Andrés Castellanos, premio nacional de jóvenes investigadores, abre camino a la electrónica sobre papel

El investigador madrileño Andrés Castellanos Gómez, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC), ha sido reconocido como merecedor del Premio Nacional de Investigación para Jóvenes 'Felisa Martín Bravo' en el área de ciencias físicas, de los materiales y de la tierra por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

Castellanos trabaja en el campo de los materiales bidimensionales, explorando "nuevos materiales de espesor atómico y estudia sus propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas con especial interés en la aplicación de estos materiales en dispositivos nanomecánicos y optoelectrónicos", según la comunicación del premio.

¿Qué pasos ha seguido para llegar a este punto?

Pues yo estudié la licenciatura en física en la Universidad Complutense de Madrid. Después hice la tesis doctoral en la Universidad Autónoma de Madrid, en el departamento de Física de Materia Condensada. Con Nicolás Agrait y con Gabino Rubio Bollinger. Cuando terminé mi tesis doctoral, fui a Holanda, a Países Bajos, en la Universidad Tecnológica de Delft, en el Grupo de Jefferson.

Allí estuve casi cuatro años. Dos de ellos, financiado con una beca Marie Curie que ya me permitió hacer, digamos, mi línea de investigación más independiente del Grupo. Como tenía mi propio salario, pagado por ese contrato, y tenía dinero de investigación, podía hacer mis propios trabajos independientemente. Eso fue un boost para mi carrera.

Y después volví a España, aquí, a Madrid, al Instituto de Nanociencia de IMDEA Nanociencia, como investigador, con un contrato que dura en torno a cinco años. Al quinto se hace una evaluación y si se pasa la evaluación positiva se convierte en investigador indefinido. Pero estuve algo menos de dos años porque sacaron plazas de científico titular en el Consejo (CSIC), para el Instituto de Ciencia de Materiales, me presenté y vine aquí en 2017.

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¿En qué consiste el trabajo que está haciendo?

Trabajamos en nuevos materiales semiconductores, con especial enfoque en la nueva optoelectrónica [óptica-electrónica] y, de esos materiales novedosos, nos centramos en una familia en particular que se llaman materiales bidimensionales, o materiales de Van der Waals, que tienen la peculiaridad de que se pueden aislar capas de espesor atómicamente delgadas.

¿Algún material en particular?

Sí. De esa familia de materiales bidimensionales, con el que trabajamos más es el disulfuro de molibdeno, que se saca de un mineral natural llamado molibdenita. Pertenece a la clase que de los dicalcogenuros de metales de transición. Trabajamos mucho con ellos. La molibdenita es el caso más conocido de esa familia. También trabajamos con otros materiales como el fósforo negro y un montón de materiales semiconductores, que lo único que tienen en común es que se pueden aislar, de manera fácil, en capas de espesor atómico.

"La mayor parte de los dispositivos que se están fabricando y se citan en publicaciones científicas utilizan soportes de papel muy sofisticados, extremadamente caros y que no son prácticamente biodegradables".

¿Es algo parecida al grafeno, con otra base mineral?

Completamente cierto. El procedimiento que utilizamos para aislar estas capas atómicamente delgadas de semiconductores se denomina exfoliación micromecánica, o el método de la cinta Scotch, que se dice en los laboratorios: es literalmente exfoliar, o clivar, el material con una cinta adhesiva [pegarla y tirar para arrancar parte] para aislar capas planas y atómicamente delgadas de muy pocos átomos de espesor.

En el laboratorio muestra cómo, al reducir el espesor de la capa ese material cambia sus capacidades para captar distintos espectros de luz. También que es un material que se puede estirar extraordinariamente y que se adhiere fácilmente a superficies lisas, por el efecto Van der Waals ¿Es difícil de encontrar la molibdenita?

Es un material que está democráticamente repartido por todo el globo. Es de fácil extracción y muy abundante. O sea, las minas están repartidas por todo el mundo y además es barato de tratar.

¿Podría sustituir a otras materias primas muy necesarias y más escasas, que suelen encontrarse en países que generan complicaciones geopolíticas?

Eso no es trivial porque, para fabricar, por ejemplo, un transistor de efecto campo, se necesitan muchos otros materiales, algunos de los cuales no es fácil encontrarlos en todo el mundo. Se necesitaría también un material dieléctrico y, de momento, hay pocas alternativas al óxido de hafnio…

Una parte de su investigación se está enfocando en la electrónica de papel. ¿Puede explicarlo un poco?

Desde hace dos o tres años, en el Grupo empezamos a desarrollar esta investigación, para fabricar dispositivos electrónicos utilizando sustratos de papel. Es sobre todo para hacer sensores que tengan muy bajo coste, desde el punto de vista económico, y que sean biodegradables, para que tengan un bajo impacto ambiental.

La idea es que hay ciertas aplicaciones en las que se querría tener un dispositivo de un solo uso, por ejemplo, aplicaciones biomédicas [un termómetro, un pulsómetro…] en las que no se desea una contaminación cruzada entre pacientes. Pero que ese dispositivo de un solo uso no sea muy caro y que, al desecharse el producto electrónico, que tampoco sea un problema para el medioambiente.

La electrónica convencional tiene un grave problema de reciclabilidad. Creo recordar que solo el 15% de los componentes se puede reciclar. El otro 85% van directamente a un vertedero de productos electrónicos. Que son sitios horribles.

Andrés Castellanos, Premio Nacional de Investigación para Jóvenes 'Felisa Martín Bravo'.

¿Es la tinta, que sirve como cableado conductor, la clave de este tipo de electrónica sobre papel?

Eso es. Es nuestra aportación al problema. Hemos visto que la gran mayoría de los dispositivos con electrónica en papel utiliza tintas de semiconductores orgánicos, que tienen un rendimiento electrónico muy bajo y que suelen tener problemas de estabilidad ambiental.

También hay dispositivos en los que se utilizan tintas de plata, o de nanotubos de carbono. Pero había un cierto hueco para explorar cómo se comportan todos estos materiales semiconductores bidimensionales, en los que llevamos trabajando muchos años, al integrarlos en sustratos de papel

¿Y qué han encontrado?

No era trivial, hasta la fecha, integrarlos en un soporte muy complejo si se compara con una oblea de silicio, en la que se fabrican los dispositivos electrónicos convencionales. El reto era encontrar técnicas que permitiesen integrar estos materiales bidimensionales en sustratos [de papel] que son completamente heterogéneos, compuestos de fibras interconectadas, que cambian su volumen cuando cambia ligeramente la humedad ambiental. Como soportes son muy complicados…

Pero en su laboratorio están consiguiendo tintas que funcionan sobre un folio de papel normal, ¿verdad?

Eso es. Uno de los problemas de la electrónica en papel es que hay un sobrevendimiento, o como se diga en castellano. Se están prometiendo electrodos para dispositivos de ultra bajo coste, biodegradables… Pero la realidad es que la mayor parte de los dispositivos que se están fabricando y se citan en publicaciones científicas utilizan soportes de papel muy sofisticados, extremadamente caros y que no son prácticamente biodegradables, porque tienen un recubrimiento en la superficie para mejorar la impresión de esas tintas, en detrimento de la biodegradabilidad.

Nosotros estamos centrándonos en sustratos de papel completamente convencional, papel de oficina, papel de estraza, todo ese tipo de papeles que están muy poco tratados y que son muy biodegradables. Incluso papel higiénico.

[Pulickel Ajayan, el inventor de la batería de papel que quiere manipular los átomos de los materiales cuánticos]

Otro aspecto muy interesante, observado en la visita al laboratorio, es que desarrollan sus propios instrumentos, microscopios adaptados a propósitos específicos. ¿De dónde salen las ideas y cómo se construyen?

Desde un momento temprano de mi carrera, siempre me ha interesado la parte de instrumentación, siempre me ha gustado. Creo que es la diferencia entre hacer o no hacer ciencia relevante. Si no dispones de las herramientas para hacer la ciencia no puedes hacerla, y si tienes exactamente las mismas herramientas que los investigadores de al lado harás exactamente lo mismo que ellos.

Hay que invertir cierto tiempo en desarrollar nuevas técnicas. Y nosotros dedicamos un cierto porcentaje del tiempo a eso. Particularmente yo me he involucrado mucho, porque me gusta. Pero también me ha gustado mucho que en los miembros del equipo de investigación, predoctorales, posdoctorales, siempre he encontrado un apoyo. Siempre se han involucrado mucho.

Y una vez que lo hemos desarrollado [un nuevo instrumento], nos gusta compartirlo con la comunidad. Lo solemos publicar siempre en abierto, dando listado de todos los componentes, dónde se compran, su precio, para que quede claro, y cómo se puede reproducir el montaje experimental del instrumento en otros laboratorios. 

"Si no dispones de las herramientas para hacer la ciencia no puedes hacerla, y si tienes exactamente las mismas que los investigadores de al lado harás lo mismo que ellos".

Desde el punto de vista personal, ¿qué supone este Premio Nacional?

Es difícil de explicar. Por un lado, uno se emociona mucho, sinceramente. Como explicaba mis a mis compañeros del equipo, como adulto no estás acostumbrado a que te digan que has hecho las cosas bien. Una vez que llegas a la edad adulta sólo te dicen cuando haces las cosas mal. Por ese lado, es una sensación muy rara.

Por otro lado, me emociono mucho recordando todos los años anteriores que han llevado hasta este punto. Y todas las personas que han contribuido a ello, los momentos en que uno ha tenido dificultades, la gente que ha estado allí para ayudar: mentores de tesis de postdoctoral, colaboradores…

Al volver a España, estuve unos cuatro años con muy poca financiación y gracias a colaboradores, a mis directores de tesis, fui encontrando apoyo para seguir, sin descolgarme del tema de investigación. Porque ese es el mayor peligro, descolgarse y no ser competitivo nunca más.

Al final tenemos una visión de a dónde queremos ir, lo que queremos hacer, qué problemas queremos resolver. Y todavía no está resuelto, así que también es un poco raro este reconocimiento. Y dices: ya, pero todavía sé dónde quiero seguir yendo.

Desde luego, para investigadores que estamos en un momento intermedio en nuestra carrera es importante, porque si al final nos vemos eclipsados por investigadores mucho más sénior se pierde el aliciente de seguir corriendo esa carrera y seguir empujando.

¿Y cuál es su horizonte para los próximos años?

Empecé esta línea de materiales bidimensionales integrados en papel, porque quiero poco a poco ir dando un enfoque más aplicado a línea de investigación.

Siempre he trabajado en laboratorios y en grupos de investigación que han sido muy fundamentales en los que se estudiaba, digamos, física, muy hardcore. Fenómenos físicos exóticos y este tipo de física muy avanzada. Pero siempre he tenido un espíritu muy aplicado. Ahora mismo estoy en un momento de mi carrera en el que creo que puedo permitirme, poco a poco ir dando ese haciendo esa evolución, con la idea de que lo que hagamos en el laboratorio sea algo mucho más cercano a la industria.

El hecho de elegir electrónica en papel tiene esa vertiente de dispositivos que van a ser mucho más reales, mucho más factibles de escalar, de mucho más bajo coste. Algo que resuena mucho mejor con la industria. Aunque los dispositivos en los que hemos trabajado hasta la fecha, que son de prueba de concepto puro y duro.

¿Se plantea entonces, más adelante, ir hacia el producto, crear su propio producto, sea lo que fuere… patentar tal vez algo?

Sí, completamente sí. Pero la idea es hacer esos pasos de manera ordenada y que vayan en la dirección adecuada y con los tiempos adecuados. Partimos de unas líneas de investigación todavía muy fundamentales. Estamos ahora, poco a poco, yendo hacia investigación más aplicada y creo que cuando llegue el momento va a estar todo lo suficientemente maduro para dar ese paso, para dar ese paso. Y creo que yo también. Poder dar ese salto de decir ahora el reto nuevo va a ser hacer un producto comercial con esto… Pero a más largo plazo.

¿Sin prisa?

Hay que disfrutar de las distintas etapas del camino.