NANOTECNOLOGIA Y ARQUITECTURA

Arquitecto Ernesto Ocampo Ruiz*

La arquitectura del siglo xx posee diversas características que la hacen distinguible de las creaciones arquitectónicas realizadas en el renacimiento florentino, en el gótico inglés o en el antiguo Egipto. Cualquier persona podría deducir el origen de tal o cual arquitectura dependiendo de la construcción que observe.

Un observador de la arquitectura puede identificar el origen del edificio en cuestión percibiendo, consciente o inconscientemente, las características formales y funcionales que detenta. Villagrán1 afirmaba que los estilos y tendencias acontecidos en la historia de la arquitectura, las formas arquitectónicas construidas resultantes, eran producto de dos factores fundamentales: su habitabilidad (fin causal) y el espacio (materia prima arquitectónica), los cuales no podrían materializarse sin la utilización de un procedimiento específico llamado Composición Espacio Edificatoria. En la historia de la humanidad, el fin causal siempre ha sido el mismo, pero ha cambiado la forma de interpretación del espacio y su procedimiento específico de creación. En un edificio histórico determinado, el grado y tipo de habitabilidad están definidos fundamentalmente por el contexto histórico-social de la cultura a la que pertenece. De esta forma podemos comprender la existencia de los salones de baile de los palacios franceses del siglo xvii, o la verticalidad del espacio interno de una catedral gótica. Los espacios resultantes en ambos ejemplos son singularmente identificables, pero ninguno de ellos podría haberse realizado sin un proceso específico de creación que le diera forma y funcionalidad.

En la historia de la arquitectura, los procedimientos constructivos y los materiales de construcción han determinado en mucho las características formales y funcionales resultantes de cada edificio. Los sistemas constructivos descubiertos y los materiales disponibles en cada región y época influyeron en las soluciones ofrecidas en cada tendencia o estilo. Los griegos hicieron del mármol blanco su material predilecto y crearon procesos constructivos para explotarlo. Los romanos necesitaron una rápida expansión de su cultura a lo largo de su imperio, e inventaron el concreto para producir múltiples templos rápidamente. Nuestro siglo se ha distinguido con creaciones arquitectónicas ideadas con materiales que en su mayor parte se han desarrollado y descubierto en los últimos doscientos años. En la actualidad, estos materiales han sido ya explotados al máximo mediante la creación de innumerables procedimientos edificatorios que fueron inventados por sus constructores y han permitido generar las formas singulares que distinguen a la arquitectura del siglo xxi.

José Villagrán mencionó, acertadamente en su momento, que el encontrar un nuevo procedimiento constructivo o descubrir un nuevo material, modificaría definitivamente todo concepto formal o funcional de un espacio, e inclusive, dependiendo del hallazgo, de nuestra definición general de arquitectura. En un momento determinado, toda arquitectura concebible se vería influida por el descubrimiento de un nuevo y extraordinario material. Al analizar lo anterior, descubrimos en Villagrán a un visionario, que con su interpretación personal de la arquitectura nos ha acercado a la comprensión de una realidad palpable próxima a ocurrir en el siguiente milenio.

Nuevas ideas, nuevas tecnologías

Nuestro siglo se ha caracterizado por el amplio desarrollo de la ciencia, ocasionado fundamentalmente por los grandes y maravillosos descubrimientos efectuados sobre el universo. El descubrimiento de lo más pequeño y lo increíblemente majestuoso, ha permitido definir los postulados que rigen nuestra ciencia, permitiéndonos comprender nuestro entorno y a nosotros mismos. El impactante encuentro del hombre con la inmensidad del cosmos y su íntimo acercamiento a los secretos de la materia, han modificado su propia conciencia y sus relaciones con su comunidad.

En cuanto a materiales se refiere, las personas del siglo xix difícilmente entendían las razones de por qué un sólido era sólido o de por qué el sol y las estrellas brillaban. Los científicos no conocían las bases y leyes que rigen el comportamiento de la materia. En el siglo xx, nuestra ciencia ha descubierto el átomo y sus moléculas, cuyo comportamiento conocemos y predecimos hoy con la ayuda de herramientas comúnmente entendidas y utilizadas, tales como la física, la química, las matemáticas, la mecánica cuántica, la biología y la relatividad.

La ciencia ha producido tecnología basada en sus ideas, teorías y leyes fundamentales. Los diseñadores de estas tecnologías, generalmente ingenieros, se basan en el conocimiento producido por los científicos. Éstos por su parte, utilizan las herramientas creadas por tales diseñadores para seguir investigando. Existe en nuestra cultura una estrecha e íntima colaboración e interdependencia entre la ciencia y la tecnología.2 Tanto la primera como la segunda utilizan los mismos principios de trabajo: ambas laboran con descripciones matemáticas, llamadas modelos, de las leyes naturales y comprueban sus hipótesis con la experimentación directa. Debido a ello, a menudo las personas confunden la evolución de la tecnología con la de la ciencia. Es casi imposible predecir el surgimiento de un conocimiento científico; sin embargo, el desarrollo de la tecnología puede ser predicho basándose en las mismas leyes fundamentales que la ciencia ha descubierto. El enfoque prospectivo es el motor de diseño de toda tecnología, que permite a sus diseñadores prever y proyectar nuevos desarrollos, siempre basados en las capacidades y hechos presentes.

Actualmente existen ciertas tecnologías novedosas que están moldeando definitivamente nuestra concepción del futuro probable de la humanidad, un futuro que afecta todas las áreas del conocimiento, incluido nuestro campo de trabajo: la arquitectura. Las tecnologías que afectan nuestra disciplina están íntimamente ligadas con el dominio de la materia que los científicos nos han proporcionado con sus descubrimientos. Las nuevas tecnologías permitirán a la arquitectura contar con increíbles herramientas y materiales para conseguir su fin causal en el próximo milenio.

Dos mentes y una misma visión del futuro

En el campo de la física moderna, dos personalidades se han distinguido por ofrecer la visión del futuro que rige actualmente las condiciones y objetivos de la investigación de materiales. Uno es el físico Richard P. Feynman, el otro es el físico teórico Freeman J. Dyson. Ambos han hecho aportaciones importantes al acervo de conocimientos de la humanidad. Por ejemplo, Fynman obtuvo el premio Nobel de Física en 1965, por su investigación en la electrodinámica cuántica que contribuyó al entendimiento de las partículas elementales dentro del campo de la física de alta energía. Por otro lado, Dyson publicó en 1979 su reconocida teoría que trata sobre el deterioro de la materia ordinaria en un universo cuya característica principal fuera una continua y permanente expansión. Sin embargo, en el campo que nos ocupa, la creación de nuevos e increíbles materiales, los dos mostraron en su momento una concepción visionaria del futuro.

El 29 de diciembre de 1959, Richard P. Feynman presentó una ponencia en la reunión anual de la American Physical Society en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), donde él trabajaba como investigador. El texto íntegro de la conferencia estaba destinado a explicar los problemas y ventajas de manipular y controlar los objetos de la naturaleza a escalas microscópicas. En primera instancia, habló de escribir con átomos todas las páginas de la famosa Enciclopedia Brittanica sobre la cabeza de un alfiler. Señaló la necesidad de que los microscopios existentes en aquella época fueran mejorados para observar objetos con amplificaciones cien veces mayores. Comparó la información almacenada en una helicoide de adn con la incipiente información manejada por las computadoras de su época, planteando la necesidad y las posibilidades de la miniaturización electrónica Habló de procesos industriales de evaporación de sólidos para generar nuevos tipos de materiales. Mencionó la consideración de construir átomo por átomo maquinaria microscópica para cumplir con funciones predeterminadas. Lo más importante de su ponencia fue la afirmación de que en la medida en que el ser humano tuviese el control de la disposición de las moléculas y sus átomos, se podrían crear nuevos materiales con propiedades inimaginables en aquel momento. Al final instituyó dos premios, aún vigentes, con un fondo permanente financiado por él mismo, para reconocer cualquier intento de miniaturización en las escalas que él había planteado.

El 16 de mayo de 1972, Freeman J. Dyson fue invitado a impartir una conferencia en honor del escritor J. D. Bernal3 en al Birbeck College, de Londres, cuando era investigador del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en Nueva Jersey. En esta conferencia elogió la visión de Bernal y lo comparó con Verne en lo que respecta a muchos acontecimientos tecnológicos que han tenido lugar en el presente siglo. Sin embargo, la esencia de su conferencia fue el tratar los tres caminos posibles que podría seguir en el futuro la naciente tecnología biológica, según su punto de vista personal. El primer camino que mencionó fue la factibilidad de lo que llamó cirugía genética, procedimiento por el cual los biólogos serían capaces de modificar, injertar o extirpar secuencias de adn a seres vivos para recomponer o aliviar su estructura física. Al segundo camino lo llamó ingeniería biológica, y consistía en utilizar microorganismos vivos rediseñados genéticamente para extraer minerales y producir materiales mediante el proceso de la fermentación común. El tercer y último camino que expuso fue la maquinaria autorreproductora, que consistía en la imitación de la función y reproducción de un organismo vivo con materiales no vivientes a cualquier escala.

Tanto Feynman como Dyson, por sus creativas aportaciones y sus conceptos basados en hechos y conocimientos totalmente científicos, son considerados actualmente los padres de la llamada nanotecnología. Con este término se designa un amplio conjunto de tecnologías novedosas en las cuales los materiales y objetos son fabricados con dimensiones ubicadas entre un micrómetro y un manómetro de longitud o diámetro.4 Su visión temprana conjunta del futuro de la tecnología molecular y biológica abrió esperanzas desbordadas en las comunidades científicas del mundo, respecto a la transformación futura de la industria, la investigación de materiales, la conservación de la ecología terrestre, el desarrollo de la cibernética y la exploración espacial.

Los alcances de la nanotecnología

Según la opinión general de la comunidad científica mundial, el surgimiento de la nanotecnología determinó un parteaguas histórico en el desarrollo tecnológico de la humanidad. Antes de la nanotecnología, el hombre ha sido capaz de crear herramientas y objetos bajo sistemas constructivos industrializados modificando porciones de materiales que contienen miles de millones de átomos. A esta tecnología se le ha llamado tecnología masiva, y nos ha permitido evolucionar desde las herramientas labradas de piedra hasta la creación de los microcircuitos integrados. La nanotecnología permitirá manejar átomos y moléculas con absoluta precisión para construir estructuras microscópicas con especificaciones atómicas sumamente complejas y caprichosas. Es por ello que a la nanotecnología se la conoce con el nombre de tecnología molecular. La nanotecnología cambiará seguramente la forma en que el hombre ve su mundo, y lo hará de tantas y tan variadas formas insospechadas que sería prácticamente imposible imaginarlas.

Actualmente, y entendida como un conjunto de novedosas tecnologías, la nanotecnología es famosa fundamentalmente por dos de sus tendencias principales: la nanoestructuración de materiales y la creación de nanosistemas. Por un lado, la nanoestructuración es producto de investigaciones en los procesos industriales que han conducido a una serie de nuevos materiales cuyas propiedades y características básicas pueden ser prediseñadas antes de su creación. Los materiales resultantes han demostrado romper con nuestra comprensión general del comportamiento de los materiales convencionales. Por otro lado, los nanosistemas pretenden generar nanomáquinas que permitan realizar funciones de computación, fabricación, cirugía, exploración o protección, entre otras tantas metas fijadas. La idea principal de los nanosistemas es utilizar los átomos como componentes elementales de un gran rompecabezas cibernético. Para los arquitectos, ambas disciplinas ofrecen descubrimientos y conocimientos prácticos que podremos aprovechar inmediatamente en el siglo xxi para construir edificios habitables con materiales novedosos, cuyas apariencias y propiedades no podrían comprender actualmente nuestros propios padres.

La nanotecnología es, sin lugar a dudas, de vital importancia para la investigación de materiales en el nivel mundial, por lo que, tanto en el presente como en el futuro, para la industria de la construcción se convierte en una tecnología fundamental.

Los materiales nanoestructurados

Richard W. Siegel es uno de los pioneros mundiales en la investigación, fabricación y promoción de los materiales nanoestructurados. Físico de profesión, posee un doctorado en metalurgia que le ha permitido profundizar en la investigación de nuevos procesos prácticos de fabricación de materiales. En el año 1985 comenzó su experimentación en el campo de la nanoestructuración dentro de las instalaciones del Laboratorio Nacional de Argonne. Debido al éxito que obtuvo en su trabajo, decidió explotar comercialmente sus descubrimientos con la creación de una empresa que llamó Nanophase Technologies Corporation, la cual es actualmente líder mundial en el campo de la industrialización y comercialización de los materiales nanoestructurados.

¿Qué diferencia existe entre un material común y uno nanoestructurado? Si comparamos dos pedazos de materiales con un volumen idéntico, por ejemplo, dos cubos sólidos de cobre de un centímetro cúbico, la diferencia estriba en que en el interior del pedazo de material común, sus moléculas están organizadas en granos con poblaciones típicas de miles de millones de átomos, cuya dimensión granular oscila entre micrómetros y milímetros de diámetro. En el pedazo del material nanoestructurado, los granos moleculares tienen un tamaño máximo de 100 nanómetros de diámetro y tienen poblaciones granulares menores a decenas de miles de átomos. Dicho de otra forma, los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los de un material común, y además, dentro del mismo volumen poseen el 0.001 por ciento de átomos. Lo anterior significa un ahorro increíble de materia dentro de cada pedazo de material nanoestructurado y, como consecuencia, una ligereza en peso que puede llegar a ser mil veces mayor que lo normal. Esta distinción física permite también obtener prioridades y características nuevas, singulares y asombrosas que nunca antes han sido vistas en los materiales comunes.

La explicación del éxito obtenido por Siegel5 radica en el descubrimiento de un proceso práctico y económico para crear materiales nanoestructurados en cantidades industriales, al cual ha llamado y patentado como Síntesis Física de Vapor6. El proceso expone un material común a temperaturas superiores a su punto de fundición, propiciando una evaporación superficial de átomos -dentro de una atmósfera constituida por un gas especial- que son capturados en forma de cristales mediante un colector enfriado a bajas temperaturas. Los cristales restantes son retirados del tubo colector y prensados para moldear cualquier tipo de objeto. Lo más importante de este proceso es que mediante el control del ritmo de evaporación, la determinación del tipo correcto de gas y el manejo adecuado de su presión atmosférica, se puede modificar la resistencia a la fractura, la plasticidad, la elasticidad, el color, la transparencia, la resistencia a la corrosión, la reacción química, el comportamiento eléctrico y magnético, y la resistencia térmica y acústica de cualquier material nanoestructurado.

¿Qué tipos de materiales comunes son susceptibles de ser nanoestructurados mediante este proceso? En realidad, todo tipo de sólido conocido puede ser aprovechado para crear estos nuevos materiales. Los cuatro grupos de sólidos presentes en la naturaleza, llamados metales, cerámicas, semiconductores y polímeros, están siendo tratados según este proceso. Debemos recordar que los cuatro tipos mencionados son los materiales constructivos básicos utilizados en la arquitectura moderna.

¿Qué resultados importantes se han obtenido? Existen actualmente metales cuya resistencia es cinco veces mayor que la de sus contrapartes naturales. Se encontraron cerámicas que nunca se fracturan, sólo de deforman. Hay materiales que cambian de color dependiendo del espectro de luz que se aplique a su superficie, y que se vuelven en algunos casos totalmente transparentes. Se han construido semiconductores 300 veces más eficientes que los utilizados en la electrónica convencional. Existen cerámicas que resisten altas temperaturas y atmósferas sumamente corrosivas. La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales.7 Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

El arribo de los nanosistemas

En el mundo científico se le reconoce a K. Eric Drexler, ingeniero de profesión, graduado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, el impulso que los nanosistemas han tenido en su desarrollo. A sus 42 años, ha escrito dos libros que han sido influyentes y proféticos en el desarrollo de la nanotecnología y los nanosistemas en general. El primero es Engines of the creation, donde previene a la comunidad científica sobre el futuro de la ciencia y la tecnología con la aparición de la nanotecnología. En ese libro comparte sus conceptos fundamentales y define los nanosistemas como cualquier sistema nanométrico conformado por átomos individuales ensamblados uno por uno a la vez, armados y conectados para alterar, transmitir y dirigir fuerzas aplicadas directas de una manera predeterminada para cumplir con un objetivo específico. El libro profundiza en los posibles peligros y beneficios de los nanosistemas en el futuro de la humanidad. En el segundo libro, titulado Nanosystems: molecular machinery, manufacturing, and computation, es donde Drexler plasma las conclusiones y resultados científicos sobre la experimentación de nanosistemas en una trayectoria de trabajo personal en el tema que abarca más de 15 años de esfuerzo. Siendo éste un libro más técnico que el anterior -que era de carácter más filosófico-, la publicación muestra ejemplos y diseños creados por Drexler sobre maquinarias moleculares totalmente factibles. Ambos libros han causado polémicas encontradas en el mundo científico, a veces demasiado extremas, pero en ningún momento se le niega su visionaria aportación.

¿Para qué sirven los nanosistemas? Los nanosistemas permitirán crear maquinaria molecular que funcione con nanocomputadoras altamente potentes para cumplir con misiones específicas preprogramadas. K. Eric Drexler llama a esas maquinarias nanomáquinas. Él explica que el ser humano debe crear dos tipos de nanomáquinas: el primer tipo es llamado "ensambladores" y el segundo, "desarmadores". Los ensambladores y los desarmadores son las herramientas básicas que el científico debe crear si quiere trabajar con absoluto control a escalas nanométricas, puesto que es físicamente imposible concebir otro tipo de herramienta útil en esos niveles. Un ensamblador se parece mucho a una nanomáquina natural que todos poseemos dentro del núcleo de nuestras células: la molécula de enzima llamada polimerasa. La función principal de la enzima es supervisar la rotura de los enlaces químicos de los nucleótidos de la helicoide doble del adn, previa a la reproducción de la misma. La polimerasa destornilla la molécula y la reconstruye obteniendo bloques de adenina, timina, guanina y citosina (nucleótidos) en el núcleo de la célula, para ubicarlos en la doble helicoide. Cuando uno de los nucleótidos que van a unirse no concuerda con su compañero, la polimerasa del adn lo aparta, haciendo una "corrección de pruebas". Un error en la corrección de pruebas puede ocasionar una mutación, porque las instrucciones genéticas han cambiado. Aquí, la polimerasa ocupa las funciones de un "desarmador". La polimerasa del ser humano es capaz de unir unas cuantas docenas de nucleótidos por segundo. En un momento dado, pueden estar trabajando en una doble helicoide más de diez mil polimerasas.

Drexler, que actualmente es patrocinado por Xerox y ha fundado el Instituto Foresight, define dentro de la nanotecnología dos generaciones de nanosistemas por desarrollar. La primera generación ya está siendo creada a través de la ingeniería genética, puesto que se han realizado experimentos exitosos en la creación de sustancias, mediante el proceso natural de fermentación, generado por bacterias rediseñadas genéticamente. Cabe citar ejemplos realizados en el área del biomimetismo en la investigación de materiales,8 donde se ha obtenido seda de araña sintética a partir de la modificación genética de una bacteria normalmente dañina al ser humano llamada Escherichia Coli.9 Estas bacterias rediseñadas son nanomaquinarias que nos permitirán crear, en el futuro, directamente nanomáquinas construidas átomo por átomo bajo especificación. Estas últimas serán la segunda generación de nanosistemas. Para Drexler, una vez que exista la segunda generación de nanomaquinarias, se podrán construir nanocomputadoras, nanorrobots, nanomotores, nanoengranes y materiales nanoestructurados ultrarresistentes, que actualmente sólo existen en la memoria de un archivo de disco, guardado y diseñado en una computadora con sistemas cad y de realidad virtual.

Hasta el momento, los nanosistemas sólo han tenido pequeños logros mediante el empleo de un determinado tipo de microscopio electrónico que permite mover átomo por átomo. El sueño de Richard P. Feynman ya ha sido realizado, escribiendo no la Enciclopedia Brittanica sino un cuento llamado "A tale of two cities", con 25 mil átomos acomodados formando letras legibles.10

Lo que la arquitectura puede encontrar en la nanotecnología

Imaginemos por un momento las consecuencias de los conceptos y descubrimientos expuestos aquí en relación con la nanotecnología. Pensemos por un instante en las implicaciones que los nuevos materiales descubiertos pueden tener en la concepción del espacio arquitectónico. Recordemos las ideas de Villagrán, de Feynman y de Dyson, meditando la posible forma de los futuros edificios y de nuestras ciudades. Veamos el futuro con un enfoque similar al de los afortunados ojos de Verne o de Bernal. Tratemos de ponernos en los zapatos de Siegel o de Drexler. Pensemos, por un pequeño instante, en dónde utilizaremos la nanotecnología para crear arquitectura.

Sólo viendo el futuro prospectivamente11 con un poco de objetividad, y cantidades enormes de esperanza, podremos pensar en maravillosas e insólitas soluciones constructivas. En un futuro inmediato, podríamos concebir edificios cinco veces más altos que soportaran cargas cinco veces mayores, cuyas secciones estructurales fueran más esbeltas, y que ante un sismo no se fracturaran. Imaginaríamos edificios cuyas paredes y pisos cambiaran de color conforme la luz del sol cambiara de tono. Pensaríamos entonces en muros divisorios que fueran transparentes en el día, y opacos en la noche. Veríamos casas de dos pisos, fácilmente remolcadas por un pequeño vehículo, para cambiar de ubicación. Encontraríamos en cualquier supermercado grandes componentes estructurales, a precios económicos, suficientemente ligeros para que un niño de cuatro años los pudiera cargar.

Tal vez veríamos ciudades con menos contaminantes, al producir la industria de la construcción menos desperdicio. Conviviríamos con nanomáquinas que harían constante limpieza de nuestro suelo y nuestros mares, y que fomentarían su enriquecimiento. Conoceríamos fábricas de materiales cuyos obreros serían pequeñas nanomáquinas con controles de calidad superiores a los actuales procesos productivos.Compraríamos a precios ínfimos computadoras miles de veces más potentes para diseñar nuestros proyectos arquitectónicos, y las podríamos guardar y cargar diariamente en la bolsa de la camisa.

Pienso que, en la medida en que el arquitecto se adentre en la investigación de materiales y, en especial, se interese por la nanotecnología, estaremos creando un nuevo y muy diferente concepto de arquitectura. En ese momento, estoy seguro, la expresión bivalente forma-función, de la cual nos habla Villagrán, nos mostraría distintos y sorprendentes resultados. Pero lo que puede ser aún más importante es que romperíamos co esquemas y materiales, ya obsoletos, que hemos utilizado durante más de cinco mil años. Tal vez, por mencionar algún ejemplo, el peligroso cristal desaparezca al fin de las ventanas, para ser sustituido por un metal o una cerámica transparente e irrompible. La nanotecnología y la arquitectura son interdependientes y combinables. La nanotecnología ofrece soluciones prácticas y palpables a corto, mediano y largo plazo. La construcción del siglo xxi está en nuestras manos, en nuestra capacidad de asimilar y responder a los nuevos cambios mencionados. No abandonemos el intento de comprenderlos e integrarlos. Busquemos especializarnos en la investigación de estos nuevos materiales. Tratemos de aplicarlos y no permitamos que otros lo hagan por el arquitecto. Vayamos a la vanguardia y no dejemos escapar esta oportunidad.

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