La nanotecnología es un campo de la ciencia en permanente evolución que encierra una promesa comercial real y otra que todavía no se ha descubierto. Construir nuevas estructuras moleculares es un paso en la evolución de la nanotecnología. Pero más difícil –y revolucionario– será la producción masiva de materiales de nanotecnología por parte de la industria química a precios que los hagan más competitivos. En esto radica la posibilidad de una explosión de crecimiento en todas las industrias, especialmente aeroespacial, defensa, automotriz, electrónica, salud y textiles.
El trabajo preparado por un equipo de la consultora IHS Chemical –Michelle Lynch, Mark Morgan y Jagdish Rebello– enumera varias formas de definir nanotecnología. Entre las varias definiciones, dicen, la más común es aquella que la concibe como un producto hecho con materiales que contienen partículas con una dimensión inferior a 100 nanómetros. Un nanómetro es la 1.000 millonésima parte de un metro; 10 átomos de helio dispuestos en una fila medirían alrededor de un nanómetro. Un cabello humano tiene un espesor aproximado de 40.000 nanómetros.
Otra definición la presenta como un producto que contiene partículas individuales, separadas, que tienen entre 1 y 100 nanómetros de diámetro. Esas partículas luego se formulan en modos diferentes para hacer nanomateriales. Las nanopartículas se pueden disolver o suspender en un líquido, formar parte de la composición de una fina capa para cubrir superficies o dispersarse en forma sólida.
Un pronóstico de IHS calcula que el mercado global de nanomateriales significará casi US$ 7.400 millones en 2015 frente a US$ 5.600 millones en 2010. Las proyecciones indican, dicen los autores, que el mercado alcanzará US$ 12.400 millones para finales de esta década.
La mayoría de los materiales que ya existen hoy en el mercado son óxidos inorgánicos –como sílice, titania y zirconia– con una pequeña proporción de metales preciosos como platino, paladio, oro y plata además de nanotecnología basada en carbón como nanotubos y nanofibras. También está creciendo el mercado para la nanotecnología orgánica, que no está incluido en el pronóstico de IHS. Esas partículas incluyen moléculas de grasa en nano tamaño y polímeros. Se pueden usar solas o como parte de un sistema híbrido con nanomateriales inorgánicos.
Desafíos del mercado
Todavía los consumidores no están muy entusiasmados sobre el valor de la nanotecnología. Cuestionan los beneficios y tienen preocupaciones sobre los posibles efectos ambientales y de salud, especialmente cuando se trata de productos que se usan sobre la piel, como los cosméticos y las pantallas solares. Esto llevó a la introducción de lineamientos voluntarios de etiquetado, que podrían convertirse en obligatorios en el futuro si aumenta la regulación para la industria.
La regulación que gobierna la producción y venta de los productos que contienen nanopartículas ya se está difundiendo por Europa. Por ejemplo, se exige a las compañías que registren grandes volúmenes de productos nanotecnológicos como exigencia de la legislación Reach de la Unión Europea (Reach es la sigla para Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals). En agosto de 2014, la Comisión Europea concluyó un período de consulta pública sobre medidas de transparencia para nanomateriales que ya están en el mercado. Es probable que otros países sigan el ejemplo sobre regulación de nanomateriales.
Hay muchos otros desafíos en este sector. Entre los principales está el costo. La industria química ha venido bajando el costo de producción de la fibra de carbono liviano en la última década, al punto tal que el precio está ahora en unos US$ 130 por kilo, 20% del cual es costo de materiales y 80% es proceso de manufactura.
El método de fijación de precios es otro de los obstáculos que la naciente industria debe atender para poder producir masivamente productos comercialmente viables. En muchos casos la industria de productos químicos fija los precios basándose en los costos de manufactura y luego adosa un margen, que es lo que brinda al productor el necesario retorno sobre la inversión. Pero en el caso de los nanomateriales que se usan en ciertas aplicaciones, el valor para el cliente es potencialmente alto y el precio se fija basándose en el valor del mejoramiento en desempeño que genera el material, no sobre el costo de manufactura. Esto es lo que se llama fijación de precios por “valor en el uso”
El desafío que tiene ante sí la industria química es determinar el mecanismo para fijar el precio por valor-en-uso de una sustancia de valor tan extremadamente alto sin ahogar el crecimiento del mercado. La experiencia demuestra en muchas industrias que a medida que progresa la innovación, aumenta la escala de la producción que baja los costos. A medida que los costos bajan, más jugadores entran al mercado y se intensifica la competencia, lo que termina por bajar los precios.
Fibra de carbono
Escalar la producción es un problema técnico permanente para la industria química. La producción en baja escala generalmente implica costos altos. Un buen ejemplo es el del negocio de la fibra de carbono. La fibra de carbono que en distintos grados convencionales se usa comúnmente en aplicaciones aeroespaciales se fabrica en instalaciones con capacidades de 4.000 a 5.000 toneladas métricas al año. IHS calcula que para una instalación de este tipo ubicada en Estados unidos, el costo combinado promedio de fabricación, materia prima, servicios, costos fijos y depreciación está en el rango de US$ 20 a US$ 25 el kilo. Los precios de venta se sitúan en el rango de US$ 40 a US$ 45 el kilo.
Ahora bien, la fibra de carbono de grados de desempeño extremadamente alto que por lo general se usa en la producción de satélites y vehículos espaciales, se hace con equipos dedicados en volúmenes mucho menores, en el orden de unos pocos cientos de toneladas al año o menos. En esos casos los costos de manufactura pueden ascender a US$ 150 o US$ 155 el kilo. Los precios para esos grados pueden llegar a US$ 200 el kilo o más.
¿Ventaja o desventaja del que primero se mueve?
Se plantea aquí el dilema volumen o precio. Para reducir precios, los fabricantes deben escalar la producción. Pero el escalamiento de la producción ocurrirá solo si aumenta la demanda. Y sin embargo la demanda subirá solo cuando los precios comiencen a bajar.
Los mecanismos de financiamiento como asociaciones público-privadas entre el mundo académico y el industrial podrían señalar un camino hacia adelante para hacer la nanotecnología comercialmente viable. Un ejemplo es el consorcio formado por la Rice University, el laboratorio de investigaciones de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, Teijin, una farmoquímica japonesa, y Technion, el Instituto Tecnológico de Israel que juntos han logrado desarrollar una segunda generación de fibra de carbono obtenida hilando fibra de nanotubos de carbono disueltos en ácido sulfúrico.
Pero desarrollar el material es apenas el primer paso. Una coalición similar de expertos de muchas disciplinas será necesaria también para el paso siguiente: llevarlo a la producción industrial.
Otro desafío es el alto costo de entrada y el alto riesgo para los nuevos jugadores. A menos que la compañía pueda generar una corriente sostenible de ingresos y un sólido margen de ganancias con la venta de nanomateriales, el negocio podría no ser viable.
Un camino posible para entrar al mercado es que las compañías participen en iniciativas de Gobierno. Una opción en Estados Unidos es unirse a la National Nanotechnology Initiative (NNI), un programa del Gobierno federal establecido en 2001 para coordinar investigación y desarrollo en nanotecnología, con un compromiso con la transferencia de tecnología y comercialización.
Oportunidades de negocios
Aunque es una promesa no muy segura, la nanotecnología ofrece importantes oportunidades de negocios para compañías deseosas y en condiciones de adoptar la visión de largo plazo. Un camino es identificar una oportunidad interesante en un mercado existente donde un producto de nanotecnología pueda desplazar a una solución inferior, por ejemplo, un revestimiento para autos que se mantenga limpio, que despeje el empañado de los espejos laterales o que autorrepare rayones en la pintura de la carrocería.
Otro camino hacia la producción masiva es desarrollar una respuesta a un problema que previamente no tenía solución conocida. Por ejemplo, una cápsula que al ser tragada mantenga el control de nuestros signos vitales e informe de los resultados al médico por vía inalámbrica. O ropa que no se manche ni arrugue y que simultáneamente nos proteja del clima y los rayos ultravioletas. O vehículos de espionaje que puedan ser literalmente del tamaño de una mosca en la pared. Esos son todos productos que se están desarrollando hoy usando nanomateriales y nanotecnología. Si alguno de ellos logrará escala para el mercado masivo es algo que todavía no se sabe.
Pero la nanotecnología no se trata solo nanomateriales que están todavía por ser inventados. Muchas industrias vienen usando nanomateriales en sus productos desde hace años. Más aún, siglos. El oro, por ejemplo, un elemento que se produce en muchas formas: lingotes, barras, monedas y joyas. El dúctil metal también puede reducirse a láminas u hojas que miden 100 nanómetros de espesor –lo que califica como un nanomaterial– para uso en dorados decorativos que cubren techos o para recubrir los visores de los cascos de los astronautas para protegerse de la radiación solar.
Las nanopartículas de oro, de unos 10 nanómetros o menos de ancho, son químicamente reactivas y pueden usarse en una variedad de transformaciones químicas, muy especialmente la reducción de gases tóxicos, como el monóxido de carbono en equipos de protección de la respiración y sistemas de aire acondicionados para el automotor. Las nanopartículas de oro también se están empleando en tratamientos oncológicos, inclusive en un método experimental para combatir tumores agresivos de cerebro con nanoesferas de oro y como sensores biológicos y químicos.
Subir a la nanorrevolución
Dado el potencial que tienen tantas aplicaciones novedosas, la pregunta es cómo hacen las compañías químicas para avanzar en el desarrollo de un negocio rentable y sustentable de nanomateriales mientras mantienen en equilibrio las oportunidades y los riesgos del mercado. Una parte de la respuesta la podemos encontrar mirando 10 años para atrás.
La nanotecnología está entrando en su segunda generación de desarrollo. La primera generación, que se desarrolla a lo largo de dos décadas, ha producido cerámica pasiva, recubrimientos y polímeros. La segunda generación está produciendo productos de nanotecnología activa. La tercera y cuarta generaciones –que el IHS proyecta van a aparecer en los próximos años– producirán sistemas tridimensionales integrados con robótica, mas máquinas y dispositivos a nivel atómico y molecular.
Fibra de carbono, nanotubos de carbono, grapheno y otros nanomateriales que están apareciendo tendrán un papel importante en el desarrollo de esas segunda, tercera y cuarta generaciones de nanotecnología. Los nanotubos de una sola pared pueden usarse en semiconductores y otros componentes electrónicos, células solares fotovoltaicas y otras aplicaciones, mientras que los nanotubos de muchas paredes (los MWNT, según siglas inglesas) pueden emplearse en baterías de litio y otras formas de almacenamiento de energía. Los MWNT, recubiertos con magnetita, pueden generar campos magnéticos.
Para finales de esta década, se calcula que la nanotecnología se va a convertir en una tecnología de propósitos generales, pasando de aplicaciones de nicho a abarcar nanoestructuras pasivas y activas y nanosistemas moleculares. La industria química debe posicionarse para aprovechar esta revolución.
Hoy los ejecutivos de la industria deberían estar preguntándose “¿cómo puede la nanotecnología cambiar y mejorar nuestros productos?”
Tomemos, por ejemplo, a General Electric (GE). Durante años ha sido líder en investigación nanotecnológica, incorporando nanomateriales en dispositivos electrónicos, turbinas de avión, turbinas de gas y vapor y sistemas de diagnóstico médico. GE está participando en el New York Power Electronics Manufacturing Consortium, un plan quinquenal público-privado para desarrollar nanomateriales para semiconductores. El programa utilizará tecnología de semiconductores de carburo de silicio, con investigación y desarrollo de College of Nanoscale Science and Engineering de la State University of New York.
GE, al ser una corporación global con enormes recursos y escala, es un catalizador para el crecimiento de la industria. Pero el crecimiento de la nanotecnología necesita también empresas ágiles y emprendedoras enfocadas en desarrollar productos originales que serán una fuerza de disrupción en las industrias a que apuntan.
Finalmente podría resultar que una startup produzca la aplicación multimillonaria que lance la nanotecnología como una industria viable, como Apple, que ayudó a lanzar la computadora personal y muchos años más tarde, el smartphone. Es totalmente posible que la Apple de la nanotecnología todavía no haya nacido. Pero seguramente nacerá pronto, aseguran los expertos.
Diversidad de aplicaciones
Hay cientos de ejemplos de la nanotecnología en acción. Aquí, algunos casos extraídos de cinco industrias en la vanguardia de la nanocurva:
Industria automotriz: se usa nanotecnología para recubrimientos autorreparadores y materiales, esencialmente para impedir rayones en la carrocería. Un nanorrecubrimiento puede formar una fuerte adherencia sobre el sustrato del vehículo, que puede incluir aluminio, cromo, vidrio, pintura, plástico o acero inoxidable. Esas superficies generalmente tienen ondulaciones que ayudan la adhesión de un nanorrecubrimiento. Los selladores hechos con nanopartículas pueden proteger las superficies del vehículo de químicos ácidos y alcalinos, detergentes, solventes y agua.
Cuidado de la salud: la nanotecnología está introduciéndose en la salud y la medicina, en la investigación para descubrimiento de drogas, mejores tecnologías de imagen para los médicos y prescripciones para tratar varias enfermedades. Actualmente se la está empleando también en control del apetito, reemplazo de huesos, tratamiento oncológico, pruebas de diagnóstico y terapia hormonal.
Microelectrónica: al miniaturizar las dimensiones de los semiconductores a 22 nanómetros y menos, se vuelve más posible reemplazar el silicio con nanomateriales. Investigadores en circuitos integrados ya desarrollaron transistores con nanotubos de carbono y nanoalambres semiconductores con heteroestructura. Sin embargo, la industria de semiconductores se aproxima a la era de electrónica molecular avanzada con cierto nerviosismo, porque la fabricación de semiconductores en nanoescala podría resultar un desafío de manufactura realmente formidable.
Industria militar y aeroespacial: la nanotecnología ofrece materiales más livianos y más fuertes para aviones y naves espaciales, además de nuevas tecnologías de sensores, sistemas computarizados más pequeños y sistemas de realidad virtual con electrónica nanoestructurada para capacitación de personal militar. Contar con nanomateriales más livianos significa que hace falta menos combustible para levantar el avión del suelo y poner en órbita la nave espacial o para encarar misiones que van más allá del sistema solar.
La nanotecnología en textiles: ha dado origen al desarrollo de nanomateriales que incorporan nanopartículas y nanofibras. Cuando estos recubrimientos se aplican a las telas, las nanopartículas se pegan a las fibras del material. Esos materiales pueden matar bacterias, reducir o eliminar la humedad y el olor y anular la electricidad estática. Nanofibras polímeros aplicadas a los textiles forman un adhesivo en un extremo del polímero y crean una superficie de pequeñas estructuras como un cabello que pueden hacer a la tela resistente a la suciedad, a las manchas y al agua.
