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Las aplicaciones de la nanotecnología en Defensa

El físico y premio Nobel Richard Feynman, en 1959, pronunció un discurso en el Instituto de Tecnología de California, Caltech, donde adelantó las bases de la nanotecnología. Habló de la importancia de estudiar la materia a tamaño atómico y predijo que ahí se encontraba un nicho de conocimiento muy fructífero.

Feynman, había trabajado en su juventud en el proyecto Manhattan, participando en el desarrollo de la bomba atómica en el transcurso de la Segunda Guerra Mundial, y con gran clarividencia intuyó que la materia a tamaño nanométrico marcaría las líneas de la investigación del futuro.

¿Qué es la nanotecnología?

La nanotecnología es, en esencia, la producción y/o manipulación de materiales a tamaño nanométrico, es decir, en el rango de la milmillonésima parte de un metro, por debajo del tamaño de virus y próximo a las dimensiones atómicas. En concreto, los efectos más sorprendentes de la materia se encuentran entre el 1 y los 100 nm., en el umbral difuso entre la Física Clásica y la Mecánica Cuántica, donde la materia se comporta de forma diferente a como lo hace a tamaño macrométrico.

Esos efectos cuánticos son variados e incluyen la modulación de la dispersión de la luz que incide sobre cierto tipo de nanopartículas con tamaños, formas y materiales concretos, generalmente metálicos, la interacción con los átomos o las moléculas de matrices de otros materiales para alterar sus propiedades fisicoquímicas originales, o la posibilidad de crear sensores que intensifiquen hasta un millón de veces la detección de moléculas, bajando considerablemente su límite de detección instrumental, entre otros.

Pero ¿cómo se generan las nanopartículas? Existen diferentes técnicas para producir nanopartículas. En inglés se las denomina top-down, de arriba abajo, o bottom-up, de abajo arriba. En definitiva, se trata de usar métodos físicos o métodos químicos.

En la producción de partículas por el método de arriba abajo, o por métodos físicos, se parte del material a tamaño macro, por ejemplo, una pieza de oro nativo. Esta pieza de metal (aunque pueden ser otros materiales) se esculpe en su superficie para crear estructuras nanométricas mediante un haz de electrones, iones o fotones.

Otra forma se conoce como PLD o Deposición por Láser Pulsado, en la que los átomos se arrancan del metal y por una diferencia de potencial se depositan en un sustrato, donde se puede controlar el espesor de los átomos depositados. Estas técnicas son muy precisas, pero se produce muy poca cantidad de material, además de que son muy caras y delicadas porque suelen necesitar atmósferas inertes y con alto vacío. También existen otras técnicas menos exigentes como la molienda, la electrodeposición o la electropulverización.

Los métodos químicos o de síntesis, tienen una ruta a la inversa, se parte de iones en disolución que se reducen químicamente para dar átomos que coagulan o se agregan generando nanopartículas de diferentes tamaños y formas. El control del tamaño y la forma mediante estos métodos es toda una disciplina porque depende de los productos de reacción y los estabilizantes. Estos métodos son mucho más baratos y sencillos, no necesitan condiciones de laboratorio especiales, pero por el contrario no se puede controlar con tanta precisión la agregación atómica. No obstante, se puede producir en más cantidad, y las metodologías de síntesis bien establecidas dan muy buenos resultados de reproducibilidad, por lo que suele ser la técnica más empleada.  

Imágenes de microscopio de fuerza atómica (AFM) con nanopartículas de oro cúbicas, izquierda, y nanopartículas de plata estrelladas, derecha (Departamento de Nanotecnología de SDLE).

Se puede deducir, por el tamaño de los nanomateriales, que no es posible ver a simple vista las nanopartículas, por lo que se requieren técnicas de microscopía como el microscopio electrónico de barrido (SEM), microscopio electrónico de transmisión (TEM), el microscopio de efecto túnel (STM) o el microscopio de fuerza atómica (AFM), donde además de ver las nanopartículas se obtiene más información, como la conductividad, magnetismo, topografía...

Además de los microscopios, se usan otros métodos indirectos para ver los efectos de los nanomateriales en su interacción con la radiación electromagnética o con moléculas o estructuras del entorno, como la espectroscopía de UV-Vis para ver la resonancia del plasmón en superficie, y la espectroscopía de vibración, muy en particular la espectroscopía Raman, en lo que se conoce como SERS (Surface Enhanced Raman Scattering o intensificación en superficie de la dispersión Raman).

Aplicaciones en Defensa

Las aplicaciones de la nanotecnología en Defensa cada vez son mayores, apareciendo como proyectos de investigación y con aplicaciones directas. De hecho, el Departamento de Defensa de Estados Unidos, es el mayor inversor en investigación en nanotecnología, fundamentalmente para el desarrollo de materiales, dispositivos electrónicos y protección bio-química[1].

En la década de los 90, el Pentágono identificó la nanotecnología como una de las seis “Áreas estratégicas de Investigación" y aproximadamente la mitad de su inversión se destina a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)[2]. Este programa se agrupa en siete áreas o subprogramas como son los procesos y fenómenos fundamentales en la nanoescala, los nanomateriales, los sistemas y dispositivos en la nanoescala, la investigación en instrumentación, metrología y estándares para nanotecnología, la nanofabricación, la investigación en la instalación y adquisición de instrumentación y las dimensiones sociales.

Este interés por trabajar en la nanoescala está muy bien justificado, ya que los resultados de diferentes investigaciones en nanotecnología son muy prometedores, abarcando áreas interdisciplinares. De forma general, se puede decir que la inclusión de nanopartículas en materiales matrices puede mejorar sus propiedades mecánicas considerablemente, haciéndolos más resistentes y ligeros.

De igual manera, se puede hablar de nanomedicina, vendajes cicatrizantes, empaquetamientos alimentarios con nanopartículas de plata que actúan como antibacterianos o antivirales, sensores de gases o sensores biológicos, armaduras de protección, metamateriales para invisibilizar objetos como aeronaves, o vehículos con camuflaje electromagnético u optimizar motores para reducir el consumo de combustible…

En octubre de 2021 el ranking de patentes registradas en Europa y Estados Unidos (EPO y USPTO)[3],[4],[5] estaba encabezada por EEUU, Corea del Sur, Japón, y China. El auge de esta disciplina como generadora de productos de última tecnología es tal, que en Estados Unidos aproximadamente por cada tres artículos que se escriben en el área, se registra una patente.

Patentes publicadas y artículos sobre nanotecnología

Pero no todo son ventajas, en ocasiones la producción y/o el uso de nanomateriales puede tener ciertas consecuencias para la salud humana y animal o para el medioambiente. Conviene no olvidar que las partículas suelen ser más pequeñas que un virus y por lo tanto pueden penetrar en los tejidos y alcanzar órganos de los seres vivos.

En un documento del Ejército estadounidense[6], se señala la necesidad de proteger a la población civil y militar de los indeseables efectos que pueden tener los usos de nanopartículas o sus procesos de producción. Este hecho, aunque cierto, no es una preocupación mayor ya que la cantidad de material nanométrico que pueda escaparse de la matriz de un material nanodopado o de la superficie de un vehículo tratado, es insignificante en términos cuantitativos.

A nivel nacional, compañías del sector de Defensa como SDLE disponen desde hace dos años de un Departamento de Nanotecnología donde desarrollan proyectos de investigación en el área de materiales y sensorización. (Departamento de Nanotecnología de SDLE)

Referencias

[1] Nano Werk. Military nanotechnology – how worried should we be? 2006

[2] https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=1015.php

[3] https://statnano.com/report/s103

[4] https://statnano.com/report/s102

[5] https://statnano.com/news/70047/Top-Countries-in-Nanotechnology-USPTO-and-EPO-Published-Patents-vs-WoS-Indexed-Articles-%282021-Oct%29

[6] https://www.fedcenter.gov/_kd/Items/actions.cfm?action=Show&item_id=3318&destination=ShowItem

 

 

 

 

 

 


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