142 nanociencia nanotecnologia y defensa

Monografas 142Nanociencia, nanotecnologa

y defensa

Escuelade AltosEstudiosde laDefensa

MINISTERIO DE DEFENSA

Monografas 142

Nanociencia, nanotecnologa y defensa

Escuelade AltosEstudiosde laDefensa

MINISTERIO DE DEFENSA

CATLOGO GENERAL DE PUBLICACIONES OFICIALEShttp://publicacionesoficiales.boe.es/

Edita:

SECRETARAGENERALTCNICA

Autor y editor, 2014

NIPO: 083-14-241-X (edicin papel)ISBN: 978-84-9091-009-2 (edicin papel)

Depsito Legal: M-31597-2014Fecha de edicin: diciembre 2014Imprime: Imprenta Ministerio de Defensa

NIPO: 083-14-242-5 (edicin libro-e)ISBN: 978-84-9091-010-8 (edicin libro-e)

http://publicaciones.defensa.gob.es/

Las opiniones emitidas en esta publicacin son exclusiva responsabilidad del autor de la misma.Los derechos de explotacin de esta obra estn amparados por la Ley de Propiedad Intelectual. Ninguna de las partes de la misma puede ser reproducida, almacenada ni transmitida en ninguna forma ni por medio alguno, electrnico, mecnico o de grabacin, incluido fotocopias, o por cualquier otra forma, sin permiso previo, expreso y por escrito de los titulares del Copyright.

En esta edicin se ha utilizado papel 100% reciclado libre de cloro.

5NDICE

IntroduccinJess Ildefonso Daz Daz

A modo de prlogo .................................................................................................... 9

Sobre la gestacin de esta monografa ................................................................. 15

Una anticipacin de lo que se ofrece: resumen de los diferentes captulos .. 17Sobre el captulo I .............................................................................................. 17Sobre el captulo II ............................................................................................. 26Sobre el captulo III ............................................................................................ 35Sobre el captulo IV ............................................................................................ 43

Captulo primero

De Maxwell al mundo de la Nanociencia .............................................................. 51Antonio Hernando

Introduccin ................................................................................................................ 51La escala nanomtrica ...................................................................................... 52Cmo nace la NC ................................................................................................ 53

La energa necesaria para la vida y la informacin almacenada en el ADN. Dos ejemplos naturales de nanotecnologa .................................................. 55Influencia de la NC y la NT en la evolucin y la aparicin de la vida ....... 55Un nanomotor diseado y construido por la evolucin para suministrar

la energa requerida para la vida ............................................................ 57La informacin: reguladora de la evolucin. El ncleo de la clula y el

ADN como nano-cdigos ........................................................................... 59

El electromagnetismo como primer fundamento de la NC y la NT .................. 64Las interacciones fundamentales conocidas a da de hoy ......................... 64Las ecuaciones de Maxwell y el paradigma del mtodo cientfico........... 65

Las etapas del mtodo cientfico ........................................................ 65La obra de Maxwell como sntesis de los experimentos de electri-

cidad y magnetismo ...................................................................... 66

Pgina

6Pgina

La tecnologa como base y consecuencia de las ecuaciones de Maxwell. La transmisin de la energa y de la informacin define un mundo econmico electromagntico ............................................................... 70Los campos magnticos producidos por la actividad de la corteza

cerebral .......................................................................................... 72Consideraciones finales ...................................................................... 76

La mecnica cuntica como fundamento de la NC ............................................. 76Los tomos .......................................................................................................... 76La contribucin del Instituto Rockefeller de Madrid ................................... 80Las reglas de cuantificacin ............................................................................ 81La cuantificacin de estados y la NC .............................................................. 84La temperatura y la NC ..................................................................................... 86

La funcin de onda y la ecuacin de de Broglie y su evolucin con los campos magnticos. Partculas y Ondas .............................. 89

Las propiedades elctricas y magnticas de nanocristales y nanopartculas . 92Las longitudes caractersticas: anisotropa magntica, longitud de co-

rrelacin de canje. Superparamagnetismo y memoria magntica .. 92Las longitudes caractersticas y la conduccin elctrica: recorrido libre

medio, penetracin tnel. Efecto tnel y NC .......................................... 101El papel relevante de las propiedades de la superficie en la fsica de las

nanopartculas. Emergencia de magnetismo en nanopartculas de materiales que no son magnticos en la escala ordinaria................. 105

Un ejemplo de NC en futuras terapias: hipertermia ................................... 111

Bibliografa .................................................................................................................. 115

Capitulo segundo

Nanotecnologa en evolucin .................................................................................. 117Fernando Briones

Introduccin ................................................................................................................ 117De la microelectrnica a la nanoelectrnica ................................................ 120

Ciencia y tecnologa en la escala nano .................................................................. 122Nano-bio-ciencias .............................................................................................. 137La informacin cuntica y las protenas ....................................................... 139Nanomquinas .................................................................................................... 143La investigacin espaola en nanotecnologa .............................................. 150

Bibliografa .................................................................................................................. 152

Captulo tercero

Desarrollo de nanotecnologas capacitadoras para seguridad y defensa ... 155Julio Plaza del Olmo

Introduccin ................................................................................................................ 155

El desarrollo de tecnologa ...................................................................................... 156

Optoelectrnica y estructuras de baja dimensionalidad ................................... 160

Tecnologa fotnica. La tecnologa habilitadora transversal ............................ 165Los cristales fotnicos ...................................................................................... 166La plasmnica y la transmisin extraordinaria ........................................... 170

Fotnica y optoelectrnica para sensores de agentes qumicos y biolgicos 172Fotnica para telecomunicaciones ................................................................. 176

Terahercios, en tierra de nadie ............................................................................... 179

Materiales de gap ancho: nitruro de galio ............................................................ 180

Carbono: del nanotubo al grafeno .......................................................................... 182

7Pgina

Los metamateriales. O cuando la luz se curva al revs .................................... 184Metamateriales para radiofrecuencia ............................................................ 186Metamateriales pticos .................................................................................... 189ptica de transformacin ................................................................................. 190Metamateriales acsticos ................................................................................ 193

Energa en el mundo nano ....................................................................................... 194Clulas solares ................................................................................................... 194Clulas de combustible y bateras .................................................................. 195

Comunicaciones seguras y la criptografa cuntica ........................................... 195La paradoja EPR y la desigualdad de Bell ..................................................... 198Comunicacin cuntica ..................................................................................... 199

Conclusiones .............................................................................................................. 201

Bibliografa .................................................................................................................. 202

Captulo cuarto

Aplicaciones de la nanotecnologa en Sistemas Militares ............................... 205Jess C. Gmez Pardo

Introduccin ................................................................................................................ 205

El entorno de la batalla del futuro .......................................................................... 208

La estrategia de tecnologa e innovacin de la defensa. Lneas de actuacin funcional .............................................................................................................. 209

Armamento ................................................................................................................. 211Municin ............................................................................................................... 212Municiones complejas ....................................................................................... 212

Materiales no energticos ................................................................... 213Materiales energticos ........................................................................ 213Logstica de municiones ...................................................................... 215

Municiones complejas ....................................................................................... 215Espoletas, sensores y dispositivos de activacin ........................................ 218Seuelos pirotcnicos ....................................................................................... 219Sistemas de Armas ........................................................................................... 220Medios no letales ............................................................................................... 221Tecnologas de aplicacin general .................................................................. 221

Sistemas de Inteligencia, Vigilancia, Adquisicin de Objetivos y Reconoci-miento (ISTAR) .................................................................................................... 222Adquisicin de datos. Sensores ...................................................................... 222

Sensores radar ..................................................................................... 223Sensores mecnicos ............................................................................ 225Sensores electromagnticos .............................................................. 225Sensores qumicos y biolgicos (QB) ................................................. 225Otros sensores ..................................................................................... 227

Proceso de explotacin de datos, anlisis de la informacin y produc-cin de inteligencia .................................................................................... 227

Distribucin de informacin e inteligencia ................................................... 227Direccin del ciclo de inteligencia .................................................................. 228Arquitectura ISTAR............................................................................................. 228

Plataformas ................................................................................................................ 229Comunes-plataformas ...................................................................................... 229Materiales ............................................................................................................ 229

Carburo de boro nanocristalino .......................................................... 231Superhilos de nanocompuestos ......................................................... 231Fulerenos inorgnicos ......................................................................... 232Acero transparente .............................................................................. 232

8Pgina

Nanoblindaje lquido ............................................................................ 232Energa ................................................................................................................. 232Plataformas terrestres ..................................................................................... 234Plataformas navales ......................................................................................... 237Plataformas areas ........................................................................................... 239Plataformas espaciales .................................................................................... 243

Proteccin personal .................................................................................................. 245Lucha contra IED ................................................................................................ 247Proteccin NBQ ................................................................................................... 248Tecnologas del combatiente ........................................................................... 250

Subsistemas Ss1 armamento y Ss3 eficacia de fuego. ........... 252Subsistema Ss2 Fuente de alimentacin ...................................... 253Subsistema Ss4 Informacin y comunicacin .............................. 258Subsistema Ss5 Supervivencia ...................................................... 263Subsistemas Ss6 Sostenimiento y Ss7 Preparacin ............... 266

Proteccin de plataformas e instalaciones .......................................................... 269Sistemas ESM y ECM de guerra electrnica ................................................. 269Armas de energa dirigida ................................................................................ 271Sistemas de autoproteccin ............................................................................ 272Simulacin y adiestramiento sobre sistemas de guerra electrnica ...... 274Sistemas de proteccin de instalaciones y despliegues ............................ 274

Tecnologas de la Informacin, Comunicaciones y Simulacin (TIC) ............... 275Sistemas de Informacin para mando y control (C2) .................................. 276Comunicaciones ................................................................................................. 279NEC ....................................................................................................................... 281Seguridad CIS ..................................................................................................... 281Simulacin ........................................................................................................... 282CD&E ..................................................................................................................... 282

Conclusiones .............................................................................................................. 282

Bibliografa .................................................................................................................. 285

Abreviaturas y acrnimos ....................................................................................... 287

Composicin del grupo de trabajo ......................................................................... 291

Relacin de Monografas del CESEDEN ............................................................... 293

9IntroduccinJess Ildefonso Daz DazReal Academia de Ciencias Exactas, Fsicas y Naturales

A modo de prlogo

El progreso de la sociedad humana, en todas sus acepciones, ha estado siempre jalonado por los avances cientficos y tecnolgicos. El ritmo con el que esos avances han venido irrumpiendo en la sociedad, marcando nuevas etapas de progreso, cambiando los usos y costumbres de los ha-bitantes de cada poca, ha ido aumentando cada vez ms. De un enorme espaciamiento entre ellos, de la escala de siglos (como fue el caso del descubrimiento y control del fuego, la talla de piedras, la agricultura, la construccin, la cermica, la metalurgia, los tejidos, etc.) hemos pasado a cambios que se producen a escalas cada vez ms cortas: apenas se han asimilado los cambios de una nueva tecnologa cuando irrumpe otra nueva an ms impactante que la mejora. Es lo que a veces se denomina secuencia de tecnologas disruptivas.

El objetivo principal de esta monografa es ilustrar el enorme impacto que la nanotecnologa (NT) y la nanociencia (NC) estn teniendo ya, y tendrn en los prximos aos, en la sociedad y muy en especial en la defensa.

Esta idea de que los avances cientfico-tcnicos modulan el progreso de la sociedad no es en absoluto reciente. Tal enfoque fue el objeto de una de las obras cumbres de un gran pensador, de uno de los economistas ms influyentes del siglo xx, Joseph Alois Schumpeter (1883-1950), a quien bien podramos calificar como ciudadano del mundo: nacido en

Jess Ildefonso Daz Daz

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Moravia (actualmente Repblica Checa), fue profesor de Economa duran-te varios aos en las universidades de Viena, Czernowitz (actual Cher-novtsi, Ucrania), Graz y Bonn, llegando a sus 36 aos a ser nombrado Ministro de Economa de Austria. En 1932 se instal en Estados Unidos, como profesor de la Universidad de Harvard donde permaneci hasta su fallecimiento.

Schumpeter sistematiz su teora de la repercusin econmica (y social) de los ciclos de innovacin en su libro Business Cycles: A theoretical, historical and statistical analysis of the Capitalist process de 19391. Desde la cristalizacin del mtodo cientfico, que podramos situar en el Rena-cimiento, el anterior sueo de la razn, en la terminologa de Goya, involucrando explicaciones del mundo basadas en mitos, religin o azar, fue sustituido por argumentos fundados en principios bsicos elabora-dos mediante el uso simultneo de la lgica y de la refutacin mediante experimentos universales capaces de ser repetidos independientemente del lugar, de la poca y de cualquier otra circunstancia subjetiva.

No cabe duda de que la mquina de vapor (la revolucin industrial) sig-nific una aceleracin del progreso y del conocimiento. Tras ella apare-cieron nuevas oleadas de tecnologa relacionadas con el petrleo, la au-tomocin, la industria qumica, la aeronutica y la exploracin espacial, por citar tan solo unas pocas hasta los aos setenta del siglo pasado. Podemos apreciar fcilmente que esos impulsos, esas aceleraciones ori-ginadas por las innovaciones cientfico-tcnicas, se producen cada vez tras periodos de vigencia ms cortos. Han ido dando lugar a un caldo de cultivo que, segn Schumpeter, fueron aprovechados por emprendedores que los convirtieron en nuevos bienes de consumo y servicios.

En la actualidad nos encontramos entre dos de esas inmensas olas tec-nolgicas: la de la informtica (y telecomunicaciones) y la ms recien-te de la nanotecnologa (y nanociencia). Antes de profundizar ms en el tema quizs sea el momento de aclarar la razn de la bicefalia de este nuevo impulso cientfico-tcnico.

Si se hiciese hoy da una encuesta en la calle es claro que habra bastante ms gente2 que tendra al menos algn conocimiento, por muy superficial e indirecto que fuese, sobre lo que el trmino nanotecnologa encierra, en contraste al nmero reducido de los que pudiese decir algo coherente so-bre lo que se conoce bajo el trmino de nanociencia. Y es que nos encon-tramos ante uno de los mejores ejemplos en los que los aspectos tecno-lgicos han precedido, incluso en popularidad, a los aspectos cientficos y es que en realidad la relacin entre ciencia y tecnologa es recproca.

1 http://www.espiritodafenix.com/index_arquivos/Arquivo/50_Schumpeter_Ciclos_de_Negocios/schumpeter_business_cycles.pdf.2 Un 10% de la poblacin europea (un 4% en el caso de Espaa) segn sondeos de la Comisin Europea.

Introduccin

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Se suele aludir con frecuencia que el avance de conocimiento cientfico genera nueva tecnologa pero, aunque no es tan habitual escuchar, hay numerosas pruebas de que el desarrollo de tecnologa innovadora induce tambin el progreso del conocimiento cientfico ms bsico.

Comencemos por aclarar los trminos. Lo nanomtrico es caracterstico de una escala comprendida entre la del tomo y la de la clula o, preci-sando con ejemplos, entre la escala de agregados de unos pocos tomos y la de las macromolculas de protenas citoplasmticas. Podramos de-cir que es nanomtrico un trozo de materia que en alguna de sus dimen-siones tienen menos de 100 tomos. Actualmente se admite como per-teneciente al nanomundo cualquier sistema que tenga, en al menos una dimensin, un espesor inferior a 100 nm. Respecto de las unidades de longitud, recordemos que una micra es la milsima parte de un milmetro o, lo que es lo mismo, la millonsima parte de un metro y que una micra es el tamao de una bacteria pequea o el tamao del ncleo de una clula animal. Pues bien, el nanmetro es la milsima parte de la micra, lo que equivale a la milmillonsima parte del metro. En general podemos considerar que el orden de magnitud de los tomos que entraran en un nanmetro lineal sera de decenas de tomos.

Esta monografa versar pues sobre el mundo de lo invisible a simple vista. No es nada extrao que el ser humano haya canalizado su curiosi-dad y sus esfuerzos cientficos, en primer lugar, hacia lo que convive con l a travs de sus sentidos o incluso lo intuye por su contemplacin ms o menos inmediata. As, por ejemplo, el hombre ha construido telesco-pios que nos han mostrado cmo son las estrellas, galaxias, y nebulosas. Sabemos hoy da que las distancias y tamaos en el universo son tan grandes que superan nuestra capacidad de comprenderlos. En el extre-mo opuesto de la escala de la longitud el hombre tambin ha construido hace mucho tiempo microscopios que alimentaron su curiosidad por el mundo fascinante de lo diminuto: clulas, bacterias, virus, e incluso to-mos. Se entiende pues que al hombre de la calle le cueste imaginar y comprender la naturaleza de los objetos diminutos. Sin embargo, como muestran la nanotecnologia y la nanociencia, ese mundo invisible es tan infinito y fascinante como el universo.

A escala nanomtrica, aparecen grandes sorpresas ya que las propieda-des fsicas y qumicas de los llamados nanomateriales cambian y pueden ser muy diferentes a los que observamos en nuestro mundo macroscpi-co. En este nanomundo, algo slido se puede volver lquido, un material aislante se puede convertir en conductor, algo inerte en un catalizador, etc.

Las nanopartculas estn ah desde el inicio de los tiempos: en partcu-las de humo, dentro de las bacterias, en los colorantes inorgnicos de antiqusimas porcelanas y vidrieras. Hoy da la nanociencia y la nano-tecnologa estudian cmo fabricar y controlar las estructuras de dichas nanopartculas. Esto nos permite crear materiales con las propiedades


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deseadas que son de utilidad en electrnica, ptica, biomateriales, medi-cina, tecnologa de la comunicacin, materiales nanoestructurados para la exploracin espacial, nanofibras para nuevos productos textiles y has-ta en la produccin de energa. Sabemos fabricar ya al nivel ms eficiente posible, podemos verlo, simularlo, entenderlo y demostrarlo. Es una nue-va revolucin cientfica y tecnolgica. Estamos en un punto en el cual la ciencia ficcin comienza a confundirse con la realidad.

La nanotecnologa, basada en la nanociencia, puede ser entendida como un nuevo tipo de ingeniera aplicable en la escala nano. Se trata del de-sarrollo de tcnicas experimentales que permitan la observacin, la me-dida, la manipulacin y la fabricacin de estructuras, objetos, dispositi-vos y sistemas nanomtricos. Esta idea fue expresada pblicamente por primera vez, ya en 1959, por el genial Premio Nobel de Fsica, Richard Feynman en su celebre conferencia There is plenty of room at the botom, coloquialmente Al fondo hay sitio. Hoy da tenemos ya una capacidad cientfica e industrial insospechada al final del siglo pasado. En los lti-mos aos han surgido gran nmero de patentes y publicaciones cient-ficas asociadas al mundo nanomtrico. La comunidad cientfica ha am-pliado sus conocimientos sobre los materiales gracias a herramientas poderosas como los microscopios electrnicos y atmicos (que permiten a los investigadores observar los materiales, estudiar su estructura, su dinmica y sus propiedades) y superordenadores (que permiten realizar experimentos de forma virtual, fiable y, sobre todo, mucho ms barata que en un laboratorio). En el lmite de los tomos podemos sacar el mxi-mo provecho posible del mnimo de material. El impacto social y econ-mico de esta nueva revolucin ya est siendo enorme y sin duda lo ser en un futuro muy inminente. Existen miles de compaas diseminadas por todo el mundo trabajando en este campo as como multitud de es-pecialistas en estas reas en universidades e institutos de investigacin.

Volvamos a la tarea de precisar los trminos. Como en muchas otras ocasiones, definiciones precisas son muy difciles de ser ofrecidas pues la nanotecnologa y la nanociencia no nacieron como disciplinas separa-das de sus tecnologas ni ciencias predecesoras. Fueron, y siguen sien-do, construidas a medida que aparecieron (y lo siguen haciendo an con mayor frecuencia) nuevos e insospechados descubrimientos. De manera general, podramos decir que la nanotecnologa se ocupa de la fabrica-cin de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales a travs del control y ensamblado de la materia a la escala del nanmetro (de 0.1 a 100 nanmetros, del tomo hasta por debajo de la clula), as como la aplicacin de nuevos conceptos y propiedades (fsicas, qumicas, biolgicas, mecnicas, elctricas) que surgen como consecuencia de la consideracin de esa diminuta escala.

La nanociencia, por el contrario, no pretende fabricar nada: tan slo es el conjunto de conocimientos cientficos necesarios para mover, mani-

Introduccin

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pular y construir objetos de estos tamaos (es decir para la nanotec-nologa). Es claro que las ciencias ms tradicionales, como la fsica o la qumica, compartieron ya casi desde sus inicios esos cometidos pero el diferente punto de vista que se subraya con la terminologa de nano-ciencia reside en la forma en la que se manejan los objetos: mientras la qumica ha trabajado tradicionalmente desde un punto de vista ma-croscpico y global (por ejemplo, siguiendo las reacciones que ocurren en un tubo de ensayo mediante cambios en el color, temperatura o pH), la nanociencia sigue estos procesos a una escala atmica o molecular, pero de manera individual: entendiendo, manipulando y actuando sobre una molcula en particular, un tomo, una nanopartcula, o una prote-na, por citar tan solo alguno de estos objetos. La nanociencia trata de entender y modelizar las propiedades de los nanoobjetos en los que las propiedades globales dependen acusadamente de su tamao, de su superficie y de su forma. Acoge investigaciones multidisciplinares que requieren aportaciones de la fsica, la qumica, la biologa, las matem-ticas, la informtica y, por supuesto, de especialistas particularmente dispuestos a interaccionar y conocer los mtodos y los lenguajes de las dems disciplinas.3

Los avances en nanotecnologa se pueden realizar bajo dos filosofas diferentes. Una primera responde a un enfoque top-down o de mi-niaturizacin, en el que a partir de microestructuras convencionales se desciende hasta conseguir nanoestructuras, lo que es ms caractersti-co de la tecnologa actual. Una segunda filosofa corresponde al enfoque bottom-up y permitir la aparicin de la ingeniera de los nanosistemas y de la nanoelectrnica cuando se dominen tecnologas sobre el control de procesos auto-organizativos y de crecimiento para el ensamblaje de subsistemas a nanoescala.

A lo largo de esta monografa ilustraremos como la nanotecnologa est impulsando el cambio en los mtodos de fabricacin en las industrias y en nuestras actividades cotidianas. Su presencia en el mbito de defensa (las Fuerzas Armadas, los Cuerpos de Seguridad del Estado, y la industria que comercializa y desarrolla los sistemas que finalmente entran en ser-vicio) es ya un hecho consumado del que se poseen numerosos ejemplos prcticos. La sociedad ya est recibiendo este nuevo impulso siguiendo el vertiginoso ritmo de cambios que comenz en el ltimo tercio del siglo

3 Este enfoque interdisciplinar moviliza a numerosos cientficos de los ms diversos campos. Permtaseme mencionar en concreto, en el mbito matemtico, a los miem-bros del Instituto de Matemtica Interdisciplinar (IMI) de la Universidad Complutense de Madrid, instituto del que tuve el honor de ser su fundador y primer director en el ao 2005, cargo que sigo desempeando en la actualidad. Esta vocacin se extiende a numerosos colegas de otros institutos matemticos de investigacin y as en octubre de 2014 se celebr en Zaragoza el congreso Nanomat 2014 que reuni a destacados especialistas en el tema.


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pasado y que sin duda va a originar nuevos cambios trascendentes a lo largo de este siglo xxi.

Sealemos que el desarrollo de la tecnologa en el mbito de defensa tiene como objetivo obtener una superioridad respecto del adversario que puede darse en mbitos tradicionales como pueda ser la potencia de fuego, pero tambin en reas cada vez ms importantes como la ob-tencin de informacin, comunicaciones, furtividad, mitigacin de daos, etc. Se ha pasado en poco tiempo, de conflictos en los que dos ejrcitos en igualdad de condiciones se enfrentan de forma abierta, a una gue-rra asimtrica donde unas guerrillas operan de forma encubierta en en-tornos urbanos, mezclados entre la poblacin civil, atacando de forma irregular, inesperada e indiscriminada. Frente a ellos, las fuerzas de paz que se despliegan en entornos internacionales como Afganistn, Lbano, ocano ndico, o los Cuerpos de Seguridad del Estado que deben ha-cer frente a ataques en suelo propio, requieren tecnologas capaces de prevenir, detener, mitigar y combatir este nuevo tipo de amenazas, pero que difcilmente son posibles de combatir con las tcticas y estrategias tpicas de un conflicto abierto contra un enemigo claramente identificado y localizado.

La nanotecnologia, con su enorme potencial de desarrollo, va a ser funda-mental en el sector de la defensa y la seguridad. Sealemos que cuando nos referimos al impacto de la nanotecnologa y de sus aplicaciones nos referimos muchas veces al desarrollo de los componentes que habilitan una serie de aplicaciones, que facilitan la resolucin de ciertos proble-mas, pero que por s solos no forman un sistema fcilmente distinguible de manera aislada.

Una reflexin que nos parece capital para enmarcar la relevancia del tema de esta monografa radica en la dualidad civil-militar que carac-teriza a la industria y a los productos de defensa en la utilizacin de la nanotecnologa (y de manera menos ambiciosa, tambin a las microtec-nologas). La investigacin bsica y aplicada puede ser desarrollada en cualquier universidad, centro tecnolgico, espnoff o PYME. La ciencia y la tecnologa detrs de cualquier aplicacin militar son las mismas que pueda haber detrs de una aplicacin civil. De ah el inters, cada vez ms necesario, en el desarrollo de una tecnologa dual que pueda ser usada indistintamente en aplicaciones de seguridad y defensa o en aplicacio-nes de mbito civil. La orientacin final de la aplicacin la determina el usuario final, pero la tecnologa y ciencia subyacentes son en esencia las mismas. El avance en esta tecnologa capacitadora, con esta visin dual, sugiere optimizar los recursos necesarios una vez que se tiene una sinergia y se aprovechan los avances en ambos ambientes.

Se requiere una amplitud de miras. Nunca se insistir bastante en la importancia de la ciencia bsica. Creadores del mundo tecnolgico de nuestros das como Planck, Einstein y Bhr al concebir la relatividad y

Introduccin

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la mecnica cuntica slo pretendan entender el mundo. En el mbito estrictamente cientfico se insiste en algunos foros en que perseguir las aplicaciones prcticas puede estrangular la investigacin, y que los grandes avances del conocimiento que transforman el mundo son pro-ducto de una ciencia libre, sin objetivos a corto plazo y movida en ltimo trmino por la curiosidad intelectual. Todo esto es cierto. Pero, como ya advirti Einstein, las cosas deben simplificarse todo lo posible, pero ni un milmetro ms. Y aunque el avance del conocimiento es sin duda la clave del desarrollo tecnolgico, tambin es obvio que no basta por s mismo para transformar el mundo. Una parte esencial de la actividad cientfica, tal vez incluso la gran mayora de ella, est dedicada a convertir las gran-des ideas en grandes aplicaciones que generen crecimiento econmico y, al final, mejoren la vida de las personas, o que tengan ese potencial en una sociedad decente. Los premios Nobel de Fsica y Qumica que aca-ba de conceder la Academia sueca en el 2014, en el momento en el que se escriben estas lneas, representan un reconocimiento explcito de esa labor de apariencia humilde pero tan importante en el fondo: un rayo de luz azul que le faltaba al LED (diodo emisor de luz en sus siglas inglesas) para complementar al rojo y al verde y producir una luz blanca de bajo consumo energtico (y que tambin es el fundamento de los lectores de DVD y Blu-ray), y unas tcnicas microscpicas de tal ingenio y poder de resolucin que permiten penetrar en los secretos de la clula viva con una profundidad sin precedentes.

Como ha ocurrido en otras ocasiones, el crecimiento y el progreso tec-nolgico ha sido afianzado (y muchas veces motivado) por la estabilidad de los mercados militares. La mayora de las tecnologas aplicadas a los grandes sistemas de armas son duales, como lo son los procedimien-tos de clculo, los materiales, los procesos productivos y sobre todo, los equipos electrnicos. Esa dualidad permite que cuando los productos militares son ms avanzados que los civiles, se produce la difusin en un sentido, y cuando lo son los civiles, en el sentido contrario. Los desa-rrollos especficamente militares no pueden permanecer lastrados por el cambio en el escenario geoestratgico, las penurias presupuestarias y sus especificidades frente a una sociedad en la que la miniaturizacin ha propiciado un dominio de las tecnologas de la informacin y de las comunicaciones con mercados civiles creciendo de manera exponencial.

Sobre la gestacin de esta monografa

Desde que recib la invitacin a presidir el grupo de trabajo sobre nano-tecnologa y defensa del General Jefe de la Escuela de Altos Estudios de la Defensa (EALEDE), General Toms Ramos Gil de Avalle, a mediados de noviembre de 2013, mi primera misin fue proponer el panel de expertos civiles que deba constituir tal grupo de trabajo, junto a los vocales desig-nados por la vertiente militar: el TCol. CIP D. Jess Gmez Pardo, D. Julio


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Plaza del Olmo, de la Unidad de fotnica del Instituto Tecnolgico la Ma-raosa y el coordinador y persona de contacto con la EALEDE, Col. D. Jos Toms Hidalgo Tarrero. No tuve grandes dudas en canalizar la bsqueda de expertos civiles a travs de la Real Academia de Ciencias Exactas, F-sicas y Naturales a la que tengo el gran honor de pertenecer y en donde la excelencia e interdisciplinariedad de la institucin confiere unas caracte-rsticas especiales, como sucede en instituciones similares de otros pa-ses. En tan solo unas semanas traslad mi sugerencia a la EALEDE para que fueran invitados en calidad de vocales civiles los acadmicos Prof. D. Fernando Briones Fernndez-Pola y Prof. D. Antonio Hernando Grande.

Se mantuvieron reuniones de trabajo de periodicidad mensual y se rea-lizaron visitas conjuntas a algunos centros estratgicos en el tema como son el Instituto Tecnolgico la Maraosa (ITM), el Instituto de Microelec-trnica de Madrid (IMM) y el IMDEA Nanoscience. Desde estas lneas ma-nifestamos nuestro agradecimiento por las atenciones recibidas a sus responsables General D. Jose Luis Orts Pales, Prof. D. Jorge M. Garca y Prof. D. Rodolfo Miranda respectivamente.

Esta monografa se ha diseado en dos partes claramente diferencia-das. La primera atae a la presentacin y reflexin sobre los aspectos cientficos bsicos de la nanociencia y nanotecnologa. La segunda por el contario desciende ms a detalles sobre el mbito de las realizaciones y aplicaciones al mundo de la seguridad y la defensa. El enfoque ha sido distinto a otros trabajos de revisin muy meritorios realizados anterior-mente. Quisiera mencionar en especial la interesante monografa Nano-tecnologa para la Defensa que bajo la coordinacin de Hctor Guerrero, y figurando como coautores Remo Tamayo, Susana Martn, Braulio Tama-yo y Jos Torres, fue publicada en 2004 por el Instituto Nacional de Tcni-ca Aeroespacial (INTA) en su calidad de organismo autnomo de investi-gacin del Ministerio de Defensa. Aquel libro naci tras la celebracin, el 5 de febrero de 2003, de una jornada monogrfica en el INTA con el fin de analizar la incidencia que plantean las disciplinas emergentes como los microsistemas y la nanotecnologa. Poseyendo actualmente una mayor perspectiva, tras ocho aos de la publicacin de aquella monografa, se ha querido dar un mayor peso y voz a actores distinguidos en el rea, in-tentando subrayar las realizaciones que ya vieron la luz en nuestro pas.

Obviamente, no entra en el cometido de un grupo de trabajo como ste el ofrecer un catlogo exhaustivo sobre todos y cada uno de los temas y en-foques que disciplinas tan amplias como la nanotecnologa y la nanocien-cia abarcan ya en nuestros das. A mi juicio, cada uno de los vocales de este grupo de trabajo, ha realizado un trabajo de un altsimo nivel profe-sional, sintetizando presentaciones necesariamente muy complejas que se enmarcan entre un nivel difcilmente divulgativo por lo especializado de los temas y los aspectos de reflexin e informacin que son propios de estos foros de asesoramiento.

Introduccin

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Una anticipacin de lo que se ofrece: resumen de los diferentes captulos

Lo que resta de esta Introduccin no es ms que un intento de presentar de manera muy esquematizada las valiosas, y necesariamente densas, contribuciones de los autores de los captulos que siguen en esta mono-grafa. La estructura y los mensajes que el texto pueda manifestar estar pues entresacado de sus lneas. En aras de una presentacin ms homo-gnea, he renunciado al comillado y sangrado de los textos que reprodu-cen, a veces con similitud casi absoluta, lo que los autores exponen con tanta maestra. El lector ver recompensada su curiosidad si tras reco-rrer los prrafos de esta introduccin acude al detalle de la presentacin completa realizada en cada uno de los captulos que siguen.

Sobre el captulo I

En el primero de los captulos de la primera parte, el acadmico y cate-drtico de la UCM, A. Hernando, aborda el complejo objetivo de encajar la nanociencia en el contexto de la fsica bsica.

Comienza su captulo, De Maxwell al mundo de la nanociencia, con una breve Introduccin en la que nos recuerda la escala nanomtrica y los comienzos histricos de la mano de A. Einstein, ya con su tesis doctoral y la famosa conferencia del Premio Nobel Richard Feynman en 1959. Anti-cipa ya su idea de enlazar el tema con los procesos de la vida en los que la nanoescala es absolutamente fundamental.

Presenta el enfoque de los procesos de la vida en el mbito de la nano-tecnologa con dos ejemplos concretos: el de la energa necesaria para la vida, en primer lugar y la informacin almacenada en el ADN como segundo ejemplo.

Analizando la influencia de la NC y la NT en la evolucin y la aparicin de la vida, Hernando sita las aportaciones de Eduard Buchne, en 1895, en el estudio de las enzimas y las de Stanley Miller y Harold Urey, a mediados del siglo pasado, sobre la sntesis de aminocidos en laboratorio me-diante descargas elctricas como primeros jalones sobre la tesis de que la materia involucrada en los procesos biolgicos y sus leyes qumico-f-sicas son las mismas que rigen el comportamiento de nuestro entorno. Descendiendo a la escala nanomtrica, comienza con unas consideracio-nes generales sobre el proceso de conversin de energa que nos llega del Sol en forma de ondas electromagnticas o flujos de las partculas energticas que denominamos fotones. Una parte de esta energa es uti-lizada por los seres vivos para construir las molculas de alta energa libre que necesitan para vivir: es el proceso de la fotosntesis. Si bien esto solo requiere una milsima parte de la energa solar total que nos llega, es un orden de magnitud superior al que gasta toda la civilizacin


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actual para locomocin, calefaccin e industria. La evolucin tiende a que la fraccin de energa absorbida convertible en otra energa (qumica, elctrica o mecnica) sea la mxima posible. Los mecanismos molecula-res que participan en la construccin de molculas con una gran energa como son las de azcar, son motores nanomtricos que ha creado la evo-lucin que superan a los ms eficaces nanomotores de ltima generacin que el hombre haya podido producir.

A continuacin Hernando se detiene con ms detalle en la molcula qu-mica ATP, siglas del nucletido adenosina trifosfato, que recorre todo el organismo de los seres humanos suministrando la energa local para cada proceso como un nanomotor diseado y construido por la evolu-cin para suministrar la energa requerida para la vida. Su papel puede compararse al de los generadores que podemos encontrar en los saltos y presas hidrulicos para convertir la energa potencial almacenada en energa elctrica capaz de ser transportada a otros lugares. En el caso del anterior smil, la presa es la membrana de la mitocondria y el nanomotor (ATP) viene alimentado por el gradiente electroqumico de la membrana dado por la diferente concentracin de protones (ncleos de tomos de hidrgeno). Como en el caso de los sistemas mecnicos conservativos, estudiados en la Mecnica Clsica y en la Matemtica Aplicada, la fuerza que puede ejercer su flujo es proporcional al gradiente de la concentra-cin. Es un ejemplo nico de nanotecnologa producida por la naturaleza que se describe con detalle en este captulo.

Respecto del segundo ejemplo, de los muchos procesos de la vida que se pueden enmarcar en el mbito de la nanotecnologa, Hernando pro-fundiza en la teora de la informacin como reguladora de la evolucin, y en particular ilustra los casos del ncleo de la clula y el ADN como nano-cdigos. El punto de partida esta vez tiene una formulacin mate-mtica de la mano de los trabajos de Shannon de mediados del pasado siglo. Codificando cualquier nmero entero arbitrario en base dos, se puede demostrar que la cantidad de informacin requerida para expre-sar es Kln bits, con K=1.442695 bits y denominando bit a todo dgito binario (es decir 0 o 1). Shannon calcul cuanta informacin falta para conocer el resultado de un experimento del que solo sabemos sus po-sibles resultados sin una certeza total. Tras recordar las experiencias de Maxwell, Hernando nos muestra que, de acuerdo con la definicin de informacin perdida de Shannon y con la expresin de la entropa de Boltzmann, se puede decir que el segundo principio de la termodinmica establece que la evolucin espontnea de cualquier sistema aislado tien-de a disminuir la informacin almacenada en el sistema. En otras pala-bras, la entropa de un sistema es opuesta a la informacin que contiene. Desde la perspectiva de la informacin, el proceso evolutivo general est orquestado por un flujo enorme de informacin contenido en la energa libre que atraviesa la biosfera. La mayora de la informacin recibida a travs de la energa solar se pierde degradada en calor, pero una fraccin

Introduccin

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de ella se preserva y estabiliza como informacin ciberntica (es decir asociada con la emisin y recepcin de seales, con las comunicaciones, con cdigos o idiomas y con la complejidad biolgica y cultural) que, en los sistemas vivos se recoge a escala molecular en la que la secuencia de ADN juega un papel fundamental.

Hernando abandona el mbito de los fenmenos nano-biolgicos para presentar al Electromagnetismo como primer fundamento de la NC y la NT. Comienza esta seccin recordndonos las cuatro interacciones fun-damentales conocidas a da de hoy: las dos interacciones nucleares (la fuerte y la dbil), la interaccin gravitatoria y la interaccin electromag-ntica. A continuacin presenta las ecuaciones de Maxwell como uno de los hitos del paradigma del mtodo cientfico, que siguiendo a Feyman (Premio Nobel de Fsica de 1965) articula en torno a cuatro etapas: 1. Ob-servacin. 2. Toma de datos. 3. Modelizacin mediante leyes fundamen-tales. 4. Resolucin de modelos de manera que se justifiquen los datos experimentales. A continuacin se presenta la obra de Maxwell como sn-tesis de los experimentos de electricidad y magnetismo, estructurando su desarrollo en tres apartados: a) la primera etapa: de la presocrtica al siglo xviii, b) segunda y tercera etapa, de 1785 a 1840, y c) sntesis y lti-ma etapa. Acaba esta seccin indicando que a diferencia de la dinmica de Newton, las ecuaciones clsicas del Electromagnetismo han resistido invariables las modificaciones asociadas a la Relatividad restringida y a la Mecnica Cuntica, de tal forma que con el desarrollo de la Electrodi-nmica Cuntica la teora de la interaccin electromagntica ha alcanza-do el mximo grado de ejemplaridad como ciencia bien establecida.

Prosigue Hernando enfocando la tecnologa como base y consecuencia de las ecuaciones de Maxwell y defendiendo que la transmisin de la energa y de la informacin define un mundo econmico electromagn-tico. Seala que teora y desarrollo tecnolgico se vienen entrelazando en la dinmica histrica de la ciencia de tal modo que resulta imposible ponerlas en orden de causalidad. Esto es evidente en el caso de la fsica de altas energas donde la influencia del progreso de las prestaciones de los aceleradores en el conocimiento ntimo de las partculas elemen-tales resulta obvia. Una vez que la tcnica establece las condiciones ne-cesarias para incrementar la comprensin y sntesis de los fenmenos, reflejadas en nuestro caso en las ecuaciones de Maxwell, la propia nueva sntesis encierra una gran capacidad de generacin de tecnologa inno-vadora. El transporte de informacin llevado a cabo a la velocidad de la luz constituye una de las consecuencias tecnolgicas ms importantes de la teora de campos electromagnticos. El descubrimiento de la ley de Faraday revolucion la capacidad de trasmitir energa. La posibilidad de utilizar la energa en cualquier parte sin necesidad de aproximacin a la fuente constituye el resultado cientfico que ms ha contribuido a alcan-zar el nivel de bienestar, cultura, seguridad sanitaria y capacidad indus-trial de los pueblos ms desarrollados. Ambas consecuencias justifican


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el calificativo de mundo electromagntico al mundo de la tecnologa ac-tual. Tanto la qumica como la biologa estudian fenmenos electromag-nticos naturales. La energa biolgica que se encuentra almacenada en los enlaces qumicos de las molculas orgnicas es electromagntica y el propio andamiaje que permite la sntesis de dichas molculas tiene como energa de alimentacin la radiacin electromagntica, luz solar, mediante la fotosntesis.

Los campos magnticos producidos por la actividad de la corteza cere-bral son analizados en la seccin siguiente. La magnetoencefalografa, MEG, es una til herramienta que permite aproximarnos al conjunto de correlaciones y sincronismos elctricos inducidos en el cerebro humano por la actividad neuronal. La escala nano aparece por doquier: las in-tensidades de corriente de las seales son del orden 20 femtoamperio metro (recordemos que un femtoamperio equivale a la fraccin 10-15 de un amperio) y el campo magntico tiene una magnitud del orden de la mil millonsima parte del campo terrestre. Hoy, gracias a la MEG, se sabe que la sincronizacin es un proceso que abarca a las distintas bandas y a las distintas partes del cerebro. Por ejemplo, anormalidades en la sincronizacin en zonas motoras parecen estar asociadas a sntomas de enfermedad de Parkinson.

Esta parte concluye con unas consideraciones finales en las que se man-tiene que la sociedad de la energa y de la informacin, la sociedad elec-tromagntica de hoy, hunde sus races en las cuatro ecuaciones diferen-ciales del sistema de Maxwell. Tan enorme fecundidad de comprensin terica e innovacin tecnolgica resulta difcil de exagerar y constituye una sntesis paradigmtica del quehacer colectivo humano de mximo nivel intelectual, es decir, riguroso, experimental y, por tanto, cientfico.

En la seccin siguiente, Hernando lleva a cabo la difcil tarea de presentar, en tan solo unas pginas, y sin poder descender a grandes detalles tcni-cos para primar el carcter divulgativo, de la Mecnica Cuntica como fun-damento de la NC. Comienza refirindose a los tomos que hoy da conoce-mos gracias a los progresos de la fsica atmica y de la fsica de la materia condensada. Estn constituidos por tres tipos de partculas: a) el electrn, con una masa de 10-31 kg y una carga elctrica negativa, que constituye el quantum de carga de valor e=1.6 10-19 C, donde aqu la C se refiere culom-bio que es la unidad de carga en el sistema SI, b) el protn, con una masa de aproximadamente dos mil veces la del electrn y con la misma carga elctrica pero positiva, y c) el neutrn, con la misma masa que el protn y carente de carga elctrica. Los protones y neutrones se agrupan en el ncleo, y los electrones orbitan alrededor de l, a una distancia mnima de 0.05 nanmetros es decir 5 10-11 m. Pese a su pequeo tamao, esta distancia es muy grande comparada con el tamao del ncleo: el dimetro del tomo total es veinte mil veces mayor que el del ncleo en el uranio y cientos de miles de veces mayor en el caso del hidrgeno.

Introduccin

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El electrn puede recibir el impacto de un fotn y absorber su energa si es igual a la diferencia de energa de dos estados estacionarios del to-mo, absorbiendo al propio fotn que desaparece y transitando al estado de energa superior. Del mismo modo, el electrn puede emitir un fotn de energa y decaer al estado inicial. Resulta pues crucial el estimar y co-nocer las distancias en energa entre los estados atmicos (estados es-tacionarios de los electrones). Hernando comienza recordando para ello el planteamiento de la Mecnica Clsica con la interpretacin del tomo, y los movimientos del electrn, a travs del movimiento de una masa en un sistema de fuerzas centrales. A continuacin introduce la regla de cuanti-ficacin como una restriccin a los posibles valores del momento angular del electrn lo que origina la diferenciacin crucial respecto a la descrip-cin kepleriana del movimiento de los planetas (tambin sometidos a un campo central de fuerzas). Muestra cmo se obtiene as la cuantificacin de los radios de las posibles rbitas y la de los posibles valores de la energa postulada por Bohr (lo que implica la cuantificacin de la energa de los fotones absorbidos o emitidos durante el proceso de trnsito entre niveles, lo que constituy la hiptesis de Planck). Lo conecta entonces con el efecto fotoelctrico, explicado por Einstein en 1905, lo que le vali el premio Nobel de 1921. La actividad febril de la comunidad cientfica, especialmente entre los aos 1913 y 1926, produjo tanto resultados ex-perimentales revolucionarios en la escala atmica como el desarrollo de una teora rigurosa conocida como Mecnica Cuntica que permiti ce-rrar una de las pginas ms importantes de la historia de la Fsica.

La contribucin del Instituto Rockefeller de Madrid, creado bajo los aus-picios de la Junta para Ampliacin de Estudios, y en particular a travs de escuela de Fsica creada por Blas Cabrera en Madrid, tambin produ-jo importantes contribuciones a los descubrimientos de aquel momento histrico pese a la falta de tradicin en investigacin cientfica que carac-terizaba a Espaa en comparacin al resto de los pases europeos ms avanzados. Los aos comprendidos entre 1915 y 1936 que coinciden con ese momento de mxima productividad marcan tambin un hito de mxi-ma relevancia para la historia intelectual de Espaa. Las aportaciones de Cabrera, Velayos, Miguel Cataln y Enrique Moles, entre otros conectaron a esta ciencia con las aportaciones ms valiosas de su tiempo y con sus autores en otros pases.

Aborda a continuacin Hernando el tema de las reglas de cuantificacin. El comportamiento de los objetos a escala de los ngstrm y nanme-tros no tiene por qu ser familiar para nuestra intuicin adquirida por observaciones realizadas a la escala de nuestros sentidos. Son compor-tamientos bastante extraos pero lo suficientemente bien fundados por la Mecnica Cuntica y apoyados por la experiencia en la escala atmica y subatmica. Se trata de una disciplina que abren Planck y Einstein y que cierra Dirac unificando la Mecnica Ondulatoria y la Mecnica de Matri-ces, desarrolladas por de Broglie, Schrdinger, Bohr, Pauli, Heisenberg,


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Fermi y Born. Su carcter probabilstico y su renuncia al determinismo, manifestada explcitamente por el Principio de Indeterminacin de Hei-senberg, han movilizado incluso al mundo de la filosofa.

En un punto lgido de este captulo Hernando se refiere a la relacin entre la cuantificacin de estados y la NC. A modo de ilustracin con-sidera un electrn que se mueve libremente (aunque confinado en una dimensin) a lo largo de una cadena (unidireccional) de N tomos se-parados entre ellos una distancia a. Apelando al carcter ferminico de los electrones, pues su espn es , y al Principio de Exclusin de Pauli (dos fermiones no pueden tener los mismos nmeros cunticos) analiza el salto de energa entre el estado de nmero cuntico n

max y el

nmax

+1 para concluir con lo que cataloga como ecuacin fundamental de

la NC: DEn/En= 2/n =4/N. Pone de manifiesto como la separacin relativa

de niveles es del orden del 1% para el caso de que la cadena conste de 100 tomos, que es el nmero que se mencion para definir la escala nanomtrica. Si los electrones fueran bosones se llega a justificar la razn de por qu es posible que un material sea superconductor.

A continuacin se aborda el importante papel de la temperatura en el contexto de la NC. La distancia entre niveles de energa es el parmetro fundamental que gobierna el comportamiento del sistema con la tempe-ratura que es la energa media que un sistema posee por cada grado de libertad. Los grados de libertad coinciden con la dimensin del espacio en que las partculas del sistema pueden moverse. Boltzmann y Maxwe-ll explicaron que si por ejemplo consideramos un sistema de partculas idnticas y que cada una de ellas tiene un conjunto discreto de estados cunticos de distintas energas y que en orden creciente podemos des-cribir como, e

1, e

2,e

i, la energa total del sistema ser n

1e

1+ n

2e

2++

nie

i+, donde n

i es el nmero de partculas que se encuentran en el es-

tado de energa ei. Los valores de n

i estn constreidos a sumar N que

es el nmero total de partculas idnticas que contiene el sistema. Los cambios de energa pueden venir o bien por el intercambio de energa con el exterior producido por cambios de la energa de los niveles, lo que se conoce como intercambio por trabajo mecnico, o por el intercam-bio generado por variaciones de la ocupacin de los niveles, lo que se conoce como intercambio trmico. La teora estadstica de Boltzmann y Maxwell permiti determinar cuales eran las ocupaciones de los niveles de energa de un sistema cuando alcanzaba el equilibrio con un foco tr-mico (mucho mayor que el sistema). La importancia de la temperatura en cualquier fenmeno fsico dota a esta variable de una categora especial como variable reina de todos los fenmenos naturales. En el caso de los electrones prximos al nivel de Fermi (correspondiente a n=N/2: si N es del orden de 100 el salto de energa coincide con la energa trmica a temperatura ambiente) los nicos que pueden intercambiar energa tr-mica, o adquirir energa de campos externos, son los que condicionan las propiedades fsicas del material como son sus propiedades trmicas,

Introduccin

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pticas, elctricas, y magnticas. La NC trata con sistemas cuyo espec-tro de energa est caracterizado por valores menos discretos que los atmicos pero muchsimo menos continuos que los correspondientes a los slidos macroscpicos. Estas dos caractersticas conducen a algunas de las peculiares propiedades electrnicas de la materia en su escala nanomtrica.

Dedica la seccin siguiente Hernando a la funcin de onda, la ecuacin de de Broglie y su relacin con los campos magnticos para lo cual ha de referirse a la dualidad entre partculas y ondas. La funcin de onda de una partcula es descrita por la mecnica cuntica mediante un nmero complejo =Aei en el que tanto su mdulo como su fase, nmeros reales ambos, dependen de la posicin y del tiempo. Segn Max Born el cuadra-do del mdulo, que se obtiene de multiplicar por su complejo conjugado *, es la probabilidad de encontrar a la partcula en un punto dado r y en un instante concreto t. Se introduce la corriente de probabilidad (que coincide con lo que se conoce como densidad de corriente) J, asociada a la funcin de onda, como el producto de la constante de Planck h por el inverso de la masa de la partcula, por el cuadrado del mdulo (A2) y por el gradiente de la fase grad. Si sumamos (es decir, integramos) el cuadrado de la funcin de onda en todos los puntos del espacio debemos obtener 1. La variacin espacial de la corriente de probabilidad conduce a otra conservacin: el carcter local independiente de la conservacin de la partcula.

Un electrn libre que se mueve sin estar sometido a fuerza alguna en un volumen V se describe mediante una onda plana de la forma =(1/V)1/2eikr de longitud de onda . La relacin entre la cantidad de movimiento de una partcula, p, y su longitud de onda, , se conoce como axioma de de Broglie y conecta las dos interpretaciones, aparentemente contradictorias entre s, de una partcula cuntica: el de ser a la vez una partcula y una onda. Este carcter dual permite justificar que un chorro de electrones, o de fotones, que alcanza una pantalla con dos rendijas pueda generar una figura de difraccin anloga a la que generara una onda en el clebre experimento de Young sobre ondas, siempre que la distancia entre rendi-jas sea del orden de las longitudes de onda de las partculas. Basta que se tape una de las rendijas para apreciar que las partculas se compor-ten propiamente como partculas clsicas. Un experimento de difraccin de electrones se puede llevar a cabo siempre que la distancia entre las rendijas sea del orden de ngstrm o nanmetros, lo que es habitual en las observaciones con microscopio electrnico en las que los tomos de una sustancia actan de centros de difraccin de los electrones enviados por un can. Segn este axioma, un electrn movindose a la velocidad de106 m/s y con una masa de 10-30 Kg tiene una longitud de onda l=10-9 m que es precisamente del orden del nanmetro, 1nm. Cuando se aplica un campo magntico a un electrn la ley de Faraday nos indica que al apli-car un campo magntico perpendicular al plano de la rbita circular, se


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induce a lo largo de sta una fuerza electromotriz dada por la derivada respecto del tiempo del flujo de campo magntico que atraviesa el circui-to. En la escala nanomtrica la importancia de uno de los trminos del cambio en la corriente de probabilidad se amplifica. Esto se manifiesta en la cuantificacin del flujo de campo en anillos superconductores, lo que da lugar a fenmenos de interferencia cuntica.

Refirindose a las propiedades elctricas y magnticas de nanocristales y nanopartculas, Hernando comienza recordando lo que atae a las lon-gitudes caractersticas: anisotropa magntica, longitud de correlacin de canje. superparamagnetismo y memoria magntica. El autor, que se encuentra ahora en su dominio de especializacin, nos introduce en el complejo mundo que aparece cuando las dimensiones de un material coinciden con las de las longitudes caractersticas. Lo ilustra con el caso del hierro que cristaliza en el sistema cbico centrado en el cuerpo. De-talla cmo la imanacin se organiza en dominios para conseguir que la imanacin global sea nula e ilustra las tres tendencias que condicionan la existencia de los dominios: por un lado los espines tienden a ponerse pa-ralelos por una interaccin denominada interaccin de canje y que es de origen cuntico pero basada en la repulsin electrosttica que se ejercen mutuamente los electrones, la repulsin electrosttica originada por los espines antiparalelos y la energa de anisotropa cristalina (dependen-cia de una propiedad direccional con la direccin) en la que aparece una constante de enorme trascendencia (la constante de anisotropa K que mide la energa externa que hay que suministrar por unidad de volumen para girar la imanacin de la direccin fcil a la difcil). Nos seala que todo el avance de la ingeniera magntica proviene del conocimiento a ni-vel microscpico del origen de K y lo que ha permitido controlar su valor hasta lmites insospechados debido al desarrollo de la NC y la NT. Ms tarde menciona una serie de experimentos llevados a cabo por Luborsky, Jacobs y Bean a mediados del siglo xx en los laboratorios de General Electric en Nueva York que dio lugar al nanomagnetismo buscando me-jores imanes permanentes. Sin embargo, posteriores disminuciones de tamao dieron la sorpresa de la desaparicin del llamado campo coer-citivo, lo que resulta crucial para la comprensin de muchos fenmenos nanomagnticos y est estrechamente vinculado al desafo ms radical de la tecnologa de la memoria magntica y al desarrollo del supermag-netismo (que aunque es un fenmeno que se manifiesta en la escala del nanmetro responde a un principio muy bien establecido de la termodi-nmica clsica).

Considera despus la relacin entre las longitudes caractersticas y la conduccin elctrica, refirindose al recorrido libre medio, la penetracin tnel y el efecto tnel y la NC. En un metal los electrones externos de sus tomos son los responsables de la conductividad elctrica. El tiempo que tiene un electrn para adquirir energa del campo elctrico aplicado es el que transcurre entre dos colisiones sucesivas, que en los metales

Introduccin

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es del orden de 10-13 o 10-14 s. La distancia media que recorre el electrn entre dos colisiones es del orden de decenas de nanmetro e incluso de centenas de nanmetro. Si el electrn se mueve a lo largo de una direc-cin segn la cual el tamao de la muestra es extremadamente pequeo no sufre ninguna colisin durante su recorrido (rgimen balstico). Esto es relevante para el anlisis de la conduccin elctrica en sistemas na-nocristalinos formados por cristalitos de dimensiones de algunos nan-metros y conectados entre ellos a travs de sus fronteras de grano. Las fronteras constituyen obstculos para la conduccin que sin embargo es balstica en el interior del grano. La manera en que el electrn atraviesa la frontera depende de muchos factores pero en ocasiones se presenta el llamado efecto tnel, de gran relevancia en NC. Es una de las grandes diferencias entre la Mecnica Clsica y la Cuntica. Hernando utiliza la ecuacin de Schrdinger para ilustrar este fenmeno de penetrabilidad mediante un sencillo ejemplo particular. Muestra que la longitud de pe-netracin tnel es una longitud caracterstica que depende de la altura de la barrera, de la energa cintica y de la masa de la partcula. Un caso de efecto tnel que gener el nacimiento de la NC y la NT al permitir una resolucin a escala nanomtrica para la observacin y manipulacin de tomos y grupos de tomos fue el desarrollo del microscopio de efecto tnel. En este caso una superficie metlica es recorrida o barrida por una punta metlica que permanece sin contacto muy prxima a ella.

El captulo se encamina a su finalizacin con el anlisis del papel rele-vante de las propiedades de la superficie en la fsica de las nanopartcu-las y la emergencia de magnetismo en nanopartculas de materiales que no son magnticos en la escala ordinaria. Una caracterstica de las par-tculas nanomtricas es su elevada proporcin de tomos de superficie respecto al nmero total de tomos que contienen en todo su volumen.4 Un cristal cbico de lado L contiene (L/a)3 tomos, donde a es la distancia interatmica, mientras que el nmero de tomos de superficie es 6(L/a)2. Consecuentemente, la razn entre el nmero de tomos de superficie y el nmero total de ellos es r=6a/L. Como a es del orden de algunos ngs-trm podemos inferir que en un cristal cbico de un centmetro de lado la razn r es aproximadamente 10-6. Un tomo de cada milln est en la superficie. Sin embargo esta fraccin se eleva segn va disminuyendo L y para un cubo de un nanmetro de lado se acerca al 100%. Este incre-mento cuantitativo de la fraccin r tiene una gran importancia en las di-ferentes propiedades fsicas de las nanopartculas cuando se comparan con las de las muestras masivas de las mismas sustancias, como se nos describe a continuacin utilizando algunos ejemplos.

4 Es oportuno apelar, a este respecto, la famosa desigualdad isoperimtrica, que en el caso del espacio tridimensional afirma que la relacin entre el volumen V de una regin y su superficie exterior A viene dada por 36pV2 A2 y que la igualdad solo se alcanza en el caso de la esfera.


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Para concluir el captulo, Hernando considera un ejemplo prometedor de NC en futuras terapias: la hipertermia. La elevacin de la temperatura de un tumor es un mtodo teraputico para el tratamiento del cncer y es conocido como tratamiento por hipertermia. Actualmente se utiliza con-juntamente con los tratamientos teraputicos convencionales, como la quimioterapia o la radioterapia. Los ensayos clnicos para elevar la tem-peratura de un tumor comenzaron en los aos 70, con la aplicacin de di-ferentes tipos de radiacin como microondas, radiofrecuencia o ultraso-nido, llegando incluso a introducir las fuentes de calor dentro del tumor. La hipertermia magntica es el mtodo teraputico para el tratamiento del cncer basado en el uso de nanopartculas magnticas biocompati-bles. Dependiendo de la conductividad trmica y la capacidad calorfica del medio orgnico, el calor generado elevar la temperatura del entorno de las nanopartculas ocasionando la muerte de las clulas tumorales. El uso de la hipertermia magntica como terapia alternativa al tratamiento del cncer supondra un gran logro para la oncologa actual. Se trata de un tratamiento localizado y selectivo, por lo que se evitaran los efectos secundarios producidos por la aplicacin de radioistopos. En el caso de tumores localizados y de fcil acceso, como en el cncer de mama, las NP pueden aplicarse directamente al tumor. En el caso de tumores internos, como un tumor cerebral, las NP deben ser funcionalizadas para ser diri-gidas selectivamente hacia las clulas tumorales.

Sobre el captulo II

En el segundo de los captulos de la primera parte, el Acadmico F. Brio-nes, aborda el tema de la Nanotecnologa en evolucin. En su brillante introduccin seala que la teora cuntica del slido se enfrenta a nue-vas dificultades cuando se pretende aplicar a objetos de dimensiones del orden de unos nanmetros. Las propiedades fisicoqumicas de los agregados atmicos o de estructuras moleculares complejas, resultan muy diferentes de las de los medios continuos o de los cristales peridi-cos macroscpicos formados por esos mismos tomos o molculas. Ms an, en algunos casos aparecen propiedades emergentes caractersticas de una coherencia cuntica extendida a todo el objeto. Casos paradigm-ticos son, por ejemplo, el origen de los nmeros mgicos en clsteres moleculares, las propiedades magnticas de nanopartculas, los efectos de proximidad en interfaces metal normal/superconductor, los efectos de confinamiento cuntico en sistemas de baja dimensionalidad, como son los pozos, hilos y puntos cunticos en matrices semiconductoras, el tnel o inyeccin de espn y, recientemente, las propiedades electrnicas y estructurales del grafeno, entre las muchas que se descubren ao tras ao, y no dejan de sorprender a los fsicos.

Se insiste en que estas sorpresas no se limitan solo a los fsicos; tambin a la comunidad de la qumica en la escala nano, por ejemplo en la catli-

Introduccin

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sis, o incluso en la biologa en temas como la fotosntesis o la orientacin de las aves migratorias.

La idea de que sera posible hacer ingeniera en la nanoescala fue de-sarrollada y expresada pblicamente por primera vez, ya en 1959, por Richard Feynman, profesor de fsica terica en Caltech, cuyo genio ex-cepcional se ha extendido en muchos campos de la fsica y la tecnolo-ga. Inicialmente, sus ideas no tuvieron mucho impacto en la comunidad cientfica hasta que, mucho ms tarde, K. Erik Drexler, un ingeniero ex-traordinariamente creativo y visionario del Instituto Tecnolgico de Mas-sachusetts (Massachusetts Institute of Technology MIT) que trabajaba con la NASA publicase en 1986 su libro Engines of creation: The coming era of Nanotechnology, especulando sobre la posibilidad de disear y fa-bricar mquinas moleculares. La termodinmica ofreca oscuros presa-gios sobre el xito de posibles intervenciones a la escala nanomtrica, pero el xito de Heinrich Rohrer y Gerd Binnig (de la IBM, en Zurich) in-virti el pesimismo. Desarrollaron un microscopio basado en medir la corriente tnel entre los tomos terminales de una punta metlica ex-tremadamente afilada y los tomos de una superficie conductora para utilizar esta corriente como parmetro de realimentacin y mantener constante la distancia punta/superficie durante un barrido lineal sobre la misma lo que les permiti publicar las primeras imgenes en 1982. En 1986 compartieron el Nobel de Fsica conjuntamente con Ernst Ruska, el inventor del microscopio electrnico.5 Binnig invent tambin, poco despus del STM, otro instrumento revolucionario, el Microscopio de Fuerzas Atmicas (AFM) complementario del anterior y capaz de fun-cionar al aire, sobre superficies aislantes, a temperatura ambiente e in-cluso en medios lquidos a partir de la medida de la fuerza ejercida por los tomos de una nanopunta mvil sobre la superficie o nano objeto a representar. Desde 1982, una vez demostrado que es posible construir instrumentos capaces de acceder a la escala nano llegando a observar y manipular la materia tomo a tomo, la expansin de la nanotecnologa ha sido imparable.

Nos indica Briones que el primer microscopio STM que sali del labora-torio de IBM en Zurich fue cedido a la Universidad Autnoma de Madrid (UAM) gracias a una colaboracin de Binnig con el grupo del Prof. Arturo Bar que haba estado trabajando en IBM como postdoc. Desde entonces, Bar se dedic a desarrollar nuevos microscopios pioneros en Espaa y, con sus estudiantes de tesis y colaboradores, lleg a crear una empresa, Nanotec Electrnica, que ahora fabrica y comercializa con xito en todo el mundo microscopios de este tipo.

5 La aparicin de ste y otros tipos de microscopios llev aparejada de manera simul-tnea que la cuestin del tratamiento matemtico de las imgenes cobrase an una mayor relevancia y actualidad.


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Dedica tambin una subseccin, dentro de su Introduccin, a ilustrar el paso de la microelectrnica a la nanoelectrnica. La nanoelectrnica se distingue de la microelectrnica por hacer uso de esos efectos mesosc-picos de coherencia cuntica en estructuras de tamao sub-micromtri-co. El primer dispositivo nanoelectrnico fue el diodo tnel, descubierto por Leo Esaki en 1959 lo que fue reconocido al otorgarle el premio Nobel de Fsica en 1973.

Esaki, que es doctor honoris causa por la Universidad Politcnica de Ma-drid (1976) con cuyos profesores de la Escuela de Telecomunicaciones (ETSIT) ha colaborado desde IBM en numerosas ocasiones y contribuido a la formacin de excelentes investigadores, predijo a comienzos de los 70, las propiedades de los nanosistemas de dimensionalidad reducida, pozos, hilos y puntos cunticos, cuyas dimensiones fueran comparables con la extensin efectiva del electrn en un semiconductor, del orden de 10 nm. Entre ellas la de emitir luz con una eficiencia extraordinaria debi-do a la presencia simultnea de electrones y huecos en la misma regin del espacio que ha sido fundamental para el desarrollo de dispositivos optoelectrnicos entre los que se encuentran los diodos laser de comuni-caciones por fibras pticas.

Nos relata Briones otros hitos puramente cunticos como fue el efecto Hall fraccionario en el gas bidimensional de electrones confinado en el estrecho pozo de potencial asociado a una heterounin semiconductora, lo que le vali la concesin del Premio Nobel de 1998 a Horst Strmer, y la epitaxia de haces moleculares (MBE), debida a Al Cho en 1968 con la que se hizo posible fabricar en el laboratorio, y ms tarde industrialmen-te, estas estructuras semiconductoras artificiales con un control o pre-cisin dimensional mejor que el nanmetro. Aunque en sus comienzos no fue clasificada como nanotecnologa (porque no se haba inventado siquiera este trmino) representa un ejemplo paradigmtico de tecnolo-ga de nanofabricacin que ahora se califica de tipo bottom-up, es decir de abajo a arriba, construyendo la materia tomo a tomo, y resultando fundamental para el desarrollo de muchos dispositivos semiconducto-res. Esta tcnica ha sido perfeccionada por diversos grupos, uno de ellos el del grupo de Briones del IMM, pionero tambin en Espaa, a lo largo de los ltimos 30 aos. Los reactores de MBE han salido de los laboratorios de investigacin para convertirse en una de las ms rentables tecnolo-gas industriales a la hora de fabricar en gran escala nanodispositivos. Los Diodos Laser, inventados por el ruso Zohres Alferov, del Instituto Ioffe en S. Petersburgo (Nobel en 2000) y los transistores y circuitos denomi-nados HEMT son un magnfico ejemplo de ello.

Nos seala que el impacto socio-econmico de estos dispositivos es enor-me. Los cabezales de lectura presentes en cualquier equipo reproductor/grabador de CD y DVD, son sistemas pticos integrados y miniaturizados que incorporan un lser de pozo cuntico fabricado por MBE. Internet es

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fundamentalmente posible gracias a la extraordinaria eficiencia del dio-do-lser de confinamiento cuntico para emitir luz y modularla a un rit-mo de ms de 40 Gb por segundo. Las comunicaciones por micro-ondas, los ya imprescindibles telfonos mviles, IPads, etc., integran circuitos HEMFET de electrones de alta movilidad 2D de manera que puede decirse que la nanotecnologa ha entrado ya, masivamente, en la sociedad de la informacin.

El vasto tema de la ciencia y tecnologa en la escala nano es objeto de la Seccin ms amplia de este captulo. Una caracterstica especfica de las nanociencias es la inmediatez entre los descubrimientos cientficos bsicos y el desarrollo de las tecnologas que de stos se derivan. Esto no ha sido siempre as, las tecnologas ms importantes del siglo xx, con la excepcin de la tecnologa nuclear y del lser, se han basado en la fsica del siglo xix, mecnica, termodinmica, fluidos, electromagne-tismo, fsica clsica en suma. Incluso la tecnologa microelectrnica, se basa en una concepcin totalmente clsica de la fsica. La tecnologa del siglo xxi tendr su mximo fundamento en la fsica que fue nece-sario crear en el siglo xx para entender y modelar la escala atmica, la fsica cuntica.

El impacto sobre la sociedad en general de las nuevas tecnologas infor-mticas, posibilitadas por el desarrollo rapidsimo de las capacidades de clculo de los circuitos integrados es ya enorme. La revolucin inform-tica solo acaba de empezar. La fsica actual est explorando una nueva opcin de desarrollo de la informtica, la Informtica Cuntica, basada en una forma revolucionaria de codificar, procesar y transmitir informacin. Todo ello es de enorme importancia especialmente para la prospectiva de defensa, donde la capacidad de anticipacin es cada vez ms necesaria.

Una buena parte de los resultados ms prometedores en el mbito de la Informtica Cuntica son debidos al investigador espaol, Ignacio Cirac, director, al frente de un grupo de 250 personas,6 de la divisin de Teora del Instituto Max-Planck de ptica Cuntica en Garching, Alemania.

Es difcil prever cundo aparecern las primeras computadoras cunti-cas pero en menos de 10 aos seguramente se producirn avances es-pectaculares y sus consecuencias, particularmente en el campo de la de-fensa, pueden ser impresionantes. Existe un enorme inters por parte de usuarios militares, financieros, etc., para los que la seguridad es funda-mental, sobre las tecnologas fotnicas que se desarrollan actualmente para transmitir informacin cuntica cifrada con el fin de hacer imposible su interceptacin o recepcin no autorizada. Ya existen implementacio-nes comerciales, aunque no muy extendidas.

6 Entre los colaboradores espaoles de Cirac se puede citar al matemtico Prof. D. Garca Prez, responsable del programa QPHASE: Classifying quantum phases of nature via PEPS del IMI de la UCM.


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Un tema actual de investigacin en nanofotnica es el desarrollo de dispositivos emisores de un solo fotn, de fotones entrelazados y de detectores de fotones individuales en las dos bandas de longitudes de onda utilizadas en comunicaciones por fibra ptica. El IMM, tras una larga trayectoria de investigacin pionera en Espaa en procesos de fabricacin de estos dispositivos mediante tcnicas originales de MBE, ha participado activamente durante los ltimos 8 aos en una gran red de excelencia europea, SANDIE, financiada con 18,6 millones de euros, en colaboracin con otros 25 laboratorios y empresas. Estas cifras dan una idea de la relevancia de este aspecto de la nanotecnologa y de su dificultad tcnica en Europa. Empresas como Toshiba, en sus labora-torios europeos en Cambridge, UK, se han beneficiado especialmente de estos resultados aprovechando el gran potencial humano y exce-lencia investigadora de nuestros jvenes doctores en estas tecnologas avanzadas. Actualmente, y en esta misma lnea, el IMM trabaja en el desarrollo de emisores de fotones individuales en colaboracin con co-munidad de centros e investigadores espaoles activos en este tema particular (unos 50 doctores), sobre todo con el Instituto de Ciencias Fotnicas (ICFO) de la Universidad Tcnica de Catalua, el Instituto de Sistemas Optoelectrnicos y Microtecnologa (ISOM) de la Universidad Politcnica de Madrid y el Departamento de Fsica Terica de la Univer-sidad Autnoma de Madrid.

Las tcnicas de posicionamiento con precisin nanomtrica son muy so-fisticadas y solo son accesibles a muy pocos laboratorios en el mundo. El grupo del IMM, dirigido actualmente por la Dra. Luisa Gonzlez, es un equipo reconocido internacionalmente por sus mltiples desarrollos ori-ginales de MBE en semiconductores III-V y tiene acceso directo a otras tcnicas de nanofabricacin como son la litografa de electrones y el ata-que inico para la fabricacin de los diodos laser, detectores de IR y reso-nadores o micro-cavidades pticas tipo cristal fotnico 2D en GaAs y InP (Dr. Aitor Postigo). Anlogamente, el laboratorio de este Instituto, dirigido por el Dr. Benito Aln, dedicado a la espectroscopia ptica de alta resolu-cin espacial y espectral (puede analizar la emisin de un solo QD aisla-do, a bajas temperaturas y en una bobina superconductora con campos magnticos de hasta 9 Tesla), es nico en nuestro pas y permite deter-minar los estados cunticos de las nanoestructuras producidas, puntos cunticos, molculas artificiales, hilos cunticos, etc. Este grupo ha tra-bajado en paralelo en la aplicacin de estas mismas nanoestructuras al desarrollo de clulas solares de banda intermedia mediante nanoestruc-turas fotnicas. Es el fruto de la colaboracin con el Instituto de Energa Solar de la UPM del Prof. Antonio Luque, creador de la primera empresa Espaola, ISOFOTON, capaz de competir en el difcil campo industrial de la energa fotovoltaica con tecnologa propia.

La investigacin en estas nanotecnologas implica emplear un enorme esfuerzo tambin en el desarrollo de nuevas tcnicas experimentales

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macroscpicas para acercarse a la interfaz del mundo nano con el mundo macro. Estas nuevas herramientas no existan previamente y han tenido que irse desarrollando a medida que se hacan necesarias. La construc-cin de los correspondientes reactores, extraordinariamente complejos y utilizando materiales muy sofisticados (tantalio, nitruro de boro, cuarzo, etc.) tiene un coste enorme, no slo econmico sino de tiempo y dedi-cacin. Es parte ya de la filosofa de trabajo de la investigacin en esta rea el desarrollar las propias mquinas que, aunque se puedan adquirir en empresas especializadas y a un coste del orden de un milln de eu-ros, requieren siempre, adems de un gran esfuerzo ulterior de puesta a punto, adaptacin a cada material y proyecto, unos equipos de moni-torizacin y control in situ con resolucin nanomtrica y una dedicacin constante. Es sta la principal razn por la que son muy pocos los grupos que trabajan con estas tcnicas tan costosas y de que slo se puedan mantener operativas en laboratorios con infraestructuras y personal de apoyo tcnico muy importantes.

Hay que reconocer, por otra parte, la gran dificultad que implica para el investigador el superar todas las barreras y dar todos los pasos nece-sarios para, adems de hacer buena investigacin en tecnologas tan avanzadas como es el caso de las nano, poder llegar al punto en que sus resultados, cientfica y tecnolgicamente vlidos y competitivos, puedan transferirse a la industria o a la sociedad en general. En el caso del prof. Briones, han dado lugar a 4 patentes internacionales en explotacin por empresas de alta tecnologa europeas y norteamericanas. Est claro que el esfuerzo solo de los investigadores no puede ser suficiente. Es funda-mental la cooperacin de unos mecanismos de transferencia eficaces en manos de profesionales familiarizados con las tecnologas y con sus apli-caciones y, ms an, con el sector industrial al que pueden ir destinados los resultados. Estos mecanismos fallan estrepitosamente en nuestro pas en el rea de las nanotecnologas por falta de personal con forma-cin adecuada. En general, se recurre a la creacin de empresas spin-off y a los contactos directos, a travs de estas spin-off, con empresas gran-des ya consolidadas en el sector que, en muchos casos, son extranjeras a falta de emprendedores o de inversores nacionales con confianza en este sector del mercado.

Cuenta el Prof. Briones cmo la transferencia a la sociedad ha sido posi-ble ya, en nuestro pas, y con xito. Refirindose a su propia lnea de in-vestigacin (su primer reactor MBE data de 1983) comenta que el Cuartel General de la Armada, en 1978, haba acudido al CSIC solicitando ayuda para poder desarrollar espoletas de proximidad para proyectiles anti-misil capaces de detectar la emisin IR de las toberas y gases calientes de misiles. Particularmente preocupante era la necesidad de defensa de los buques de la armada frente a misiles de tipo EXOCET que como se demostr ms tarde en las Malvinas, iban a ser muy eficaces hundien-do o daando gravemente barcos ingleses. En aquella poca, solo se


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fabricaban los sensores de IR en la banda de 4,3 micras de longitud de onda para las espoletas, en dos laboratorios del mundo, Santa Barbara Research Center (SBRC), ms tarde Raytheon Vision Systems (RVS), en California con tecnologa propia, y en un laboratorio indeterminado en Rusia con tecnologa probablemente originada en la DDR. Ambas tec-nologas eran, absolutamente secretas y los detectores no eran accesi-bles ni siquiera para pases aliados. El SBRC haba publicado un par de patentes, probablemente de despiste, basadas en procesos qumicos de deposicin que, a pesar de intentos muy valiosos del laboratorio dirigido por la Dra. Teresa Montojo en el Centro de Investigacin y Desarrollo de la Armada (CIDA), resultaban imposibles de reproducir. Los detectores contenan PbSe, un semiconductor de pequeo band-gap y muy fcil-mente oxidable e inestable al aire. En su grupo de investigacin, en el entonces Instituto de Fsica Aplicada del CSIC, con slo dos investiga-dores, el Prof. Briones y la Dra. Golmayo construyeron un sistema de evaporacin en vaco con la ayuda del taller mecnico procedente del antiguo Instituto Torres Quevedo. Se trataba de nanotecnologa pione-ra desarrollada en Espaa, en 1979, y aplicada a fines de defensa. En la actualidad una empresa espaola, NIT Europe, creada por personal procedente del CIDA, fabrica y comercializa cmaras de IR cuyos pxeles son detectores de PbSe segn este procedimiento. El Prof. Briones de-sarroll en 1998 un detector microfabricado de metano de bolsillo para una empresa europea (Schlumberger), basado en estos detectores que no necesitan refrigeracin. En la actualidad el IMM tiene un proyecto de desarrollo de tecnologa de fabricacin de cmaras de rayos-X que se pretenden instalar en un gran telescopio espacial, Athena, que previsi-blemente se pondr en rbita por la Agencia Europea del Espacio (ESA) en 2021.

Relativo a la conexin de la nanotecnologa con la biologa (relaciona-do con la defensa ante amenazas biolgicas) menciona el Prof. Brio-nes al rea de investigacin del Grupo de Bionanomecnica del IMM (doctores Tamayo y Calleja) cuyo objetivo es desarrollar dispositivos biosensores capaces de detectar y cuantificar interacciones molecu-lares, en aplicaciones por ejemplo de deteccin de patgenos a travs de sus interacciones con micropalancas y resonadores nanomecni-cos. La Comisin Europea apoya este proyecto con la concesin de un prestigioso contrato del European Research Council (ERC) dentro del programa IDEAS. Han abordado con xito el desarrollo de nanochips de ADN para genmica funcional, creando ellos mismos una empresa spin-off: Mecwins.

En el llamado siglo de la biologa, la contribucin de la nanociencia a las ciencias de la vida ser decisiva. Ya se mantiene que la vida es una de-mostracin del poder de una nanotecnologa natural desarrollada por la evolucin a lo largo de la historia del planeta Tierra. El primer intento de interpretar la vida en trminos fsicos se remonta a uno de los padres de

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la Mecnica Cuntica, Erwin Schrdinger, Nobel de Fsica en 1933 quien en 1944 public un pequeo libro, Qu es la vida?, en el que compatibili-za la evolucin biolgica con la termodinmica y sienta las bases de una interpretacin fsica del cdigo gentico que inspir mucho ms tarde a James Watson, Premio Nobel de Fisiologa y Medicina en 1962, en sus investigaciones sobre los genes y el descubrimiento de la estructura de doble hlice del ADN. Actualmente se piensa que el desarrollo de la fsica en la escala mesoscpica y el de la biologa, son totalmente convergentes y que el edificio terico que los unificar se ir construyendo en este siglo sobre la base de las nanociencias.

A continuacin, el Prof. Briones dedica un subapartado especfico al de-sarrollo de las nanobiociencias: un contexto en el que trabajan fsicos, qumicos, informticos y bilogos a pesar de las dificultades que presen-ta el entendimiento entre disciplinas tradicionalmente tan alejadas. Nue-vas ideas y sorprendentes resultados experimentales van apareciendo aunque todava se est lejos de que pueda lograrse un c

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