La nanotecnología está en todas partes

Es un cambio de la ciencia en permanente evolución con promesas comerciales todavía no descubiertas. Difícil –y revolucionario– será la producción masiva de nanomateriales por la industria química a precios que los haga competitivos.

2 junio, 2016

La tecnología ya está entre nosotros mejorando productos que ya conocemos. Pero sus posibilidades todavía ni siquiera se adivinan. El salto cualitativo lo dará cuando logre escala masiva y precios competitivos.

Michelle Lynch, consultora de IHS Chemical, explica hasta qué punto puede llegar la revolución de los nanomateriales.   La nanotecnología, que alguna vez fuera un concepto teórico confinado al ámbito académico, ha pasado a ser parte de léxico de la gente del siglo 21.

Hay nanomateriales en la pantalla solar que nos ponemos para protegernos la piel, en los teléfonos móviles, en los televisores, en los autos, en los remedios y en los hospitales. Presentan enormes ventajas frente a sus equivalentes tradicionales: son más brillantes, más resistentes, más pequeños, más fuertes, más reactivos, más precisos. Súper conductores y hasta tienen la capacidad de restaurarse a sí mismos.

Que tengan precios competitivos es un requisito previo y el factor que se interpone al crecimiento explosivo en las industrias, especialmente aeroespacial y defensa, automotriz, electrónica, salud y textiles.

 

¿Qué es nanotecnología?

Nanotecnología puede definirse de diferentes maneras. La más común es pensarla como un producto hecho con materiales que contienen partículas con por lo menos una dimensión por debajo de 100 nanometros. Un nanometro es una billonésima parte de un metro; 10 átomos de helio dispuestos en fila medirían más o menos un nanometro. Un cabello humano tiene un espesor aproximado de 40.000 nanometros. 

Otra definición la presenta como un producto que contiene partículas individuales y separadas con un diámetro entre 1 y 100 nanometros. Esas partículas son luego formuladas en diferentes maneras para formar nanomateriales. Las nanopartículas pueden disolverse o suspenderse en un líquido, formar parte de la composición de un revestimiento de superficies o dispersarse dentro de una forma sólida.

Se calcula que hoy el mercado global de nanomateriales es de unos US$ 7.400 millones, o sea US$ 5.600 millones más que en 2010. Para finales de la década se calcula que llegará a US$ 12.400 millones. La mayoría delos materiales que existen en el mercado actual son óxidos inorgánicos ?como sílice, titania y circonia? con una pequeña proporción de metales preciosos como platino, paladio, oro y plata, ademàs de nanotecnología con base de carbono como nanotubos y nanofibras de carbono. 

También hay un creciente mercado para la nanotecnología orgánica, que no está incluida en el pronóstico del HIS. Estas partículas incluyen nanomoléculas de grasa (lípidos), humectantes y polímeros. Pueden usarse solas o como parte de un sistema híbrido con nanomateriales inorgánicos.  Las nanopartículas abundan en la naturaleza ?un virus es, en realidad, una nanopartícula? y forman parte de productos comerciales desde el último siglo, por ejemplo, en coloides, en compuestos y en catalizadores. Sin embargo, las nanodimensiones de las partículas en esos productos no siempre formaban parte de un diseño deliberado y no eran vistas como el rasgo que define a la nanotecnología.

En muchos casos no habría sido posible medirlas. El uso de los términos “nanotecnología” y “nanomateriales” comenzó alrededor de 1985 con el descubrimiento del buckminsterfullereno, también conocido como bola bucky o C60, que mereció el Premio Nobel 1996 en Química y que fue compartido por Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley. 

Al descubrimiento del C60 le siguió en 1991 el desarrollo de los nanotubos de carbono,que ya se están utilizando en una serie de industrias.  Los tubos se han usado para hacer bicicletas y barcos. Están en las puntas de los microscopios atómicos y brindan el andamiaje para fomentar el crecimiento de los huesos. También se usan en materiales compuestos, pegados con epoxy para hacer bates de baseball, palos de hockey para hielo, pinturas marinas, tablas de surf y turbinas eólicas. 

Una gran variedad de productos para el consumo, como artefactos para el hogar, computadoras, cosméticos, alimentos, equipaje y juguetes han incorporado nanomateriales en los últimos años. Estados Unidos ha sido la fuerza impulsora del uso de nanomateriales en productos de uso común, seguido del Sudeste asiático y Europa.

 

Desafíos del mercado

Todavía los consumidores no captan totalmente el valor de la nanotecnología. Cuestionan sus beneficios y se preocupan por los posibles efectos en la salud y en el ambiente ?especialmente cuando los productos se usan sobre la piel, como los cosméticos y las pantallas solares. Esto lleva a la introducción de lineamientos voluntarios de etiquetado, que podrían volverse obligatorios en el futuro si la industria es objeto de más regulación. 

Por cierto, la regulación que gobierna la producción y venta de productos que contienen nanopartículas es inminente. En Europa, por ejemplo, las empresas están obligadas  a registrar grandes volúmenes de productos nanotecnológicos por la ley REACH (siglas inglesas para Registro, Evaluación, autorización y Restricción de Químicos ) de la Unión Europea.

En agosto de 2014, la Unión Europea concluyó un periodo de consultas públicas sobre medidas de transparencia sobre los nanomateriales que están actualmente en el mercado. Es muy probable que otros países sigan el ejemplo de la UE en regulación de nanomateriales. Hay otros desafíos que acechan los nanomateriales. El principal es el costo. La indusria química ha logrado reducir a US$ 130 por kilo el costo de producción de la fibra liviana de carbono, pero la meta es llegar a US$ 40 por kilo. 

El precio es otro inconveniente que debe superar la naciente industria para poder hacer masivvamente productos comericalmente viables. En muchos casos en la industria química, el precio se fija sobre la base del costo de fabricación más un margen, que brinda al productor un razonable retorno sobre la inversión.

Pero en el caso de nanomateriales usados en ciertas aplicaciones, el valor para el cliente es muy alto y el precio se fija sobre la base del valor del desempeño del material y no del costo de manufactura. Esto se llama precio por “valor en uso”. El desafío para la industria química es determinar el mecanismo para fijar el precio por valor en uso a una sustancia de valor extremadamente alto sin impedir el crecimiento del mercado.

 

¿Ventaja o desventaja del primero en actuar?

Para reducir el precio de la fibra de carbono, por ejemplo, los fabricantes deben escalar la producción. Pero eso solo puede ocurrir si la demanda aumenta Pero la demanda solo va a aumentar cuando bajen los precios. Mecanismos de financiación como asociaciones público-privadas entre universidades e industrias podrían marcar un camino para hacer comercialmente viable. 

Pero desarrollar el material es apenas el primer paso. Tendrá que haber una coalición de expertos en muchas disciplinas para asumir el paso siguiente de escalar la producción a nivel industrial mientras simultáneamente optimizan el proceso y reducen el costo. Otro desafío es el alto costo de entrada y el alto riesgo para los nuevos entrantes.

A menos que la compañía pueda generar una corriente sustentable de ingresos y un sano margen de ganancias con la venta de los nanomateriales , el negocio puede no ser viable. Está el caso de Bayer Material Science (BMS), que abrió una planta piloto para hacer nanotubos de carbono en 2010 a un costo de alrededor de US$ 30 millones. En 2015 la compañía anunció que se retiraba de la producción de nanotubos y grafeno. Este año, BMS vendió sus patentes junto con la propiedad intelectual a FutureCarbon, una compañía alemana que se dedica a desarrollar y fabricar nanomateriales de carbono. 

Un buen camino para que las empresas entren al mercado es que participen en en iniciativas pre-competitivas del gobierno. Una opción en Estados Unidos es entrar a la National Nanotechnology Initiative (NNI), un programa que el gobierno instaló en 2001 para coordinar Investigación y Desarrollo en nanotecnología, que se compromete a trasferir tecnología y a comercializar. En su plan estratégico 2014, la NNI identificó cinco iniciativas: nanotecnología para recolección y conversión de energía solar; nanomanufactura sustentable; nanoelectrónica a partir de 2020; desarrollo de una infraestructura de conocimiento en nanotecnología y uso de materiales en nanoescala en sensores para mejorar y proteger la salud, la seguridad y el ambiente. 

La nanotecnología ofrece importantes oportunidades comerciales para empresas que miran el largo plazo. Un camino posible es identificar una oportunidad en un mercado existente donde un producto nanotecnológico puede desplazar una solución inferior existente. Por ejemplo, un revestimiento para autos que lo mantiene limpio, elimina el empañado de los espejos laterales y auto repara rayones en la pintura. Esto último ya existe, son revestimientos con nanoreservorios.

Cuando se produce un rayón, sea por medios mecánicos o químicos, tiene nanocápsulas que se abren y reaccionan rellenando el rayón. Este método fue ampliado y mejorado con el desarrollo de sistemas que combinan componentes activos junto a la matriz pasiva.

Que reciben la “señal” de realizar la reparación mediante variaciones ambientales como un cambio en el pH causado por una sustancia corrosiva. Un sistema muy sofisticado fue desarrollado por el Max Planck Institute de Alemania, líder en investigación y desarrollo en este campo, en el cual la polianilina y nanopolímeros son incorporados a un revestimiento para una superficie metálica. Los nanopolímeros reaccionan al ambiente externo corrosivo abriéndose para liberar químicos reparadores y luego cerrándose nuevamente cuando el ambiente corrosivo ya no está presente. Así se aumenta la eficiencia y longevidad de la tecnología autoreparadora.  Otro camino hacia la producción en masa es encontrar una respuesta para un problema que no tiene solución conocida hasta ahora.

Por ejemplo, una píldora que cuando se traga controlará los signos vitales y los transmitirá al médico particular. O ropa que no se manche ni arrugue y nos proteja del clima y de los rayos ultravioletas. O un vehículo espía en nanoescala que tenga el tamaño de una mosca en la pared. Todos estos son productos que ya se están desarrollando usando nanomateriales y nanotecnología. Falta saber si alguno de ellos llegará a tener escala de mercado masivo.  Está claro que la nanotecnología no trata con materiales que todavía no se han inventado.

Muchas industrias vienen usándolos en sus productos desde hace años. Tomemos el oro, por ejemplo, un elemento muy codiciado que se produce en muchas formas: lingotes, monedas y joyas. Este dúctil metal también puede reducirse a láminas de 100 nanometros de espesor, con lo cual se convierte en un nanomaterial para uso en dorados decorativos para revestir techos o para recurrir los visores de los cascos de los astronautas y protegerlos de la radiación solar.

Las nanopartículas, de unos 10 nanometros o menos de espesor, son químicamente reactivas y pueden usarse en una variedad de transformaciones químicas, especialmente para reducir gases tóxicos como el monóxido de carbono en equipos protectores de la respiración y en sistemas de aire acondicionados de los autos. Las nanopartículas de oro se están empleando en tratamientos de cáncer. Por ejemplo, hay un método experimental para combatir los agresivos tumores cerebrales con nanoesferas de oro y como sensores biológicos y químicos.

 

El mapa de ruta de la nanotecnología

Dado el potencial que tiene para tantas aplicaciones, la pregunta es cómo avanzan las empresas químicas para desarrollar un negocio sustentable y rentable mientras al mismo tiempo equilibran las oportunidades y los riesgos. Para empezar a encontrar la respuesta conviene mirar 10 años hacia atrás. La nanotecnología está entrando ahora en su segunda generación de desarrollo. 

La primera generación, que abarca dos décadas ha producido cerámica, recubrimientos y polímeros pasivos, transistores tridimensionales, activadores, amplificadores y drogas. La tercera y cuarta generaciones de nanotecnología , que pueden aparecer en los próximos años, producirán sistemas integrados tridimensioneales y robótica, además de máquinas y dispositivos a nivel molecular y atómico.  La fibra de carbono, los nanotubos de carbono, el grafeno y otros materiales que están naciendo tendrán un papel de liderazgo en el desarrollo de nanotecnología de segunda, tercera y cuarta generación. Los nanotubos de una sola pared se pueden usar en semiconductores y otros componentes electrónicos, células solares fotovoltaicas y otras aplicaciones, mientras que los nanotubos de paredes múltiples se pueden emplear en baterías de litio-ion y otras formas de almacenamiento de energía. 

Magna Exteriors, una subsidiaria de la proveedora global automotriz Magna International, se interesó al comenzar este siglo en la fibra de carbono como material para paneles en la carrocería de los automóviles, pero dejó de lado la idea cuando advirtió que la gente no estaba interesada, en parte por el alto precio y en parte por el lento procesamiento. Pero después que su departamento de I&D revivió en 2009 la fibra de carbono, anunció que proveerá paneles de fibra de carbono para dos modelos que saldrán en 2016. 

Además de paneles para la carrocería de autos eficientes, la fibra de carbono puede ser empleada en muchas otras industrias, desde energía alternativa hasta construcción e infraestructura para exploración de petróleo.

El grafeno, que se usa para hacer nanotubos de carbono mediante deposición de vapor químico, es presentado como “el material maravilla” con infinidad de usos posibles. El grafeno es carbono puro dispuesto como el entramado de un panal de un átomo de espesor. Es liviano y sin embargo, cien veces más fuerte que el acero y muy eficiente en conducciòn de electricidad y calor. Si bien todavía no se lo ha podido utilizar en semiconductores, ya se lo usa para pintura fotovoltaica y para cargar con energía solar teléfonos y tabletas. 

Un filtro de grafeno podría funcionar en plantas de desalinización para generar agua dulce. El material de carbono podría aplicarse también a ventanas para reducir la cantidad de luz solar que entra al ambiente reduciendo así la necesidad de aire acondicionado y ahorrar en energía. El grafeno se puede mezclar con materiales plásticos, como epoxy, para uso en aviones, reduciendo su uso de combustible y brindando mayor protección contra los golpes de los rayos. También en miembros biónicos para devolver la movilidad a los discapacitados

 

La revolución de la nanotecnología

Para finales de esta década, la nanotecnología tendrá uso generalizado y pasará de las aplicaciones de nicho a abarcar nanoestructuras pasivas, nanoestructuras activas, nanosistemas y nanosistemas moleculares. La industria química necesita posicionarse para aprovechar esta revolución. 

La prueba crucial está en el fenomenal crecimiento de aplicaciones para la fibra de carbono, los nanotubos de carbono, el grafeno y otros nanomateriales anticipados para los próximos años. Todos estos materiales pueden mejorar los productos que conocemos. General Electric, líder en introducción de nanotecnología desde hace años, los usa en dispositivos electrónicos, en turbinas para aviones, en turbinas de gas y de vapor y en sistemas de diagnóstico médico. GE está participando en el New York Power Electronics Manufacturing Consortium, una iniciativa público-privada, a cinco años que maneja un capital de US$ 500 millones para desarrollar nanomateriales para semiconductores.

El programa tecnología de semiconductores de carburo de silicio, con I&D del State University of New York?s College of Nanoscale Science and Engineering. GE es una corporación global con amplios recursos y escala. Es un catalizador para el crecimiento de la industria. Pero el crecimiento de la nanotecnología también necesita de pequeñas y ágiles empresas de emprendedores focalizadas en desarrollar productos totalmente novedosos que se convertirán en una fuerza disruptiva en los negocios a que apunten. En última instancia, puede ser una startup la que produzca grandes volúmenes de una aplicación multimillonaria que dispare la nanotecnología como una industria viable, algo así como Apple ayudó a lanzar la computadora personal y décadas más tarde el smartphone. Es totalmente posible que la Apple de la nanotecnología todavía no haya nacido. Pero que nadie se equivoque, pronto aparecerá.

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