públicos ha aumentado de forma significativa. Tan sólo en los Estados Unidos se inició en el año 2000 el programa National Nanotechnology Initiative (Iniciativa Nacional en Nanotecnología) con un presupuesto inicial de 422 millones de dólares.

Como resultado, han comenzado a aparecer las primeras aplicaciones comerciales derivadas de la nanotecnología, la mayoría de ellas en el campo de los nanomateriales, como la plataforma Silver Nano que permite usar nanopartículas de plata como agentes antibacterianos, el desarrollo de bloqueadores solares que usan nanopartículas para hacerlos transparentes, y el uso de nanotubos de carbón para producir textiles resistentes a las manchas. De acuerdo al Project on Emerging Nanotechnologies (Proyecto sobre Nanotecnologías Emergentes), hasta marzo de 2010 se han producido unos  mil 317 productos nanotecnológicos. Este listado se elabora con aquellos productos que se hacen públicos.

Del lado de los riesgos, para evaluar las implicaciones que podría traer consigo el uso de la nanotecnología la Royal Society de Londres, preparó un documento de análisis («Nanociencias y nanotecnologías: oportunidades e incertidumbres»). Otras instancias que trabajan los potenciales efectos de la nanotecnología son The Center for Responsible Nanotechnology (Centro para la Nanotecnología Responsable) y el Center for Nanotechnology in Society (Centro para la Nanotecnología en la Sociedad).

Además, en diversas partes del mundo se han realizado debates públicos entre promotores y detractores con el fin de discutir los efectos que esta tecnología puede traer a nuestra sociedad y qué acciones pueden tomarse para mitigar esos riesgos. Entre las preocupaciones que existen es la utilización de la nanotecnología para desarrollar armas de destrucción masiva que no puedan ser detectadas, cámaras minúsculas que puedan invadir la privacidad de los ciudadanos, o efectos nocivos sobre el medio ambiente y la salud humana. Al parecer, Berkeley en California, es la única ciudad en los Estados Unidos que ha establecido regulaciones locales para el manejo de nanomateriales. En 2006, la ciudad agregó un apartado sobre salud y seguridad de las nanopartículas a una ley ya existente que regula el manejo de materiales potencialmente peligrosos. Dicha ley obliga a cualquier negocio o persona que maneje estas sustancias en grandes cantidades a informar a la ciudad sobre su inventario y sus planes de seguridad. En 2008, la ciudad de Cambridge, en Massachusetts consideró una ley similar pero no se concretó nada al respecto.

Nanomedicina

Aunque el término nanotecnología se utiliza únicamente para aquellos desarrollos realizados de forma artificial, es decir, hechos en el laboratorio como semiconductores, plásticos, metales o vidrio, dado que todas las formas de vida están constituidas por pequeñas moléculas en la escala de los nanómetros podemos argumentar que nosotros mismos somos producto de la nanobiología. Dicho esto, podemos ahora explica por qué los productos desarrollados por medio de la nanotecnología pueden interactuar de forma directa con nuestras propias moléculas: todo se reduce a la interacción de átomos y moléculas.

De hecho, existe nanotecnología hecha por la misma naturaleza. Existen bacterias que contienen en su interior cristales inorgánicos que les permiten detectar y responder al campo magnético de la Tierra. Estos cristales magnéticos miden entre 35 y 120 nanómetros de diámetro y le permiten a la bacteria mantenerse a la profundidad adecuada, entre el agua y el sedimento, para recibir el oxígeno necesario para sobrevivir: por encima o por debajo del nivel óptimo de oxígeno la bacteria puede morir. Los nanocristales funcionan como una minúscula brújula que le permite a la bacteria ubicarse en el espacio y son un excelente ejemplo de nanoingeniería natural.

La nanotecnología puede ser útil para la medicina de muy diversas formas. Por ejemplo, nuevos nanomateriales pueden ser útiles para modificar las superficies donde se introducen implantes, como en las articulaciones, favoreciendo la durabilidad y biocompatibilidad del implante mismo. Otros nanomateriales podrían utilizarse como agentes de contraste que permitan mayor sensibilidad para detectar tumores mucho antes de que sean un peligro.

Existen en la actualidad nanocristales semiconductores, llamados quantum dots, que se utilizan como colorantes y tienen gran estabilidad lo que permite a los investigadores estudiar lo que pasa en las células y tejidos por más tiempo que con un colorante regular. Además, como estos nanocristales vienen en múltiples colores, es posible estudiar varias moléculas a la vez al «pintarlas» con diferentes nanocristales. En la Universidad de California en Berkeley, están probando el uso de nanopartículas magnéticas para detectar agentes biológicos como microorganismos que pudieran causar enfermedades.

Otros investigadores estudian la posibilidad de diseñar nanopartículas en el laboratorio que puedan llevar tratamientos a sitios específicos del cuerpo. Por ejemplo, una nanoesfera que reconozca de forma específica las células de un tumor para luego calentarse con luz infrarroja con el fin de destruirlo de forma específica. También se trabaja en nuevos materiales que pudieran ayudar a mejorar la visión y el oído.

Escepticismo crítico y crítica informada

En una sociedad donde la ciencia y la tecnología tienen cada vez un papel más preponderante es importante promover la discusión pública de los efectos y potenciales implicaciones que el nuevo conocimiento pueda tener. Más aún, cuando dichas investigaciones son financiadas con fondos públicos, entonces la participación ciudadana informada es fundamental.

En el caso de la nanotecnología queda claro que hay mucho por discutir y revisar. Por un lado, están las obvias aplicaciones como el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos que puedan aplicarse en campos tan diversos como las telecomunicaciones, la medicina, la electrónica, el desarrollo de biomateriales y la producción de energía. Por el otro, la nanotecnología, como cualquier otro desarrollo científico, genera preocupación en temas como la posible toxicidad de los nuevos nanomateriales, el posible impacto ambiental y su uso para el desarrollo de armamento.

Existen algunas investigaciones que sugieren que estas preocupaciones no son infundadas. Por ejemplo, se han encontrado nanopartículas de plata con las que se elaboran calcetines con el fin de reducir el mal olor, en el agua donde previamente se lavaron los calcetines. Esto ha generado preocupación sobre el efecto ambiental que tendría esa agua que viaja al drenaje público. Las nanopartículas de plata tienen efecto bacteriostático (esto es, no mata a las bacterias pero impide su reproducción). ¿Cuál sería el riesgo de que estas sustancias afecten bacterias benéficas que son importantes para degradar la materia orgánica en el agua de desecho en plantas de tratamiento y granjas?

Otro estudio, realizado en la Universidad de Rochester encontró que las ratas que respiran nanopartículas, las acumulan en su cerebro y pulmones, lo que aumenta los marcadores de inflamación y estrés. ¿Cómo afecta esto la salud general de los animales, y en mayor escala, como podría afectar la salud humana? Finalmente, un estudio publicado en Nature Nanotechnology en 2008 sugiere que algunas formas de los nanotubos de carbono pueden ser tan peligrosas como los asbestos si se inhalan en cantidades suficientes.

Como mucha de la investigación científica, existen beneficios y riesgos asociados a los grandes descubrimientos. Para poder tomar decisiones informadas sobre las implicaciones del conocimiento científico es necesaria mayor investigación que nos permita contar con más elementos para poder decidir.

Pequeñeces de mente y corazón

En agosto de este año (2011), Armando Herrera Corral profesor del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) campus Estado de México, fue atacado con una bomba de fabricación casera. La bomba se encontraba en un contenedor del tamaño de una caja de zapatos, que llegó como un paquete dirigido al académico y que estalló mientras quitaba la cinta adhesiva que cubría la caja. Armando, quien estaba parado en el momento de la explosión sufrió quemaduras en las piernas y la perforación del tímpano. Su amigo y colega, Alejandro Aceves López, quien estaba sentado al momento de la explosión, recibió de lleno el impacto lo que le causó severos daños en un pulmón. Ambos sobrevivieron al ataque gracias a que sólo explotó una fracción del cilindro de 20 centímetros que contenía la dinamita, pero la policía estimó que el paquete contenía suficientes explosivos para dañar severamente el edificio donde se encontraban.

Un grupo extremista anarquista que se autodenomina Individuos Tendientes al Salvajismo (ITS) se adjudicó el ataque. Con una retórica absurda y carente de argumentos, mostrando un analfabetismo científico absoluto, estos individuos consideran que la nanotecnología llevará a la caída de la humanidad al ser dominada por tecnología artificial inteligente.

Armando y Alejandro fueron atacados por ser curiosos y tratar de comprender el mundo en que vivimos. No se les permitió exponer sus puntos de vista ni sus argumentos sobre la importancia de su investigación. Armando trabaja en ciencias de la computación y Alejandro es experto en robótica. En un país donde la dependencia tecnológica es enorme y gastamos millones de pesos en comprar tecnología desarrollada en el exterior, donde sólo una fracción de la población logra llegar a la educación superior, y donde una fracción todavía menor logra dedicarse a la generación de conocimiento, ahora sumamos el miedo de ser agredidos por la intolerancia y la ignorancia.

Tener preocupaciones sobre el impacto de una nueva tecnología, como ya lo mencionamos es perfectamente válido y necesario para comprender los alcances de la investigación científica. Pero la descalificación y agresión sólo demuestran la incapacidad para el diálogo inteligente y propositivo. Es analfabetismo científico llevado a su máxima expresión. No sólo por la incapacidad de estos individuos para validar sus argumentos, sino porque rayan en lo ridículo al elaborar artefactos explosivos usando la misma ciencia contra la que pretenden manifestarse.

Habría que preguntarse si en su vida diaria no utilizan teléfonos celulares, televisiones, computadoras, iPods, y otros dispositivos más, que desde hace años utilizan microchips y nanomateriales para facilitar la comunicación. Mayúscula ironía y tremenda muestra de la ignorancia que aún permea en buena parte de nuestra sociedad.

Para aquellos que creen que la nanotecnología es algo reciente, la realidad es que por millones de años la naturaleza misma ha a creado diversas nanoestructuras. Más aún, las llantas que han existido por más de 100 años han usado como un aditivo de refuerzo nanopartículas de carbono, mucho antes de que el prefijo nano creara tanta expectación.

La crítica fundada y con argumentos es importante en el debate de temas controversiales como éste. Y por ello, es importante promover una discusión amplia e incluyente para determinar si existen potenciales riesgos, cuáles podrían ser éstos, y cuáles serían los mecanismos que permitirían establecer una regulación apropiada que evite el mal uso de este tipo de tecnologías.

Lo que es inaceptable, es que basados simplemente en meras especulaciones, y sin argumentos convincentes, existan individuos que a través de la violencia pretendan frenar la investigación y el desarrollo científico.

En la balanza, sí, la nanotecnología presenta riesgos potenciales. Pero también abre la posibilidad de grandes beneficios. La nanotecnología podría transformar la forma en que producimos diversos materiales, trayendo consigo enormes beneficios para una gran parte de la sociedad en el campo de la ingeniería, de los nuevos materiales, del tratamiento de diversos padecimientos y del diagnóstico oportuno, entre muchas otras áreas de aplicación. Apenas comenzamos a comprender las bases del conocimiento en este campo. El justo medio entre los beneficios y los riesgos se encontrará en una sociedad informada, que debate y regula la forma en que quiere usar ese conocimiento científico.

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Laura Vargas-Parada (ciudad de México, 1969). Lleva dos vidas paralelas que no pueden coexistir una sin la otra. Por un lado, es una apasionada de la ciencia y la búsqueda por comprender el mundo en que vivimos. Por el otro, no puede vivir sin una pluma en la mano. El resultado es una doctora en biomedicina que dedica la mayor parte de su tiempo a la comunicación de la ciencia, a leer todo lo que cae entre sus manos, a viajar cuando el tiempo se lo permite, y en su tiempo libre, a torturar a los valientes estudiantes que se inscriben en sus clases.

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