General Electric es uno de los gigantes de la nanotecnología, la ciencia de lo ultradiminuto que promete revolucionar la industria, la medicina, la seguridad y las energías alternativas. Nuestra corresponsal en EE UU, Ángela Posada-Swafford, ha tomado el pulso a las fabulosas investigaciones que se realizan en este centro.
“Primero averiguo qué necesita la gente. Después, procedo a inventarlo”, escribió Thomas Alba Edison después de inventar la bombilla incandescente. En la sede del Programa de Tecnología Avanzada de General Electric (GE), en la ciudad neoyorquina de Niskayuna, siguen la misma filosofía desde 1890, cuando Edison fundó la que hoy es la tercera empresa más grande del mundo. Su mayor aval: 66.578 patentes registradas. Por los pasillos blancos de su moderno edificio caminan miles de brillantes científicos que, junto con sus colegas en Múnich (Alemania), Bangalore (India) y Shangái (China), hacen realidad la frase de Edison.
GE está volcada en el desarrollo de tecnologías a dimensiones nanométricas. Recordemos que un nanómetro (nm) es la millonésima parte de un milímetro. A esta pequeñísima escala la materia da verdaderas sorpresas. Los más de 150 expertos que trabajan en el Laboratorio de Nanotecnología sacan a la luz las proezas ignotas de materiales que creíamos conocer a fondo y que dan a lo nano un potencial gigantesco. “Descubrimos nuevas propiedades que no sólo nos obligan a replantearnos algunas leyes de la física, sino que nos abren los ojos a capacidades que desconocíamos de las cerámicas y los metales”, dice Margaret Blohm, directora y fundadora del programa nanotecnológico de General Electric.
“Saber que una parte clave de tus conocimientos sobre un material está incompleta es una oportunidad de oro que ocurre una vez cada siglo”, dice la científica mientras prepara una solución de agua con virutas de óxido ferroso para realizar un experimento. “Cuando las virutas de hierro son grandes, si les pongo un imán encima, todas se agolpan en torno a este. Bien, pues ahora veremos lo que pasa si coloco en el agua partículas de 50 nanómetros, mucho más pequeñas que las virutas”. Blohm pasa el imán sobre esta nueva solución y sucede algo extraordinario: el agua negra se alza y forma una bola erizada con puntas cuyo tamaño varía con un ligero movimiento del imán. “¿Qué es esto? ¿Un sólido? ¿Un líquido? No. ¡Es algo que no habíamos visto nunca! Y sólo hemos cambiado el tamaño de las partículas. Es una nueva forma de materia”.
Esta nanosolución ya se usa en la industria –por ejemplo, para sellar dos superficies que rotan entre sí–, porque tiene todas las ventajas de los sólidos y los líquidos, y ninguno de sus inconvenientes. Pero el equipo de Blohm quiere ir más allá y reducir el tamaño de las bolitas férricas. Si lo logra, revolucionará la medicina de diagnóstico. “Buscamos partículas de 5 a 20 nm para usarlas como agentes de contraste en nuestros escáneres de resonancia magnética”, explica Blohm. El problema con las imágenes actuales es que, aunque muestran las estructuras de los tejidos, no permiten en muchas ocasiones determinar si son tumorales. De ahí que haya que practicar una biopsia”. “La ventaja que lo nano aporta a la imagen es su gran contraste, porque las partículas de hierro envían una señal magnética fortísima”, aclara Blohm. Y no sólo eso: “Cuanto más pequeñas son, más aumentan sus propiedades magnéticas. Además, se degradan en el cuerpo. Las partículas que se administran ahora miden unos 100 nanómetros –son grandes– y son absorbidas rápidamente por el hígado; por eso sólo se pueden usar para obtener imágenes de esta víscera. Para salvar esta limitación, estamos seleccionando nanopartículas de óxido de hierro que recubrimos con materiales biocompatibles con varios órganos. Así podemos ver imágenes a nivel molecular”.
Otro objetivo crucial de los expertos de GE es asomarse a la naturaleza. Esta y lo nano son sinónimos, según Blohm. “Tenemos mucho que aprender sobre el diseño en el mundo natural, como las patas de la salamanquesa, que funcionan como el velcro; las alas de la mariposa, cuyos colores cambian según su interacción con la luz; y la hidrofobia de las hojas del loto, que mantienen su superficie limpia”. Su extremo rechazo acuoso se debe a que están cubiertas por vellos nanométricos.
Cuando cae agua sobre este tapiz se forman gotas perfectamente redondas. Cada una de ellas se comporta como una bailarina sobre las puntas de sus zapatillas, que tocan una mínima parte del suelo. Como consecuencia, las gotas ruedan sobre la superficie vegetal y “arrastran la tierra que ensucia la hoja. No olvidemos que el loto vive en un terrenos embarrados. Es decir, la hoja se friega sola”, explica Blohm. Y añade: “Queremos replicar esta propiedad en sustancias que, aplicadas sobre una superficie, permitan la autolimpieza de esta. Nunca vi a mi gente tan emocionada con un producto, y es que sus aplicaciones podrían ser ilimitadas. La interacción entre un fluido y una superficie crea muchos problemas: la mugre recubre las turbinas de gas, el hielo se adhiere a los aviones, la suciedad mancha los parabrisas… Si lográramos mantener impolutos estos objetos, su rendimiento aumentaría drásticamente”.
El túnel de viento y hielo que ocupa el centro del laboratorio de Blohm parece una gigantesca serpiente negra enroscada. Su función es disparar gotas de agua de distintos tamaños y velocidades contra láminas metálicas. “Una gota de agua de 15 micras –como las que rodean a un avión en vuelo– se adhiere a un material según su porosidad y su forma. Estudiamos con qué fuerza se pega el hielo y diseñamos nuevas texturas metálicas que lo eviten. Hemos logrado una reducción de la adherencia del 70%”. La hoja del loto no es su única fuente de inspiración. Un caracol rosa adorna una mesa en honor a otro de los objetos de estudio del laboratorio: son las cerámicas, ligeras y resistentes a altas temperaturas, pero muy quebradizas. “Mira este caracol –dice Blohm–. Es del mismo material que la tiza –carbonato cálcico–, pero tres órdenes de magnitud más resistente, debido a su estructura. Tiene nanocapas dispuestas en láminas que se intercalan en varias direcciones. Cuando en la concha se forma una grieta, esta no va a más porque su energía es absorbida por millones de láminas. Eso no pasa con la cerámica o la tiza, donde no existe tal arquitectura”. Para crear un material similar al ideado por el caracol hay que poner la sustancia correcta en el lugar y el momento apropiados, y hacer que siga un proceso de autoensamblaje que permita tener un control exquisito de su microarquitectura. Blohm explica cómo lo han logrado en su laboratorio: “El primer paso es construir la estructura con un material precursor de la cerámica. Ya lo hicimos con polímeros. El material se autoensambla, sabe qué hacer cuando está sometido a altas temperaturas y el polímero se convierte en cerámica”.
En el piso de arriba, sobre el túnel de hielo, está el laboratorio de química y sensores biológicos. Allí Amy Linsebigler investiga las alas de las mariposas del género Morpho, que cuentan con nanoestructuras capaces de distinguir compuestos orgánicos volátiles. “Este diseño natural tiene aplicaciones en seguridad e industria”, asegura Linsebigler mientras sostiene un ejemplar azul iridiscente de una Morpho tropical. “Queremos desarrollar materiales que copien esas nanoestructuras para crear sensores químicos supersensibles”. La luz interactúa con las alas del insecto según el ángulo de incidencia y, al exponer el ala a distintos gases, su color varía sutilmente. “Podemos así identificar qué vapor hay en el aire con sólo ver los cambios en la mariposa. Estamos pensando en el diseño de un dispositivo que olfatee el aire en tiempo real, algo así como pequeñas unidades que se lleven en la solapa y adviertan de la presencia de un gas tóxico”.
En esta línea, el laboratorio de nanoquímica ha creado un sensor portátil que detecta agentes nocivos –químicos y biológicos– con sólo disparar un pequeño rayo láser, sin necesidad de ensuciarse las manos ni quitarse los trajes protectores Hazmat. Las personas que responden a una emergencia de contaminación tienen que usar varios artilugios muy aparatosos. Según Linsebigler, “las clásicas unidades Raman que detectan productos químicos no pueden percibir un virus o una bacteria. Nosotros creamos nanopartículas que se pegan a las especies biológicas según su tamaño y responden a la luz de cierta longitud de onda. Por ejemplo, si vas a buscar esporas de la bacteria Bacillus anthracis –que causa el carbunco y es objeto de deseo de los bioterroristas– recubres el sensor con la nanopartícula del tamaño que funciona con este microbio”.
Hemos pasado por las edades de piedra y hierro, estamos inmersos en la del silicio y ahora, la era nano ya ha despuntado. De esto no le cabe duda a Loucas Tsakalakos, líder del equipo de energía fotovoltaica, con un laboratorio de 9.000 m2 en el campus de GE. “Hemos demostrado que es posible desarrollar una célula solar fotovoltaica hecha de nanoalambres con una altísima eficiencia a costos muy bajos”, dice Tsakalakos mientras coloca en mi mano un pequeño cuadradito azul. “Creamos los nanoalambres a base de silicona, que es abundante y barata, y los depositamos en capas extremadamente delgadas sobre un sustrato de vidrio, metal o plástico”.
La clave consiste en elaborar la estructura mediante nanotecnología de forma totalmente distinta a como se fabrican las células solares actuales. Los nanoalambres se hacen crecer a partir de cristales de silicona en forma de brocados, en lugar de piezas sólidas. La estructura crea trampas de luz y aumenta exponencialmente la capacidad de capturar los rayos solares. De ahí que su rendimiento sea mucho mayor que el de las piezas sólidas, que son muy reflectoras. “Aún tenemos que demostrar el potencial de este desarrollo. Nuestros cálculos nos dicen que será extraordinario, pero por ahora sólo hemos dado pasos de bebé”, dice Tsakalakos. El sueño de GE es convertir estos pasitos en zancadas. Para Margaret Blohm, la ruta está trazada.
“El desafío industrial es traducir estas innovaciones científicas en tecnologías productivas y baratas. Lo nano será infinitamente mejor para el medio ambiente una vez entendamos cómo controlarlo. Sí, existen riesgos para la salud, ya que las partículas más diminutas van a los riñones. Pero estudiaremos la seguridad, como con cualquier otro nuevo producto”.
Que los líquidos son líquidos y los sólidos son sólidos ya no es algo que podamos repetir con la misma convicción que antes. El nanomundo nos está dando una gran lección de humildad: el tamaño no sólo importa, sino que lo cambia todo.
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