Resumen El artículo expone las nociones, conceptos y referentes básicos de la nanotecnología. Destaca su importancia en los programas de financiamiento público a nivel mundial y explora su previsible irrupción en las más diversas actividades, productos y servicios.
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Nanotecnología: nociones básicas, importancia actual y alcances de una rama emergente de la economía del conocimiento. Mtro. Alejandro Toledo Patiño Resumen El artículo expone las nociones, conceptos y referentes básicos de la nanotecnología. Destaca su importancia en los programas de financiamiento público a nivel mundial y explora su previsible irrupción en las más diversas actividades, productos y servicios. Se discute el carácter y alcances de la revolución tecnológica que ella implica. Por último se señalan algunos de los principales rasgos de la dinámica de la patentes nanotecnológicas, durante el período 1979-2004 a fin de identificar los campos tecnológicos, las empresas y los países que se encuentran a la cabeza de la innovación en esta rama de la economía del conocimiento. Palabras clave: nanociencias, nanotecnología, nanoproductos, financiamiento público, campos de investigación y desarrollo, patentesEscribir Palabras clave. 1. Introducción Al día de hoy existe una creciente y diversa cantidad de productos nanotecnológicos: desde procesadores electrónicos hasta cosméticos y alisadores de cabello, pasando por medicamentos, textiles y levas para motores de automóviles y de aviones. Se escucha o lee acerca de la nanotecnología cada vez más en los medios de comunicación, a la par que el financiamiento público y privado para su investigación y desarrollo vive desde inicios del presente siglo un auge sin precedentes en las principales economías del mundo. Asimismo, en el preámbulo aún de lo que será su despegue comercial e industrial, la nanotecnología es un campo que progresa rápidamente en descubrimientos e innovaciones. Ella es considerada por gobiernos, centros de investigación públicos, privados y militares de los principales países del mundo, como un auténtico punto de encuentro en la convergencia tecnológica en curso (informática-telecomunicaciones, biotecnología, robótica y ciencias del cerebro). Su dominio se estima resulta estratégico para la competencia industrial, militar y espacial de las próximas décadas. La nanotecnología promete grandes avances productivos y beneficios para la humanidad debido a sus potencialidades en la mejoría de bienestar económico, social y ambiental. Se anuncia que implicará procesos productivos basados en energía barata, no contaminante y con una alta productividad agrícola e industrial, desarrollará medios informáticos y de comunicación más rápidos y accesibles, así como eficaces sistemas para administrar y mejorar medicamentos, al tiempo que permitirá revolucionarios métodos para potabilizar el agua. La otra cara de la nanotecnología es que genera gran incertidumbre y preocupación en cuanto a los posibles riesgos de su uso para la salud de las personas y la protección del medio ambiente. De hecho el abanico de interrogantes que a nivel económico abre la nanotecnología es muy amplio: ¿qué cambios productivos está generando? ¿Cómo se relaciona con las nuevas tecnologías? ¿Cuáles son sus dimensiones económicas actuales? ¿Cómo se están configurando las cadenas internaciones de producción de esta naciente industria? ¿Qué países dominan el mercado mundial de productos y procesos nanotecnológicos? ¿Cómo están impulsando la innovación en este campo gobiernos, universidades y empresas? ¿Qué papel puede jugar la nanotecnología en el desarrollo económico de países periféricos? De especial interés también es considerar la problemática en torno a su previsible impacto en las economías de países dependientes de la exportación de productos primarios y de commodities, debido a la sustitución de insumos, desplazamiento de bienes y consecuente desplome de mercados internacionales que los bienes nanotecnológicos sustitutos traerán consigo. El presente artículo no pretende dar respuesta a este amplio conjunto de interrogantes que recién comienza a abrirse al debate y a su estudio crítico. Las siguientes líneas se limitan a tres objetivos: 1) introducir al lector en el tema de la nanotecnología; 2) discutir la importancia de ésta en el cambio tecnológico contemporáneo y sus repercusiones industriales y comerciales más significativas, y; 3) considerar los procesos de patentación nanotecnológica a fin de conocer qué países, empresas y campos industriales están despuntando en esta rama emergente de la economía del conocimiento. El artículo pretende ofrecer un panorama general y resumido de la temática nanotecnológica a partir de una amplia y actualizada revisión bibliográfica. La estructura de exposición del artículo es la siguiente: en el segundo apartado se exponen algunas definiciones, nociones y referentes básicos de naturaleza científica, técnica e histórica en torno al tema; el tercer apartado discute las potencialidades no solo productivas de la nanotecnología, sus posibles riesgos, aplicaciones actuales y próximas así como sus principales campos de evolución; el cuarto apartado ofrece un primer acercamiento a los estudios existentes en torno al registro de patentes nanotecnológicas a nivel mundial; el quinto apartado expone las principales conclusiones del artículo. 2. Nociones básicas
El término “nanotecnología” se acuñó en 1975 a propuesta del japonés Norio Taniguchi (Universidad de Tokio, Japón) con el propósito de hacer referencia a la tecnología aplicada a escala atómica y molecular. El nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro (1 nm= 10‾9 m), y es lo que aproximadamente miden, alineados, 10 átomos de carbono. Una molécula de ADN mide 2.5 nm de ancho, un glóbulo rojo tiene un diámetro de 5 000 nm. y el grosor medio de un cabello de mujer es de menos de 100 000 nm. (Royal Society, 2004: 4; ETC, 2003: 11; Stix, 2001: 32) El diminuto universo de átomos y moléculas se comporta de acuerdo a las aún poco conocidas leyes de la física o mecánica cuántica y no conforme a las leyes de la física clásica. En pocas palabras: la materia se comporta de manera diferente a escala nano. De inicio hay que considerar que los electrones se desplazan de órbita al interior del átomo sin pasar por los puntos intermedios en su trayecto (salto cuántico). Además cualquier componente o elemento químico que en tamaño “macro” posee cierto color, consistencia, cualidades y propiedades, a escala nano puede ser y comportarse de modo muy diferente, del todo distinto incluso. Las nanociencias son el conjunto de disciplinas que buscan comprender las leyes que gobiernan este universo. Tienen como propósito el estudio de las propiedades que presenta la materia a nivel atómico y molecular (térmicas, eléctricas, magnéticas, ópticas, químicas, etcétera). Las nanotecnologías, a su vez, se refieren al conjunto de técnicas y procedimientos que permiten manipular y reconfigurar atómica y molecularmente la materia y, por consiguiente, modelar a voluntad sus características y desempeño. Algunos estudiosos del tema consideran que el término genérico de nanotecnología no es correcto y han propuesto el concepto de tecnología atómica -atomtech- ya que el prefijo nano se refiere a la dimensión o escala de la tecnología pero no al objeto o campo de estudio y trabajo: el átomo. En este concepto de “atomtech” se incluye a todas las tecnologías que convergen a escala nano (biotecnología, tecnologías de la información y comunicación, robótica, ciencias cognitivas) (ETC, 2003). La Iniciativa Nacional en Nanotecnología (NNI) de los Estados Unidos definió a las nanociencias y a la nanotecnología como: 1) “Investigación y desarrollo tecnológico a niveles atómico, molecular o macromolecular, en la escala de longitud de aproximadamente 1 a 100 nanómetros; 2) “Creación y uso de estructuras, dispositivos y sistemas que tienen nuevas propiedades y funciones debido a su tamaño pequeño o intermedio; 3) “Habilidad para controlar o manipular a escala atómica” (Roco, 2008). A su vez, la Real Sociedad y Real Academia de Ingeniería del Reino Unido definen a la nanociencia como “el estudio del fenómeno y manipulación de los materiales a escala atómica, molecular y macromolecular, donde las propiedades difieren significativamente de aquellas a escala mayor” Las nanotecnologías –en plural- las definen, a su vez, como “el diseño, caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas mediante el control de forma y tamaño a escala nanométrica” (Royal Society, 2004)1. Tal vez lo más apropiado sería hablar no únicamente de nanotecnologías (“amplio rango de herramientas, técnicas y aplicaciones potenciales”) sino también de nanociencias puesto que también es amplio el rango de disciplinas científicas que convergen en lo nano: metrónica, ingeniería, biología, química inorgánica y orgánica, física –en todas sus ramas: óptica, termodinámica, electrónica, hidráulica, etcétera. En este artículo el uso del término nanotecnología se hace precisamente en este sentido de amplia confluencia de disciplinas. 2.2 Breve recuento de su evolución Para valorar la trascendencia que guarda la nanotecnología es conveniente destacar que ella tiene como objetivo o meta última la recreación humana de la materia, su reconfiguración atómica y molecular a voluntad y de acuerdo a propósitos y usos específicos. El libro que marcó en 1986 el inicio de la difusión de la nanotecnología lleva por título precisamente el de Engines of Creation (Máquinas de la Creación) y fue escrito por Eric Drexler (1986), considerado un autor pionero y de los más controvertidos sobre el tema. Tres décadas antes, en diciembre de 1959, en la reunión anual de la American Physics Association, Richard P. Feynman dictó la conferencia que anunciaría al mundo el nacimiento de nanociencias y nanotecnologías: “There´s a plenty of room at the bottom” (“Hay abundante espacio en el fondo”). Esta plática es un hito pues Feynman, premio Nóbel de física en 1965 y uno de los más destacados físicos teóricos de la segunda generación del siglo XX, sostuvo que en el futuro sería posible fabricar nuevos productos a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. Su modelo explicativo fue muy simple y basado en las células: “… son muy chiquitas, pero están muy activas; fabrican diversas sustancias, andan por ahí y hacen toda clase de cosas maravillosas. Todo en una escala muy pequeña. Además almacenan información. Consideren la posibilidad de que también nosotros podamos construir una cosa muy pequeña y que ésta haga lo que queramos, que podamos fabricar un objeto que maniobre a ese nivel” (Drexler, 1986) El instrumental requerido para comenzar a hacer realidad esa futurista especulación científica se hizo realidad en los años ochenta: microscopios electrónicos altamente perfeccionados que permitieron observar y manipular la materia a escala nano. En 1982 se patentó el Scanning Tunneling Microscope (STM) –Microscopio de Efecto Túnel- y, a fines de esa década, el Atomic Force Microscope (AFM) - Microscopio de Fuerza Atómica. El Microscopio de Efecto Túnel hace posible ver a escala nanométrica indirectamente, mediante la representación del objeto en una pantalla de computadora y no mediante una ampliación de la imagen del objeto por unos lentes (como sucede con los microscopios ordinarios). El microscopio utiliza una fina “aguja” eléctricamente conductora, que escanea la superficie del objeto a una distancia de solo 10 nm. El flujo de electrones que va de la aguja a la superficie mantiene constante esa distancia. Si la superficie sube, aquella también lo hace, si baja, también desciende. De este modo las vibraciones de la aguja permiten trazar gráficamente la imagen de la superficie en una pantalla (ETC, 2003: 13). Además de la observación de estructuras de una escala atómica, este tipo de microscopio permite moverlas y ensamblarlas: al incrementarse el voltaje que corre por la aguja, se logra que los átomos se adhieran –uno a uno- a la punta de la misma; por el contrario, al descender el voltaje, el átomo se “suelta” con lo cual puede ser reubicado de sitio. Con ese procedimiento en 1989 se “levantaron” 35 átomos de xenón (gas inerte) para ser colocados sobre una superficie de cristal de níquel, formando un logotipo de menos de 3 nm. con las letras IBM. Los científicos Berd Binnig y Heinrich Rohrer, creadores del STM, obtuvieron en 1986 el premio Nóbel de Física. El Microscopio de Fuerza Atómica opera con un principio semejante: una aguja que en este caso va tocando y “leyendo” una determinada superficie a la que reproduce en una imagen en pantalla. En comparación con el modelo de microscopio precedente, el atómico tiene la ventaja de que permite trabajar con materiales que no son altamente conductores eléctricamente tales como células, tejidos y material biológico en general (ETC, 2003: 14), lo cual amplia considerablemente el rango de sus aplicaciones biotecnológicas y médicas. Con tal instrumental de precisión atómica, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley (Premios Nóbel de Física 1996) descubrieron en las postrimerías de los años ochenta unas peculiares estructuras de carbono de forma icosaédrica (parecidas a balones de fútbol): las “Buckyballs” o “fullerenes”2. A partir de estudios en torno a tales estructuras, conformadas por 60 átomos de carbono (C60) configurados en veinte hexágonos y doce pentágonos, en 1991 Sumio Iijima descubrió accidentalmente los nanotubos de carbono, uno de los resultados más importantes de la nanoinvestigación. Se trata de tubos formados por capas de grafito enrolladas sobre sí mismas. Existen de una sola capa (single wall) y de muchas capas (multi wall). A estos nanotubos se les considera un “material milagroso” pues presentan características y propiedades novedosas y sorprendentes. Son las fibras más resistentes hasta hoy día conocidas. Cien veces más fuertes que el acero y seis veces más ligeras que él. Poseen la relación largo/ancho más alta jamás construida por el hombre o vista anteriormente en la naturaleza3 y presentan un comportamiento electromagnético que les permite operar ya sea como semiconductor o bien como metal4 (Royal Society, 2004: 8-9). Existen dos vías de investigación y desarrollo que siguen las nanociencias y nanotecnologías. Una es la vía “de abajo a arriba” y la otra es la vía “de arriba a abajo” (bottom-up y top-down). Se trata de un desarrollo peculiar de “doble filo” (Joch: 2005). La ascendente es la senda compleja. La descendente es la “sencilla”. En la actualidad esta última es la predominante y la que más ha incursionado con productos y procesos en los mercados. En general ésta es la nanotecnología que se deriva del proceso de “achicar” o “recortar” cada vez más la materia. Por esta vía ha sido posible acercarse a la precisión atómica de manera gradual, descendiendo en tamaño poco a poco, mediante refinamientos graduales de procesos de fabricación ya existentes. Desde fines de la década pasada estas nanotecnologías se aplican en el pulido de las obleas de silicio usadas en circuitos integrados, en el corte de discos de cerámica vítrea que operan como sustrato en discos duros de computadora, así como en el pulido de metales duros a fin de fabricar árboles de leva para motores de autos, barcos y aviones (Encarta, 2006). Hall Storrs (2005:21) sostiene que la palabra “nanotecnología tiene dos significados diferentes. Uno es el amplio, la versión dilatada que significa cualquier tecnología que trate con algo de tamaño menor que 100 nm. El otro es el significado original de diseñar y construir máquinas en las cuales cada átomo y enlace químico está precisamente especificado”. Es decir: la nanotecnología de arriba a abajo es la modalidad o versión ligera (“light”) y la segunda es la modalidad dura (“hard”) o compleja. La vía de investigación y desarrollo nanotecnológico que viene de abajo y se dirige hacia arriba, se encuentra fundamentalmente en etapa experimental, ubicada centralmente en el ámbito de las investigaciones y pruebas en laboratorios, como se expondrá en el siguiente apartado. . 3. La gigantesca revolución de una tecnología enana
En el año 2000 el gobierno de los Estados Unidos de América lanzó la Nanotechnology National Initiative (NNI). Le siguieron en iniciativas semejantes: Japón (abril 2001), Corea del Sur (julio 2001), Comunidad Europea (marzo 2002), Alemania (mayo 2002), China (agosto 2002), Taiwán (septiembre 2002). En la actualidad más de treinta de países cuentan con programas o estrategias de desarrollo nanotecnológicas respaldadas con cuantiosas aportaciones públicas (Roco, 2007). A la cabeza del financiamiento público en pos de procesos, aplicaciones y productos nanos se encuentran los Estados Unidos, la Unión Europea y Japón. El Cuadro 1 muestra la evolución del gasto público mundial en investigación y desarrollo nanotecnológico durante el período 1997-2006. Cuadro 1 Gasto Gubernamental en Investigación y Desarrollo Nanotecnológico, 1997-2006 (MMD).
1: Incluye Suiza 2: Comprende esencialmente a Australia, Canadá, China, Corea del Sur, Europa Oriental, Israel, Singapur y Taiwán. Fuente: Roco, 2007, p. 18, cuadro 2. Tres aspectos sobresalen de la tabla anterior: a) el aventajado liderazgo de los Estados Unidos; b) el notable crecimiento del gasto total durante el período -1083%- el cual muestra un notable impulso a partir de 2001, y; c) el aún más sobresaliente crecimiento del gasto correspondiente al rubro de “otros” países/regiones – 1514% - superando en el 2006 los montos ejercidos por Japón o la Unión Europea. En este subconjunto de “otros” sobresalen China, Corea del Sur y Taiwán, países que en el año 2004 invirtieron en conjunto 660 millones de dólares en investigación y desarrollo nanotecnológico, es decir, más de dos terceras partes de lo correspondiente al rubro de “otros” para ese período (900 millones de dólares). La nanotecnología ha tenido un nacimiento peculiar, semejante en cierto sentido a las ciencias y tecnologías espaciales. A diferencia de la gran mayoría de las tecnologías claves surgidas en el capitalismo y que fueron impulsadas por el mercado (“market push”) abriéndose paso a partir de iniciativas empresariales y personales -como ocurrió con las tecnologías asociadas al ferrocarril, al automóvil, a la computadora- la nanotecnología está siendo notoriamente promovida desde la comunidad científica (“science push”) y desde los poderes públicos. Para muchos expertos la nanotecnología implicará una revolución del tipo inducido, en su respectivo momento, por la industria textil, los ferrocarriles, la industria automotriz, la computación. Se habla así de que es una tecnología precursora o que ella constituye un nuevo paradigma científico y tecnológico que supondrá desatar una auténtica segunda revolución industrial (Lipsey, 2005; Drexler, 1986). Especialistas en nanotecnología de “abajo a arriba” estiman que esta última “tiene el potencial para incrementar nuestras capacidades físicas más que lo hecho por la revolución industrial, expandir nuestra capacidad para aprender y comunicar más que lo hecho por la imprenta, acelerar nuestra habilidad para viajar más que lo hecho por el barco y la rueda, así como ampliar los lugares en los que podemos vivir más que lo que ha permitido el uso de ropa. Podría inducir cambios biológicos tan grandes en el organismo humano que la diferencia entre humanos y chimpancés sería mayor que las diferencia entre humanos y cangrejos. Ella está por llegar, posiblemente en la siguiente década, probablemente en los próximos veinticinco años, casi con certeza en el siglo XXI” (Hall, 2005: 26) Considerando las enormes perspectivas que abre la nanotecnología en el desarrollo de las capacidades productivas de la sociedad, sus partidarios más optimistas piensan que los cambios que provocará serán equiparables históricamente a lo que significó el paso del uso de la piedra al uso de los metales: un salto decisivo en la vida de la primitiva humanidad. De acuerdo a tales visiones, una ha sido la civilización producida a raíz de que nuestros ancestros llevaron a cabo la revolución de la metalurgia. Otra será la civilización que exista a partir de la revolución nanotecnológica (Drexler, 1896). A fin de tener una idea de lo que los científicos partidarios de esta visión tienen en mente resulta oportuno referir aquí tres ejemplos extremos de investigación y desarrollo nanotecnológico. Uno: construir fábricas moleculares (“nanofabs”) con nanorobots (“nanobots”) en línea de ensamble y con capacidad para autoreplicarse. Dos: fabricación de nanocomputadoras electrónicas ensambladas químicamente (Chemically Assembled Electronic Nanocomputers, CAEN) las cuales tendrán capacidad para realizar simultáneamente billones de operaciones a costos energéticos ínfimos. Tres: nanoenfermeros y nanocirujanos que puedan detectar tempranamente enfermedades, suministrar medicamentos puntualmente in situ o reparar quirúrgicamente con fines preventivos o correctivos, células, tejidos, órganos, neuronas, de nuestros cuerpos. Se trata de tres ejemplos cuya concreción según los más recientes estudios tendrá lugar – si sucede- en un plazo no menor de dos décadas (Silberglitt, Anton, Howell y Wong, 2006)5
Manipular la materia a escala nano, donde operan las aún parcialmente desconocidas leyes del universo cuántico, implica en sí una gran incertidumbre y abre la posibilidad de no pequeños riesgos para la salud y la naturaleza. Informes y reportes oficiales y privados en los Estados Unidos y Europa previenen sobre los posibles efectos que las nanopartículas pueden tener en el conjunto de los seres vivos (plantas, animales, seres humanos) y en el entorno ambiental en general, dada su capacidad para traspasar tejidos, adentrarse en organismos y alojarse en células de todo tipo (Foladori e Invernizzi, 2006). Los estudios hasta ahora efectuados no son en modo alguno concluyentes en cuanto a los peligros y riesgos, pero hablan de la necesidad de establecer políticas y medidas que estudien y regulen el uso de nanopartículas y nanocompomentes de modo que se garantice la protección de la población y del medio ambiente (Huw, 2003;). Hay quienes han propuesto una moratoria en la investigación y aplicación de productos nanos hasta que no se establezca un organismo internacional de expertos que vigile y evalúe sus impactos en todos los campos, desde el ambiental hasta el ético y social (ETC, 2003: 73-75). Estudios más recientes insisten en la importancia de hacer del conocimiento público el trabajo de especialistas que evalúen los impactos ambientales, en la salud, así como las implicaciones económicas, sociales y éticas del uso de productos, dispositivos y todo tipo de partículas de dimensiones nano (Meridian Institute, 2005: 8-9; Gergely, Mayer, Brown, Rowe y Maw, 2007). Igualmente se advierten los riesgos del uso de la nanotecnología con fines militares. Los principales ejércitos del mundo se encuentran inmersos ya, por supuesto, en investigaciones de tal naturaleza. Se diseñan “uniformes inteligentes” con capacidad para reaccionar a variaciones de luz, humedad y temperatura en los teatros de operaciones de los soldados; también se llevan a cabo proyectos en torno a armamento autoejecutable, nanopartículas destructoras o venenosas, nanoespías, o bien nanodispositivos que podrían ser genéticamente dirigidos contra ejércitos o contra grupos étnicos, comunidades religiosas, etcétera (Foladori e Invernizzi, 2006: 331; Delgado, 2007). En el caso de los Estados Unidos de América destaca que sea el Departamento de Defensa, después de la Fundación Nacional para la Ciencia, la dependencia federal con mayor cantidad de fondos desde el inicio de la NNI, con un presupuesto superior, año tras año, al de cualquier otra dependencia federal. Mientras que su presupuesto acumulado durante 2000-2007 fue de 1925 millones de dólares, el del Departamento de Energía sumó 1 303 MD, el del Departamento de Agricultura 155 MD y el de la Agencia de Protección Ambiental únicamente 42 MD (Roco, 2007: 17). De seguir esa dinámica de gasto y hacerse extensiva a otros países, hay autores que han advertido sobre la posibilidad de que en los próximos lustros se desate entre las principales potencias una carrera nanoarmamentista (Foladori e Invernizzi, 2006: 332). Pero al margen de las potencialidades y riesgos del uso de la nanotecnología y que debaten sus partidarios y críticos, una cuestión parece ser irrebatible: ella cambiará ideas y concepciones sobre la naturaleza última de la materia y modificará la capacidad del ser humano para ya no solo transformar sino, literalmente, reconfigurar el mundo que lo rodea. Implicará, también, transformar las capacidades del ser humano para reconfigurarse a sí mismo, tanto en cuerpo como en mente, como lo postula la filosofía del “transhumanismo” (Dupuy, 2004: 15-16; Young, 2006). 3.3 Productos y aplicaciones actuales y próximas La lista siguiente, tomada de un estudio publicado en el 2005 (Meridian Institute, 2005: 3) establece doce sectores de actividad económica en los que ya se aplicaban, o se aplicarían en el transcurso de la presente década, productos nanotecnológicos:
Este listado podría hacerse extensivo en la actualidad a la industria aeroespacial, naviera, petrolera, portuaria, del agua, del vidrio, de los fertilizantes, de la construcción y del medio ambiente. Se estima que en la próxima década del siglo, la nanotecnología estará ingresando a una etapa de difusión y adopción industrial abarcando toda esta amplia gama de productos y actividades. Mientras tanto, ella recorre una fase “pre-competitiva”, es decir, previa a su comercialización y centrada fundamentalmente en la investigación: proyectos científicos, diseños preliminares y experimentos y pruebas en laboratorio. En uno de los más recientes estudios de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología de los Estados Unidos de América (NNI) (Roco, 2007: 28-30) se consideran cuatro fases en la trayectoria evolutiva de los inicios de los prototipos industriales y de la comercialización nanotecnológicas durante el lapso 2000-2020:
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