TERTULIAS FULBRIGHT «Láminas nanocolumnares, un ejemplo representativo de nanotecnología: cómo se fabrican, cómo las vemos y para qué sirven» por el Dr. José Miguel García-Martín- Presentación y resumen
Publicado el 11 febrero 2026 | Archivado en Comunicacion 2.0, Otras noticias, Tertulias Fulbright | Salir del comentario
En esta charla se presentará la familia de nanomateriales a la que el ponente dedica gran parte de su actividad investigadora: las láminas nanocolumnares. Explicará en lenguaje sencillo cómo se fabrican por un método físico en un solo paso, que en lenguaje técnico se denomina pulverización catódica en incidencia rasante. Este método permite obtener láminas de gran superficie, de varios centímetros cuadrados o más, y ofrece una vía directa a la escalabilidad, mucho más sencilla y barata que los métodos basados en técnicas de nanolitografía. A continuación, se describirán brevemente las nuevas microscopías que se emplean para observarlas: microscopías electrónicas y microscopías de sonda de barrido.
Finalmente, se destacarán diversas aplicaciones en las que estas nanoestructuras desempeñan un papel fundamental, ilustrando cómo sus propiedades singulares las hacen valiosas para dispositivos en diversos campos. En concreto, se presentarán ejemplos en energía (para paneles solares y superficies autolimpiables), en biomedicina (para implantes ortopédicos antibacterianos y para detección de moléculas) e incluso en la industria aeroespacial (para mitigar efectos electromagnéticos indeseables en satélites).
El Dr. José Miguel García-Martín es investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN) en Tres Cantos, Madrid. Es también cofundador de Nanostine, una spinoff especializada en la fabricación de recubrimientos nanoestructurados mediante pulverización catódica. Se doctoró en Física por la Universidad Complutense de Madrid en 1999 y posteriormente realizó una estancia postdoctoral Marie Curie en el Laboratorio de Física del Estado Sólido de la Universidad Paris-Saclay (Francia). En 2003, se incorporó al CSIC, donde estudia nanoestructuras de metales y óxidos metálicos para aplicaciones en tecnologías de la información y la comunicación, energía y biomedicina. José Miguel ha sido investigador visitante Fulbright en dos ocasiones: en 2017 en Northeastern University (Boston, MA) y en 2025 en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, Boulder, CO). Ha coordinado numerosos proyectos internacionales con socios en Estados Unidos, Francia, Grecia, México, Chile, Brasil y Colombia. Cabe destacar que lideró el proyecto Nanoimplant, ganador del Premio IDEA2Madrid en 2014, una iniciativa conjunta del Ayuntamiento de Madrid y el MIT estadounidense. Recibió el Premio 2023 de la Real Sociedad Española de Física (RSEF) y la Fundación BBVA al mejor artículo de divulgación. Actualmente ha sido nombrado Conferenciante Distinguido por el Consejo de Nanotecnología de IEEE. En dicha organización, José Miguel fue presidente de la sección española de la Sociedad de Magnetismo de IEEE y ahora es miembro de su Comité Administrativo. También forma parte del Consejo Asesor del Programa de Ingeniería en Nanotecnología del Tecnológico de Monterrey (México). Es coautor del libro “Las nuevas microscopías. Herramientas para la exploración del nanomundo” (Los Libros de la Catarata. ISBN 978-84-1067-071-6. Madrid, 2024).
RESUMEN DE LA CONFERENCIA
Se puede comenzar por un acertijo: ¿en qué se parecen una salamanquesa, una hoja de loto y las vidrieras de una catedral medieval?
En que las tres cuentan con nanoestructuras que les permiten, respectivamente, caminar por un techo, autolimpiarse o cambiar de color según de dónde venga la luz.
Para explicar fenómenos tan diversos hay que convertirse en un ultra liliputiense y sumergirnos en un universo de escala nanométrica. Para imaginarlo hay que tener en cuenta que un nanómetro es a una naranja lo que esta a la Tierra. A esa escala suceden estas maravillas.
Un nanómetro en escala científica:
Para acercarnos a los nanómetros pasemos por el diámetro de un cabello, 0,1 mm o 100 micrómetros; un glóbulo rojo, 10 micrómetros; las bacterias, 1 micrómetro. Hasta aquí podíamos servirnos de los microscopios ópticos.
Pero, si quisiéramos observar virus (100 nanómetros), una membrana celular (10 nm), la hélice del ADN con un diámetro de 2,4 nm o una molécula de Ibuprofeno de ¡1nm! tendríamos que utilizar un microscopio electrónico (“ilumina” la zona con electrones) o un microscopio de sonda de barrido (“toca” la superficie a estudiar).
Ya sumergidos en la escala nanométrica podemos explicarnos los fenómenos a los que aludía el acertijo:
– la salamanquesa puede ignorar la gravedad porque sus patas terminan en pelos, llamados setas, tan pegajosas que pueden colgarse de cualquier superficie con un solo dedo. Esta adhesión se debe a fuerzas de atracción intermoleculares –fuerzas de van der Waals– muy débiles. Pero cada seta en su extremo se divide en montones de pelos más finos y flexibles, de unos cientos de nanómetros de diámetro, que se ensanchan formando espátulas planas en sus puntas, lo que maximiza la adherencia a la superficie. Actualmente se está investigando en la creación de setas a bases de polímeros capaces de sostener a un robot en el exterior de una nave espacial, a un actor que trepase paredes o neumáticos que se adhieran a la carretera en cualquier situación climática. Por ahora se ha logrado pegar objetos de varios kilos al techo.
– la hoja de loto repele el agua al punto de autolimpiarse. Puede hacerlo porque su hoja no es lisa sino que está cubierta por una microestructura de células revestidas de cristales nanométricos de cera.
Cuando la gota de agua llega a la hoja esta estructura hace que no pierda su forma esférica y la inclinación de la superficie permite que se deslice arrastrando la suciedad. Aquí un vídeo que explica «¿Qué es el efecto loto?».
– las vidrieras de la Catedral de León (siglos XIII – XIV) solo muestran sus magníficos colores al interior de la catedral, cuando son atravesados por la luz. Esto se debe a la presencia de nanopartículas de materiales inorgánicos, como el oro o la plata. Lo mismo ocurre en la Copa de Licurgo que al iluminarla desde el exterior aparece de un tono gris verdoso y al iluminarla desde adentro, de un intenso color rojo.
La enorme importancia de los pigmentos fabricados con componentes inorgánicos es que no pierden propiedades con el tiempo y así hoy disfrutamos del “azul maya” que esta civilización lograba incorporando moléculas orgánicas de índigo en una matriz de arcilla nanoporosa creando una estructura con nanopartículas.
Para profundizar, el artículo de David Erhardt “Materials conservation, not-so-new technology” Nature Materials 2, 509 (2003) resume un simposio realizado en Francia como parte de la Sociedad Europea de Investigación de Materiales.
En los fenómenos descritos las estructuras de nivel nanométrico se manifestaban por sí solas, la ciencia de esas épocas no las explicaban ni eran capaces de crearlas o manipularlas. Hasta el Premio Nobel de Física en 1965, Richard Feynman. En una charla, ya clásica, que dio en 1959 en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física declaró: “Los principios de la Física, hasta donde puedo ver, no se oponen a la posibilidad de manipular las cosas átomo a átomo. No se trata de violar ninguna ley; es algo que, en principio, se puede hacer; pero en la práctica no se ha hecho porque somos demasiados grandes.” Su propuesta de manipular átomos y moléculas individualmente para construir máquinas y dispositivos a escala nanométrica abre la puerta a la nanotecnología.
Aquí se puede leer la charla completa.
Un ejemplo de nanomaterial: láminas nanocolumnares
Las láminas nanocolumnares son estructuras cilíndricas, de escala nanométrica, conectadas por su base. El musgo, por ejemplo, tiene una cubierta cerosa en sus falsas hojas que actúa a nivel nano para retener el agua.
Estas láminas son herramientas fundamentales en la creación de nuevos materiales y dispositivos con funciones específicas en medicina, detección de elementos y electrónica, entre otras disciplinas.
¿Qué herramientas nos abren las puertas del mundo a escala nanométrica (nm)?
Teniendo en cuenta que el límite de resolución de la luz visible es de 200 nm, -no distingue objetos separados por esa distancia o una menor- hubo que cambiar los microscopios ópticos por los electrónicos y, posteriormente, aparecieron los microscopios de sonda.
En una muy somera presentación podemos describirlos así:
– microscopio electrónico de barrido. En lugar de luz arroja un haz muy fino de electrones que recorren la muestra a estudiar punto por punto, de ahí su nombre. Cuando los electrones chocan con la superficie de la muestra, esta suelta sus propios electrones que son recogidos por unos detectores controlados por un ordenador que crea una imagen digital en 3D. Todo este proceso ocurre en el vacío para que nada interfiera entre los electrones y la muestra. Estos microscopios son capaces de mostrarnos un virus.
– microscopio electrónico de transmisión. El haz de electrones, en lugar de barrer la superficie de la muestra, la atraviesa. Los electrones que logran pasar dibujan una imagen de 2 dimensiones en una pantalla. Sirven para ver el interior de la muestra y tienen una resolución mayor que los de barrido, pueden alcanzar aumentos de un millón de veces capaces de mostrarnos partículas de 2 nm o la disposición de los átomos. También requiere de vacío para funcionar y las muestras deben ser de unos pocos nanómetros de espesor.
– microscopio de fuerzas atómicas. Ya no arrojamos luz ni electrones a la muestra sino que la “tocamos” con una sonda de punta tan afilada que es capaz de alcanzar una distancia atómica a la muestra. Como si pudiéramos sentir su superficie a nivel nanométrico.
El escáner piezoeléctrico mueve la punta explorando la superficie de la muestra en los 3 ejes (X, Y, Z) con una precisión nanométrica. Entre la punta y la muestra actúan fuerzas atómicas (como las de Van del Waals, electrostáticas o de repulsión) que mueven la micropalanca. Estos movimientos desvían el rayo láser y son captados por el fotodiodo (sensor de luz). Con estos datos un sistema computarizado crea una imagen topográfica de altísima resolución registrando también propiedades magnéticas, mecánicas y eléctricas. En el recuadro ampliado vemos los átomos de la muestra como círculos naranjas y los rosados ilustran la punta de escala nanométrica interactuando con la superficie.
No es necesario el vacío, funciona en cualquier medio, incluidos los líquidos y no requiere preparación compleja de la muestra ni que su material sea conductor. Es el idóneo para trabajar con muestras biológicas.
García Martín recomienda el libro Las nuevas microscopías de editorial La catarata y el documental 40 años viendo átomos que se puede ver aquí.
Cómo se fabrican las láminas nanocolumnares
Se utiliza la pulverización catódica con magnetrón, un método para recubrir objetos con una lámina muy fina de otro material, como si fuera una pintura nanométrica.
En una cámara de vacío llena de argón se aplica un alto voltaje que convierte los átomos del gas en iones positivos. Una diferencia de potencial dirige estos iones con fuerza para que choquen contra un material (el blanco o target) que libera átomos que van a recubrir otro material (el sustrato), objetivo del procedimiento. Detrás del blanco hay un conjunto de imanes (de ahí el término “magnetrón”) que favorece la ionización y permite trabajar con muy bajas presiones de argón.
Para el desarrollo de nanocolumnas se usa la técnica de deposición en ángulo oblicuo. Consiste en colocar el sustrato en un ángulo superior a 75º con respecto al blanco para que los átomos lleguencon incidencia oblicua. Al comenzar la deposición estos átomos se agrupan sobre la superficie formando núcleos o islas inclinadas. Debido a esta inclinación estos núcleos proyectan una “sombra” que no permite que detrás se depositen nuevos átomos. Los átomos siguientes se depositarán en la punta de estos núcleos formando columnas inclinadas con huecos entre ellas. Si se hace girar el sustrato durante el proceso se pueden obtener formas como hélices, zig zag o columnas verticales.
La pulverización catódica con magnetrón es un procedimiento que requiere un consumo moderado de electricidad, genera problemas mínimos de reciclaje y se adapta fácilmente a áreas grandes.
Para qué sirven las láminas nanocolumnares
– en biomedicina se utilizan como recubrimientos antibacterianos en implantes ortopédicos, lo que reduce significativamente el uso de antibióticos, y para identificar moléculas mediante la técnica SERS.
– en energía y medioambiente se usan en las células solares de perovskita y para crear superficies autolimpiables.
– en la industria aeroespacial para el recubrimiento antimultipactor.
En biomedicina
Uno de los métodos que se utilizan para prevenir las infecciones en los implantes ortopédicos está inspirado en el mecanismo antibacteriano de las alas de la cigarra. Estas alas están recubiertas de nanocolumnas que hacen que la bacteria no se pose en la base sino que quede suspendida en las puntas de estos pilares, entonces actúan las fuerzas de atracción (como las de Van der Waals) atrayendo la membrana de la bacteria hacia los huecos entre las nanocolumnas hasta romperla y matar, así, a la bacteria; lo cual impide, lógicamente, la formación de la película bacteriana que causan las infecciones crónicas (se vuelven resistentes a los tratamientos con antibióticos o a la acción del sistema inmunitario).
De una manera parecida actúa el recubrimiento nanocolumnar en un implante de titanio en un hueso: aunque no mata a las bacterias, sí impide que se adhieran bien a la superficie, de hecho las pocas que lo consiguen no pueden generar biofilm bacteriano. Además, tiene la ventaja agregada de que sí permite la adherencia y la proliferación de los osteoblastos (células óseas), mucho más grandes que las bacterias.
La topografía nanocolumnar imita la estructura del hueso y presenta una superficie mucho mayor que una topografía lisa lo que aumenta la interacción entre las proteínas de la célula y el implante. Esta interacción se traduce en señales para que la célula prolifere y segregue matriz ósea acelerando la integración del implante al hueso.
En definitiva, es una cuestión de tamaño. Utilizar la topografía a nivel nanométrico permite seleccionar qué organismo se ataca y cuál se favorece según su tamaño. En este caso, el tamaño de la bacteria hace que se dificulte mucho su adhesión en la interacción con la superficie nanocolumnar y el tamaño de un osteoblasto hace que tenga más puntos de interacción con esta, favoreciendo su desarrollo.
Un procedimiento agregado que añade efecto bactericida es incorporar nanobarras de telurio a las nanocolumnas de titanio. El telurio actúa químicamente por sus propiedades electrónicas que convierten el oxígeno del medio en moléculas altamente tóxicas (especies reactivas de oxígeno, como el agua oxigenada) que debilitan la membrana externa de la bacteria, bloquean su metabolismo y rompen la cadena de ADN impidiendo su reproducción.
Y no termina aquí la maravilla. Otras nanopartículas pueden transportar antibióticos encapsulados en su superficie. Estas cápsulas (generalmente de proteínas o de polímeros) reaccionan a dos estímulos: luz infrarroja cercana y ultrasonido. Lo que permite que el médico dirija la luz o el ultra sonido a la zona de infección donde se libera el antibiótico que ya no viaja por el torrente sanguíneo afectando a órganos sanos o dañando la microbiota intestinal y es eficaz a una dosis mucho menor. También permite precisión temporal ya que el fármaco no empieza a liberarse cuando entra al cuerpo sino en el instante que la cápsula se destruye.
En la actualidad la sinergia de estas técnicas constituyen nuestra mayor esperanza para luchar contra la resistencia bacteriana.
Otro uso de las láminas nanocolumnares en biomedicina es posibilitar que la espectrografía de Raman nos permita detectar moléculas. La Dispersión Raman Aumentada por Superficie (SERS por sus siglas en inglés) consiste en dirigir un rayo de luz para que interactúe con una molécula. Esta interacción, en la que los fotones ganan o pierden energía, se detecta generando un patrón único para cada molécula, algo así como su huella dactilar, que es debida a las transiciones entre los distintos modos de vibración de esa molécula en particular.
El esquema ilustra cómo el láser excita la muestra y las señales que esta emite son captadas por el detector. Pero, lo que permite la identificación de moléculas a concentraciones bajísimas (en el régimen nanomolar: una parte en mil millones) es el sustrato revestido de láminas nanocolumnares (generalmente de oro o plata). Si no hubiera nanoestructura solo 1 fotón de cada diez millones interactuaría (ganando o perdiendo energía) con la muestra, lo que sería muy difícil de detectar. Con la lámina nanocolumnar se consigue concentrar la luz en unas zonas específicas, llamados hotspots o puntos calientes, lo que hace que aumente la interacción con las moléculas colocadas en ellos y se logra que la señal se amplifique muchísimo (factores multiplicadores de mil millones.)
Las aplicaciones de esta técnica permiten diagnósticos precoces en enfermedades como el cáncer o el Alzheimer, la detección de virus o bacterias sin cultivos largos, entre muchísimas otras.
En energía y medioambiente
Las estructuras nanocolumnares mejoran notablemente la eficiencia de una célula solar de perovskita.
En la imagen se muestra una célula convencional: la luz del sol atraviesa las distintas capas convirtiéndose en electricidad. A la izquierda la perovskita se apoya en una capa compacta de titanio (una superficie lisa). El recuadro ampliado muestra cómo se puede mejorar este dispositivo si se recubre la capa de titanio con nanocristales, transformando la superficie en porosa (completamente infiltrada por la capa de perovskita); lo que permite una mayor interacción entre los electrones de la perovskita y el titanio. Pero, si en lugar de nanocristales depositados en forma aleatoria, se disponen en nanocolumnas las ventajas son varias, entre otras:
– los electrones fluyen por la estructura mucho más fácilmente. Los nanocristales tienen una estructura 3D en la que los electrones tienen que saltar de un cristal a otro encontrando muchas fronteras que actúan como obstáculos. En cambio las nanocolumnas se consideran unidimensionales por lo que solo le deja una ruta posible hacia el electrodo, reduciendo la pérdida de energía.
– las nanocolumnas ayudan a formar una capa de perovskita más compacta, de alta calidad, con granos más grandes y menos defectos (como porosidad indeseada) reduciendo los espacios donde los electrones suelen quedar atrapados.
– mejora la absorción de la luz. Esta estructura de columnas verticales aumenta la superficie de contacto y evita que la luz rebote hacia afuera; la luz choca contra una columna, rebota hacia la siguiente y así hasta ser absorbida.
Las superficies autolimpiables también mejoran con la nanotecnología. Hay dos maneras de conseguir la autolimpieza:
– una química, la fotocatálisis (foto: luz, catálisis: reacción química). Se usa en contextos urbanos o higiene industrial porque limpia la suciedad producida por sustancias orgánicas (como grasas, bacterias, moho). Consiste en integrar un catalizador -generalmente, dióxido de titanio- en la superficie que se quiere tratar. Cuando la luz -rayos UV- impactan en el dióxido de titanio los electrones de este material se desplazan y dejan huecos. Electrones y huecos reaccionan con la humedad y el oxígeno del aire formando moléculas altamente inestables (radicales libres) que rompen los enlaces químicos de la molécula orgánica convirtiéndola en una sustancia simple, como agua, dióxido de carbono y sales minerales. Además, la luz altera las moléculas del dióxido de titanio convirtiéndolo en un material súper hidrofílico: el agua no forma gotas en su superficie sino que pasa como una lámina bajo la suciedad (ya convertida en sustancias simples) y la arrastra, evitando marcas de gotas y chorreones.
Si la superficie de dióxido de titanio se estructura con nanocolumnas su eficacia es diez veces mayor porque:
– hay un aumento masivo de los puntos entre el catalizador, la luz y la suciedad.
– hay mayor absorción y gestión de la luz (explicada en el apartado de células solares).
– las nanocolumnas conducen a los electrones (igual que en el apartado de células solares) evitando que “se pierdan” antes de generar los radicales libres que son los agentes limpiadores.
– otra forma de crear una superficie autolimpiable es convirtiéndola en súper hidrofóbica. Inspirada en la estructura de la hoja de loto, las láminas nanocolumnares impiden que el agua se adhiera a la superficie creando un colchón de aire en la base y minimizando los puntos de contacto ya que permanece en la punta de las columnas. Esto hace que conserve su forma esférica y ruede fácilmente por cualquier plano inclinado,
Se utilizan en paneles solares situados en el desierto, en alas de aviones para prevenir la formación de hielo, textiles impermeables o resistentes a manchas…
En la industria aeroespacial
En las condiciones de vacío en las que opera un satélite hay un riesgo muy grande que se llama efecto multipactor, capaz de generar una cascada de electrones -a partir de uno solo- que pueden destruir su equipo de comunicación convirtiendo el satélite en chatarra espacial. Si un electrón externo aparece en el campo eléctrico de la radiofrecuencia queda atrapado y es empujado a chocar contra las paredes del componente (filtros o guías de onda) liberando, en cada choque, uno o más electrones del material que a su vez también chocan contra las paredes y liberan electrones. Lo que crea una nube de electrones moviéndose con gran energía que interrumpe las señales del satélite y puede destruir el equipo. A esta avalancha de electrones se la llama efecto multipactor. Esto ocurre cuando los componentes están hechos con paredes de superficie lisa.
Pero si esas paredes se recubren de una superficie nanocolumnar, se impide ese efecto. Cuando un electrón choca contra la pared del componente, queda atrapado en los espacios entre las nanocolumnas y llega a la base de la nanoestructura donde rebota entre las columnas hasta agotar su energía. Los electrones que libera en el fondo son de baja energía que pierden rápidamente al chocar con las columnas y quedan atrapados en la nanoestructura para luego ser absorbidos por el material. En este campo las láminas nanocolumnares se fabrican de columnas de plata recubiertas de oro para que no se oxiden.
El doctor García Martín ha creado junto a otros científicos Nanostine, una empresa derivada del CSIC dedicada a la investigación, desarrollo y comercialización de nanopartículas de alto valor añadido y recubrimientos nanoestructurados con nanocolumnas y/o nanopartículas.
Texto Carla Padín
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