El meu diari a l’ICMAB: descobrint els materials que construiran el futur

Com seran les plaques solars d’aquí a vint anys? Amb quins materials funcionaran les bateries del futur? Podrem desenvolupar sensors capaços de detectar fenòmens invisibles de l’univers o identificar malalties molt abans que apareguin els primers símptomes?

Quan vaig començar la meva estada a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), aquestes preguntes em semblaven gairebé de ciència-ficció. Vuit setmanes després, he descobert que formen part del dia a dia dels investigadors i investigadores que treballen en aquest centre i que desgranarem al llarg d’ aquest diari.

L’ICMAB està situat al campus de la Universitat Autònoma de Barcelona, envoltat d’altres centres de referència com l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), el Centre Nacional de Microelectrònica (CNM-CSIC), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) o el sincrotró ALBA. Des del primer moment vaig tenir la sensació d’entrar en un ecosistema científic molt especial, on les fronteres entre disciplines pràcticament desapareixen i les idees circulen constantment entre laboratoris, centres de recerca, tecnologies i persones. Aquí la recerca no pensa en l’any entrant, sinó en les pròximes dècades.

Un institut que també es construeix a partir de les persones

Abans fins i tot d’entrar als laboratoris, vaig descobrir que l’ICMAB també s’explica pels seus passadissos. Cartells que reivindiquen científiques massa temps oblidades, iniciatives per reduir el consum de recursos, seminaris dedicats a la inclusió i perspectiva de gènere, la sostenibilitat o fins i tot mercats d’intercanvi de roba de segona mà formen part del paisatge quotidià del centre. Tot plegat transmet la sensació que aquí la ciència no es viu aïllada del món, sinó plenament connectada amb els reptes socials.

L’ambient és profundament internacional. Un bon exemple és el director del centre, David B. Amabilino. Nascut al Regne Unit, conversa en un català impecable i simbolitza molt bé l’esperit de l’institut: talent que arriba de fora i acaba integrant-se en una comunitat científica oberta al món.

Però si hi ha un detall que resumeix especialment bé la filosofia del centre és un de ben discret. Durant els primers dies em van cridar l’atenció unes petites identificacions grogues que algunes persones portaven penjades i que també apareixien a la porta d’alguns despatxos. Vaig descobrir que identificaven les persones «radar», un seguit de membres de la comunitat formats per detectar possibles conflictes, orientar companys i companyes i garantir que ningú no es quedi sol davant d’un problema.

Pot semblar un gest petit, però diu molt de la manera d’entendre la recerca que hi ha a l’ICMAB. Aquí l’excel·lència científica no depèn només dels resultats, sinó també del benestar de les persones que els fan possibles.

Quatre dècades construint els materials del futur

Una de les converses més especials durant aquestes setmanes va ser amb l’investigador Elies Molins. Ell em va explicar com van ser els inicis de l’Institut, molt abans de la digitalització, quan moltes de les eines que avui semblen imprescindibles encara no existien. Amb recursos limitats però una enorme ambició científica, impulsada per figures com Carles Miravitlles i molts d’ altres, es va començar a construir un projecte que acabaria convertint-se en un referent internacional en la ciència de materials.

Quaranta anys després, aquella aposta pionera s’ha transformat en una comunitat formada per més de 400 professionals que continua fent-se les mateixes preguntes de futur, però amb una capacitat molt més gran per respondre-les. L’energia, l’electrònica o la medicina són només alguns dels àmbits que poden canviar gràcies als materials que avui s’estudien als seus laboratoris. I el meu recorregut va començar amb una pregunta aparentment molt senzilla: com podem aprofitar millor l’energia?

La nova generació d’energia

La resposta la busca Mariano Campoy i el seu grup. Treballen en el desenvolupament d’una nova generació de cèl·lules fotovoltaiques orgàniques, molt més lleugeres, flexibles i adaptables que les plaques convencionals de silici. Aquests dispositius, fabricats amb molècules de carboni, podrien integrar-se en finestres d’edificis, hivernacles agrícoles o fins i tot en estructures destinades a missions espacials. El seu laboratori és capaç de provar centenars de combinacions de materials de manera automatitzada en molt poc temps. Aquest sistema accelera fins a cinquanta vegades la descoberta de nous dispositius respecte als mètodes tradicionals i, a més, consumeix molta menys matèria primera. L’objectiu final és aconseguir una fotovoltaica completament personalitzada: que cada superfície, cada context i cada necessitat disposin del material més adequat.

Però ben aviat vaig entendre que generar energia només és una part de l’equació. Si volem una transició energètica real, també hem de ser capaços d’emmagatzemar-la. I aquest és un repte immens. Les necessitats són molt diferents segons l’aplicació: des de les petites bateries dels telèfons mòbils, amb capacitats d’uns 15 Wh, fins a les dels vehicles elèctrics, que poden superar els 50 kWh, o els enormes sistemes d’emmagatzematge per a la xarxa elèctrica, capaços d’acumular centenars de MWh per garantir el subministrament.

La M. Rosa Palacín i el seu grup treballen precisament en aquest futur. La seva aposta és anar més enllà del liti, el material que domina actualment el mercat, i investigar alternatives molt més abundants i econòmiques com el sodi, el magnesi o el calci. Vaig descobrir que cadascun d’aquests elements planteja reptes completament diferents. El sodi, per exemple, es comporta de manera semblant al liti, però els seus ions són més grans i això obliga a dissenyar materials nous perquè funcionin correctament. El magnesi i el calci, en canvi, poden transportar més càrrega elèctrica, cosa que obre la porta a bateries amb una densitat energètica molt superior. Encara hi ha molts obstacles científics per superar, però la recerca avança cap a bateries més econòmiques, més eficients, més duradores i capaces d’emmagatzemar molta més energia.

Una de les sorpreses més grans va arribar amb el descobriment de què les protagonistes d’una futura revolució energètica podrien ser… unes microalgues. La investigadora Valeria Blanco i el seu equip estudien les diatomees, uns organismes microscòpics capaços de fabricar de manera natural estructures poroses de silici d’una complexitat extraordinària. Aquestes estructures podrien convertir-se en la base de nous materials d’emmagatzematge, els anomenats òxids de silici, amb una gran capacitat i una elevada estabilitat durant els cicles de càrrega i descàrrega. Les algues marines doncs podrien acabar sent un actor important de la transició energètica, qui sap…

Quan els materials transformen la tecnologia

L’energia també necessita nous materials per ser transportada i utilitzada de maneres diferents. Aquí vaig conèixer la recerca que lidera Marta Mas, centrada en l’electrònica orgànica. En lloc de fabricar dispositius amb silici, treballen amb molècules de carboni per crear sensors molt més flexibles, lleugers i adaptables. Les aplicacions poden ser enormes. Aquests dispositius podrien convertir-se en biosensors molt més sensibles que els actuals, capaços de treballar directament amb fluids biològics i oferir diagnòstics ràpids fora dels laboratoris convencionals. És una manera d’acostar la tecnologia al pacient.

Si hi ha una paraula que vaig sentir repetidament durant aquestes setmanes és superconductivitat. Abans d’arribar a l’ICMAB la relacionava amb conceptes molt teòrics, però les seves aplicacions tenen un gran potencial. Els grups de l’Anna Palau, el Joffre Gutiérrez i la Teresa Puig treballen amb superconductors d’alta temperatura, uns materials extraordinaris perquè transporten electricitat sense cap pèrdua d’energia. A diferència dels conductors convencionals, presenten resistència elèctrica nul·la. Durant molts anys això només era possible a temperatures extremadament baixes, prop dels -269 °C. Avui, gràcies als superconductors d’alta temperatura, ja poden funcionar a -196 °C, la temperatura del nitrogen líquid, fet que obre la porta a moltes aplicacions reals.

Les possibilitats són enormes. Aquests materials poden revolucionar la computació quàntica, permetre construir cavitats capaces de detectar la matèria fosca de l’univers o transformar completament les xarxes elèctriques del futur. De fet, ja s’ha demostrat que els cables superconductors poden transportar electricitat sense necessitat de línies d’alta tensió.

Però la conversa sobre superconductors encara em reservava una sorpresa més. Gràcies a la seva capacitat de generar camps magnètics molt intensos, aquests materials podrien convertir-se en una peça clau per fer possible la fusió nuclear.

La fusió consisteix a unir dos nuclis atòmics lleugers, com els isòtops de l’hidrogen deuteri i triti, per formar-ne un de més pesant, alliberant enormes quantitats d’energia. Exactament el mateix procés que alimenta el Sol. Els superconductors permeten generar els camps magnètics necessaris per confinar el plasma imprescindible perquè aquesta reacció sigui possible. Si algun dia aquesta tecnologia arriba a escala comercial, podria proporcionar una font d’energia pràcticament inesgotable, neta i segura.

La natura com a laboratori viu

Seguint la meva visita vaig descobrir que, de vegades, les preguntes més importants s’amaguen en els fenòmens naturals. Molts dels grups de l’ICMAB observen com funciona la natura per entendre-la millor i, alhora, inspirar nous materials i tecnologies.

L’investigador Albert Verdaguer i el seu grup treballen a escala molecular estudiant la interacció entre l’aigua i les superfícies dels materials. El seu objectiu és entendre com es formen els primers cristalls de gel i quins factors fan que l’aigua es congeli. Un dels descobriments més recents del grup apunta a un mineral present a la pols en suspensió de l’atmosfera que és capaç d’augmentar la temperatura a la qual es forma el gel i, alhora, fer-lo més durador. Comprendre aquests mecanismes és essencial per entendre millor l’atmosfera, el cicle de l’aigua i els canvis que experimenta un planeta cada vegada més calent. Va ser una d’aquelles visites que et recorden que, darrere de les preguntes més senzilles, sovint s’amaguen els grans reptes del futur.

Però la natura també ens ensenya que moltes vegades allò més important és invisible. Quan ja pensava que poques coses em podien sorprendre, vaig descobrir que alguns materials no estan pensats ni per generar energia ni crear els microxips del futur, sinó per ajudar-nos a detectar fenòmens que passen desapercebuts.

Martí Gich i el seu grup treballen amb ferrites, uns òxids de ferro amb propietats magnètiques que permeten explorar nous fenòmens físics i desenvolupar dispositius cada vegada més sofisticats. El magnetisme, que per a la majoria de nosaltres és simplement el que fa funcionar un imant de nevera, es converteix al laboratori en una eina extraordinàriament precisa. A partir d’aquesta tecnologia desenvolupen biosensors formats per nanopartícules metàl·liques capaços de detectar contaminants a l’aigua en quantitats minúscules. Molt abans que aquests compostos siguin visibles o arribin a provocar problemes, els sensors ja poden identificar-ne la presència. Vaig entendre que, moltes vegades, prevenir comença simplement per ser capaços de detectar.

Aquesta mateixa idea de mirar els materials d’una altra manera també apareix en la recerca de Concepción Domingo i Ana López-Periago. Per a la majoria de nosaltres, el diòxid de carboni és sinònim d’emissions, contaminació i canvi climàtic. Per a elles, també és una matèria primera. El seu grup treballa amb CO₂ supercrític, un estat especial en què aquest compost es comporta alhora com un gas i com un líquid. Aquestes propietats el converteixen en una alternativa molt més sostenible als dissolvents químics convencionals. Gràcies a aquesta tecnologia és possible fabricar nous nanomaterials, aerogels ultralleugers, estructures poroses per a aplicacions biomèdiques o materials capaços de capturar contaminants. A més, també estudien com transformar el mateix CO₂ en productes útils, com ara el metanol, que pot utilitzar-se com a combustible. És una idea poderosa: deixar de veure el diòxid de carboni exclusivament com un problema i començar a considerar-lo també una oportunitat.

Bacteris al servei de la medicina

A partir d’aquí, el focus es va desplaçar cap a l’àmbit biomèdic, on la recerca de nous materials té un impacte directe en millorar la salut. En aquest context, una de les línies de recerca més sorprenents és la que utilitza materials produïts per alguns bacteris. 

Es tracta de la cel·lulosa bacteriana, una substància natural formada per una xarxa de fibres molt resistents, biodegradables i biocompatibles. És lleugera, flexible, transparent i capaç de retenir grans quantitats d’aigua. El grup Nanoparticles and Nanocomposites estudia aquest material per desenvolupar apòsits avançats que afavoreixin la cicatrització de ferides, sistemes d’alliberament controlat de fàrmacs i aplicacions de medicina regenerativa. Per altra banda, el grup de l’Anna Roig treballa en un innovador tractament per a la sequedat ocular. La idea és crear una mena de «pegat» format per cel·lulosa bacteriana i àcid hialurònic, capaç de mantenir hidratada la superfície de l’ull durant períodes molt més llargs.

Hi ha elements químics que amaguen un potencial extraordinari, i el bor n’és un bon exemple. El grup de la Rosario Núñez fa anys que n’explora les possibilitats i no ha deixat mai de treballar-hi. Avui desenvolupen nous compostos que poden arribar de manera selectiva als tumors, un requisit clau per a la teràpia per captura de neutrons amb bor (BNCT), una estratègia que busca destruir les cèl·lules canceroses amb gran precisió. A més, aquestes mateixes molècules també es poden utilitzar per obtenir imatges de les cèl·lules o per eliminar bacteris mitjançant l’acció de la llum.

Abans que qualsevol d’aquests materials arribi als hospitals, però, cal demostrar que és segur. I aquí vaig conèixer un dels protagonistes més sorprenents de tota la meva estada. Es diu Caenorhabditis elegans. És un petit cuc transparent d’aproximadament un mil·límetre de longitud que s’ha convertit en un dels organismes model més importants de la biologia. La seva transparència permet observar què passa a l’interior del seu organisme en temps real. A més, es reprodueix molt ràpidament i és fàcil de mantenir al laboratori.

L’Anna Laromaine i el seu grup l’utilitzen per estudiar la seguretat dels biomaterials basats en cel·lulosa abans que aquests puguin arribar als pacients. Mai hauria imaginat que un animal tan petit pogués tenir un paper tan rellevant en el desenvolupament de noves teràpies.

La revolució de la nanomedicina

Una de les altres paraules que vaig sentir molt durant aquestes setmanes va ser nanomedicina. El gran repte de la qual és aconseguir que un medicament arribi exactament on ha d’actuar, sense perdre eficàcia durant el trajecte. Al grup Nanomol-bio, que també pertany al Centro de Investigación Biomédica en Red – Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), es el que fan. Un grup format per diferents línies de recerca orientades a dissenyar estructures a escala nanomètrica capaces de protegir, transportar i activar molècules dins de l’organisme. Algunes funcionen com autèntics vehicles moleculars.

Una d’aquestes línies la porta l’Elisabet González. En el seu grup desenvolupen nanovesícules capaces d’encapsular enzims terapèutics i facilitar-ne l’arribada a les cèl·lules diana, una estratègia que podria millorar el tractament de malalties minoritàries com la malaltia de Fabry. Per la seva banda, Mariana Köber i el seu grup investiguen com transportar àcids nucleics, fluoròfors i altres sondes fluorescents que permetin visualitzar processos biològics o detectar biomarcadors de malaltia. La Judit Morlà treballa en el disseny de nanovesícules capaces de sensibilitzar els tumors als tractaments oncològics. 

Mentrestant, en alguns casos, aquestes estructures no només transporten el tractament. El tractament és el mateix nanomaterial. El grup de l’Imma Ratera estudia molècules amb capacitat d’autoorganitzar-se en nanoestructures funcionals, que donen lloc a materials avançats amb aplicacions en l’àmbit hospitalari, com ara recobriments o instrumental mèdic, ja que poden incorporar propietats específiques, com l’activitat antimicrobiana, per contribuir a reduir infeccions i millorar la seguretat sanitària. I el grup de la que Paula Mayorga desenvolupa nanomolècules i nanoenzims capaços de respondre a estímuls externs com la llum. Quan s’activen, generen espècies reactives capaces d’eliminar de manera localitzada cèl·lules tumorals o microorganismes patògens. 

Un mateix objectiu: els materials del futur

Després de visitar desenes de laboratoris vaig adonar-me que, malgrat treballar en camps molt diferents, tots els grups compartien una mateixa manera d’entendre la recerca i un mateix objectiu: dissenyar els materials que faran possible la societat del futur.

Tanmateix, la ciència no la fan només els investigadors principals. Res del que he vist seria possible sense les plataformes científiques, el personal tècnic, els equips d’administració i serveis i tots els estudiants que formen part del dia a dia de l’Institut. Precisament parlant, amb alguns d’aquests estudiants vaig descobrir que molts encara no saben quin serà el seu futur. Altres sí que el tenen clar. Però estic convençuda que tots marxaran amb una cosa en comú: una manera de treballar, de fer-se preguntes i de no conformar-se amb la primera resposta. I aquesta, probablement, és una de les aportacions més valuoses que pot fer un centre de recerca que mira al futur.

Després d’haver conegut el centre des de dins, no em sorprèn que l’ICMAB hagi renovat repetidament l’acreditació Severo Ochoa, el màxim reconeixement a l’excel·lència científica de l’Estat. Durant aquestes setmanes he entès que mantenir aquest nivell no depèn únicament de publicar bons articles científics o de disposar d’equipaments capdavanters. Cal crear un entorn capaç d’atreure talent, fomentar la col·laboració i aconseguir que les persones vulguin quedar-s’hi. I tinc la sensació que aquest és precisament un dels grans punts forts de l’ICMAB.

Quan vaig sortir per última vegada de l’edifici, em vaig aturar uns instants davant de l’entrada. Allà hi ha la representació de l’aerinita, el mineral del qual aquí es va resoldre per primera vegada l’estructura cristal·lina. Pot semblar només una peça simbòlica. Però després de tot el que havia viscut, la vaig mirar d’una altra manera. Representa una fita científica, sí. Però també simbolitza una manera de fer recerca que continua ben viva.

I ja per acabar, durant aquestes vuit setmanes també he pogut veure com el coneixement que neix als laboratoris es transforma en innovació real: noves empreses, patents, spin-offs i tecnologies amb capacitat d’arribar a la societat i generar impacte han nascut al ICMAB. Un bon exemple d’aquest procés també és la distinció TECNIO de la Generalitat atorgada al grup Nanomol-Bio, que reconeix aquelles línies de recerca que fan el pas de la investigació cap a la seva transferència al mercat. Tot i que tots els grups amb els hi he parlat m’han explicat que encara queden reptes importants en el camp de la transferència de tecnologia, m’enduc d’aquesta experiència, la convicció que l’ICMAB té el talent, la creativitat i la comunitat necessaris per continuar convertint les preguntes d’avui en les innovacions de demà.

I jo, des d’ara, les seguiré de ben prop per continuar explicant-les.

A reveure, ICMABers.

Dra. Núria Coll Bonfill, divulgadora científica i directora de 7Ciències