De cerca

Hace unos días impartió en el Instituto de Carboquímica una charla sobre ‘Ciencia de materiales en dos dimensiones’. ¿Qué hace científicamente interesantes a los nanomateriales 2D?

Lo nano es una escala de tamaño muy pequeño, y hay aplicaciones industriales que necesitan materiales a esa escala; la electrónica es un buen ejemplo. Se fabrican dispositivos cada vez más pequeños. Y cuando nos adentramos en escalas muy pequeñas, las propiedades fundamentales cambian. Las propiedades de un material a nanoescala pueden variar significativamente de las propiedades del mismo material cuando se presenta en forma macroscópica, aunque la composición sea la misma.

Todos hemos oído hablar del grafeno, pero ¿hay más materiales bidimensionales?

Sí, estamos rodeados de diferentes materiales. En mi propia investigación, empezamos estudiando las nanopartículas metálicas, luego pasamos a los nanotubos de carbono, y después al grafeno, otros materiales 2D, nanocompuestos, etc. La tecnología de materiales macroscópicos (3D) se basa en una dimensión de escala de longitud, por lo que se puede coger cualquier compuesto y convertirlo en una nanoestructura. Puede ser 2D, puede ser 1D, pero esencialmente tienes la posibilidad de hacer nanomateriales de cualquier compuesto.

¿De cualquier compuesto?

Prácticamente. No puedo decir de cualquiera, pero tenemos un amplio abanico de compuestos a partir de los que podemos construir.

¿Pueden llegar a ser, a corto plazo, más interesantes que el grafeno, si son más 'manejables'?

No necesariamente. Hay retos intrínsecos relacionados con los nanomateriales y retos extrínsecos. Los retos intrínsecos consistirían en controlar de verdad el tamaño, la forma y la estructura, de modo que puedan obtenerse las propiedades que hemos previsto. Los retos extrínsecos serían la escalabilidad, el coste, etc. Al igual que el grafeno, otros materiales tienen retos importantes en términos de escalabilidad, coste y demás. Puede que no sean exactamente los mismos, pero los tienen. Los nanotubos de carbono son un buen ejemplo. Trabajamos en ellos antes que en el grafeno y conseguir la estructura exacta para millones de nanotubos es complicado. También lo es conseguir un coste realmente bajo para competir con, digamos, la fibra de carbono, pero, de nuevo, hay que recalcar que estamos en las primeras etapas de la nanotecnología. Solo han pasado 25 años, así que, con una perspectiva a largo plazo, muchos nanomateriales estarán presentes.

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¿Qué aplicaciones de estos materiales tenemos más próximas?

Las nanotecnologías ya están en uso, si se mira la tecnología de los semiconductores, el tamaño de los dispositivos ya es nanotecnología. Hay nanocompuestos para aplicaciones específicas, los científicos están tratando de construir membranas... También el almacenamiento de energía es muy importante, ya se están utilizando materiales basados en el grafeno para ello, así que las aplicaciones están ahí… Sin embargo, creo que las verdaderas promesas de la nanotecnología, la verdadera revolución, todavía va a tardar. Ocurrirá cuando, por ejemplo, los nanomateriales sustituyan al silicio, pero eso puede tardar mucho más tiempo del que pensamos. Ya ha habido demostraciones, pero aún se está investigando y estudiando cómo se pueden fabricar esas arquitecturas complejas utilizando nanomateriales…

¿Los nanomateriales reemplazarán al silicio?

Estoy seguro de que ocurrirá. La cuestión es en cuánto tiempo y, además, puede que no sea con la misma tecnología que estamos utilizando hoy.

¿Qué otras aplicaciones podemos esperar en el futuro?

En cualquier campo importante hay espacio para la nanotecnología. Los sensores van a estar en todas partes y los nanomateriales van a desempeñar un papel importante en ellos. También en energía y catálisis, los catalizadores son básicamente nanomateriales. Aún tenemos que descubrir muchas aplicaciones y muchas de ellas tendrán un impacto significativo en la sociedad. El problema del exceso de CO₂ es muy importante… ¿podemos transformarlo en un producto útil? ¿Y crear hidrógeno verde dividiendo agua? Todo ello necesitará de catálisis controlada y bien definida y eso son nanomateriales. Esto es lo que estamos intentado comprender. Tratamos de definir la ciencia fundamental que hay detrás de los nanomateriales y la nanotecnología para que puedan tener un papel en aplicaciones específicas a largo plazo. No debemos confundir la ciencia básica que hacemos la mayoría de nosotros y la perspectiva a largo plazo, que son las aplicaciones.

El almacenamiento de energía es hoy uno de los grandes retos. ¿Qué pueden aportar aquí estos materiales?

Una parte importante de las baterías son los materiales que constituyen los electrodos, y estos están hechos de, por ejemplo, nanocarbonos. El grafeno ya se utiliza de forma significativa en los supercondensadores y las baterías de litio. A largo plazo, aparecerán todo tipo de estructuras diferentes para las baterías de litio. Puede que también baterías impresas en 3D, dispositivos de almacenamiento de energía impresos... La combinación de ciencia de los materiales y nanoingeniería es lo que realmente crea impacto. Muchos de los materiales que utilizamos ahora en dispositivos de almacenamiento de energía, baterías, etc.… son, en cierto sentido, de nanoingeniería, porque se disminuye el tamaño práctico, se aumenta el área de superficie y la eficiencia de muchos procesos electroquímicos. A veces puede ser un reto cuando se tiene un área significativamente pequeña... pero en general, ir hacia tamaños más pequeños, que es lo que hace la nanotecnología, tiene ventajas específicas en el almacenamiento de energía y otras tecnologías.

Ha mencionado la impresión 3D. ¿Estará ligada a la nanotecnología en el futuro?

Cuando hablamos de nanotecnología, hablamos de fabricación descendente o ascendente. La descendente es lo que hace hoy la industria electrónica. Cogen el material y lo esculpen desde un bloque hasta tamaños pequeños. Pero hay un enfoque opuesto con el que también se pueden construir materiales y dispositivos de abajo arriba.

Los sistemas biológicos siempre funcionan de abajo a arriba. En algún momento, habrá una competencia entre estos procesos, y las ventajas de la fabricación ascendente es que realmente se pueden construir estructuras complejas, jerarquías, y crear tipos de materiales extremadamente heterogéneos porque, básicamente, se está construyendo hacia arriba. La impresión 3D es una herramienta útil para esta fabricación ascendente. Hoy en día, todavía no hay una resolución especial para hacer nanoescala, pero en el futuro la habrá. La gente está tratando de averiguar cómo conseguir una resolución mucho mayor, para poder imprimir cosas de forma muy biónica y compleja. Creo que están relacionados.

¿Está por llegar una revolución tecnológica de la mano del grafeno?

Bueno, revolución es una palabra fuerte (risas). Para mí se trata realmente de construir conocimiento en este campo. Las tecnologías del futuro, desde la electrónica hasta las membranas o el almacenamiento de energía, tienen que tener materiales de nanoingeniería, es la única opción. Y, de una manera u otra, el grafeno participará en este escenario, pero si preguntas por algo específico y cuándo sucederá, eso puede ser más difícil de responder. En algunos casos, tal vez la respuesta sea clara, pero en otros no, porque hay fuerzas que compiten entre sí y grandes desafíos... Pero creo que es un momento fascinante, porque realmente se pueden controlar los materiales a escalas muy pequeñas, y eso te da mucha cancha. Si te planteas cómo podrían ser las tecnologías dentro de 50 años, no tengo ni idea, es imposible de predecir. Serán tecnologías más interesantes, más complejas, más sofisticadas...

¿Cuáles son las dificultades, los retos, las limitaciones?

La escalabilidad, a veces la estructura... La más importante es que cuando vamos a escalas más pequeñas hay una fuerte correlación entre la estructura y las propiedades y, si no se puede controlar la estructura a escala atómica, entonces se tiene un problema de fiabilidad. La mayoría de los expertos en nanomateriales se enfrentan a la cuestión de cómo controlarlos realmente... Es decir, ¿puedo hacer grafeno de nanotubos que sean exactamente iguales en un área muy grande? La respuesta es muy problemática. Está el problema de la heterogeneidad, de los defectos, de la escala... Podríamos tener unas propiedades realmente fantásticas a pequeña escala, pero al escalar y hacer una estructura más grande, puede que no nos encontremos exactamente lo mismo. Hay muchas cosas que entran en juego. Por ejemplo retos extrínsecos como la escalabilidad, el coste, etc. Aunque se trate de materiales competitivos, seguimos teniendo que enfrentarnos a la relación coste-beneficio. Si estás fabricando un nanomaterial y tratas de sustituir a otro material en uso, tienes que plantearte qué ventajas ofrece en términos de coste, de facilidad de integración... y lleva un tiempo conseguir esas ventajas en la industria.

En su trayectoria científica destacan también dos récords mundiales: El cepillo más pequeño y el material más oscuro. ¿Cómo fue?

Estábamos tratando de ir más allá de las barreras conocidas de lo pequeño que se podía hacer algo. Y, cuando estábamos haciendo cepillos de nanotubos, uno de los estudiantes tuvo la idea de que ese podría ser el cepillo más pequeño del mundo... Y nos planteamos presentarlo al Libro Guinness. Ese fue nuestro primer récord.

Con el segundo ya teníamos experiencia en conseguir un récord Guinness. Estábamos intentando hacer estructuras que absorbiesen mucha luz y se viesen muy muy oscuras... incluso en la observación. De nuevo, la pregunta que nos hicimos fue... ¿cómo podemos hacer algo que sea lo más oscuro? Entonces empezamos a realizar mediciones muy complejas y averiguamos que, al menos en la literatura de la que había constancia, nuestro material era el que poseía una absorción de luz más alta.

Nos llevó mucho tiempo, implicó muchas mediciones muy complejas en muchas direcciones. No es fue nada simple... ¿cómo comparas la oscuridad?, quiero decir...

¿Ha tenido alguna aplicación después en sus investigaciones?

Sí, piensa en absorber la luz y convertirla en calor y utilizar el calor para algo..., hay posibilidades. Y con el cepillo puedes limpiar lugares muy pequeños. 

Colaboración con el ICB

Desde hace más de diez años, el profesor Ajayan colabora con científicos del Grupo de Investigación en Nanoestructuras de Carbono y Nanotecnología del Instituto de Carboquímica (CSIC). Su visita a Zaragoza tenía el objetivo de establecer nuevas líneas de investigación conjunta para el desarrollo de nanomateriales sostenibles.

"Conozco a Wolfgang Maser desde hace bastante tiempo, y hemos colaborado a lo largo de los años -declara Ajayan-. Será genial poder trabajar juntos, ese debería ser el camino y ojalá podamos conseguir mucho más de lo que podemos hacer por nosotros mismos". Según detalla, "en mi grupo estamos interesados en aprovechar algunos de los materiales que el Instituto de Carboquímica está construyendo para hacer catálisis y en estudiar materiales dinámicos que cambiarán de propiedades con el tiempo... Hacemos ciencia de los materiales, así que hay mucha sinergia".

En su opinión, "la colaboración es fundamental en la ciencia actual. Cuando me gradué, solía publicar artículos con otras dos personas y hoy en día el número mínimo de personas en un artículo es de diez. Todos no podemos hacerlo todo, pero contactamos con colegas que pueden hacer otras cosas".

Esta entrevista se ha realizado con la colaboración del Instituto de Carboquímica (CSIC)

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