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INNOVACIÓN | 12.08.2021

Mario Lanza: “Los materiales bidimensionales traerán dispositivos que aún no existen”

Marta Villalba

Marta Villalba

Como muchos otros científicos españoles que desarrollan su carrera fuera de España, Mario Lanza salió de su ciudad natal (Barcelona, 1982) para continuar su investigación en otros países, después de graduarse como ingeniero en electrónica en la Universidad Autónoma de Barcelona. Tras pasar por Alemania e Inglaterra, en 2009 recaló en China, donde conoció a su esposa y allí se quedó. Distinguido con numerosos premios, la Universidad de Stanford en Estados Unidos llamó a su puerta y allí trabajó durante un año y medio. Tras ofrecerle la Universidad de Soochow (China) un puesto como profesor y director de un equipo investigador, regresó al gigante asiático. 

Sus descubrimientos en el campo de los materiales bidimensionales aplicados a los circuitos electrónicos le han encumbrado a la élite de la investigación en nanotecnología e inteligencia artificial, como han reflejado las portadas de las revistas científicas más prestigiosas en este ámbito. A raíz de esos resultados pioneros le ofrecieron un puesto imposible de rechazar en Arabia Saudí, para trabajar en la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdalá (KAUST), un sueño para cualquier investigador por la cantidad de recursos que este centro proporciona.

Este país es “un gran desconocido para los europeos”, según Mario Lanza. “La primera impresión de la gente es que venirse aquí es de locos. Hay muchos estereotipos del pasado, pero los países de Oriente Medio se están abriendo a una velocidad grande porque necesitan diversificar la economía y están apareciendo muchas oportunidades laborales”. En esta universidad única, “por sus políticas de inversión y sus laboratorios a la altura de los de Stanford”, y junto con la mitad de su equipo de China, el investigador puede centrarse en la investigación y proseguir con sus experimentos punteros. De hecho, su último hallazgo también es revolucionario: ha desarrollado un avanzado sistema de encriptación utilizando un circuito electrónico de memristores (en vez de los clásicos transistores) de nitruro de boro hexagonal, un material bidimensional con unas propiedades excepcionales.

Este trabajo, publicado en mayo de 2021 en la revista Advanced Materials, permite la generación de claves numéricas con un alto grado de aleatoriedad para métodos seguros de pagos online, conexiones a redes o servicios encriptados en el contexto de lo que se conoce como Internet of Everything (IoE), es decir, la interconexión inteligente de personas, procesos, cosas y datos. Y todo con un consumo de energía muy bajo, lo que lo hace muy atractivo para tecnologías portátiles y autoalimentadas (sin batería).

Los primeros en el camino hacia el futuro de la electrónica

En octubre de 2020, la revista Nature Electronics dedicó su portada a la investigación del grupo de Mario Lanza, pionera en la creación de un nuevo hardware para la implementación de inteligencia artificial. El equipo desarrolló memristores hechos a partir de nitruro de boro hexagonal, con los que emularon una red neuronal artificial para reconocimiento de imágenes.

Esto se traduce en la posibilidad de dotar de inteligencia artificial al hardware de teléfonos u otros dispositivos con mayor eficacia que con los memristores tradicionales. Lo realmente único de este trabajo es que “obtuvimos un rendimiento del 98 %, que en materiales bidimensionales es una barbaridad, no hay nadie ni siquiera que se haya aproximado a ese número. Los circuitos de memristores se pueden agrupar tridimensionalmente y puedes meter muchos más en menos espacio y, además, son mucho más baratos de fabricar”, detalla el ingeniero. El investigador y su equipo han abierto un camino en el que ahora otros investigan, y se han posicionado a la vanguardia en el campo de la nanotecnología. Fueron los primeros y van por delante porque lo han inventado.

Lanza explica que para fabricar un circuito electrónico se necesitan tres tipos de materiales, conductores, semiconductores y aislantes. Y se ha investigado mucho con materiales bidimensionales conductores y semiconductores, pero ha habido bastante menos actividad en el campo de los aislantes, que es precisamente la especialidad del investigador catalán, quien ha centrado sus pruebas en el nitruro de boro hexagonal, “el material bidimensional más aislante”. 

El otro gran logro del grupo que dirige Mario Lanza es su habilidad con una peculiar herramienta (llamada microscopio de fuerzas atómicas con punta conductora), que permite medir las propiedades de los aislantes de una forma única, proporcionando datos de rendimiento y variabilidad de una manera muy precisa.

Mejores teléfonos y ordenadores y dispositivos nunca vistos 

“Los materiales bidimensionales tienen unas propiedades físicas, químicas, electrónicas, mecánicas, ópticas y magnéticas muy superiores a los materiales normales. Por ejemplo, tienen una alta conductividad eléctrica, son muy resistentes mecánicamente, son prácticamente transparentes y conducen el calor muy bien, que es una característica extremadamente importante porque los circuitos y los dispositivos electrónicos cuando fallan lo hacen siempre debido al calor”. Los memristores sirven tanto para almacenar información, como una memoria, como para procesarla, como hacen las redes neuronales artificiales, las puertas lógicas o los generadores de números aleatorios.

Los materiales bidimensionales no existen de forma natural, afirma el profesor, por lo que es necesario realizar un tratamiento para que los átomos adopten esa organización. Actualmente, se están llevando a cabo procesos de síntesis que permitirán la producción industrial de estos materiales, y Europa está a la cabeza, explica. “La industria de los semiconductores ha empezado a instaurar estos materiales en sus procesos de sus laboratorios. Intenta compatibilizarlos con los sistemas de fabricación de los circuitos industriales. Cuando hay cuatro empresas líderes en el sector intentando integrar eso en sus propios procesos de fabricación, entonces tienes una gran certeza de que algo va a pasar, esto lo vamos a ver tarde o temprano como una realidad comercial”.

Los hallazgos del grupo que lidera Mario Lanza permitirán fabricar dispositivos que funcionen mejor, esto es, que consuman menos potencia, sean más rápidos, más ligeros, que tengan una vida útil mayor gracias a esa disipación de calor. Además, “posibilitarán la fabricación de dispositivos que todavía no existen. Por ejemplo, producir circuitos con sensores o dispositivos flexibles y transparentes para integrarlos en la piel con el fin de monitorizar constantes biomédicas o en las lentillas con el fin de procesar imágenes”.

Sobre la evolución de la inteligencia artificial en el campo de la electrónica en el futuro, Mario Lanza tiene claro que va a tener un impacto bestial en todo lo que respecta a tareas de aprendizaje en reconocimiento de imágenes y de sonido y, sobre todo, para el IoE. En el campo de los materiales, la inteligencia artificial se está utilizando para optimizar procesos de síntesis.

Materiales bidimensionales para superar el estancamiento 

En los últimos cincuenta años, la electrónica se ha focalizado en la miniaturización del transistor, cuyas dimensiones se han reducido tanto que “se ha llegado a un límite físico, se va a llegar a la escala atómica, por lo que no se puede reducir más”. Por eso, ahora se está investigando con nuevos materiales (los bidimensionales, que mejoran el rendimiento y el número de aplicaciones) y con componentes como los memristores. Con estas dos vías de investigación, se prevé un incremento de la capacidad de procesamiento y del almacenamiento de la información. “Es un desafío bastante importante, pero no hay otra opción para superar el estancamiento”.

La carrera por lograr ese objetivo está muy reñida entre las tres grandes empresas (y países) que fabrican transistores a gran escala. Estas son TSMC de Taiwán, líder en el mundo y que ha desarrollado los más pequeños y fiables. Le siguen muy cerca Samsung, de Corea, e Intel, de Estados Unidos. “Hay una guerra bestial. Los chinos quieren también fabricar sus propios chips, pero es lo único que por ahora no han sido capaces de copiar y les va a costar muchísimo”.

España está muy bien posicionada en el campo de los materiales bidimensionales, pero se podría hacer muchísimo más, sostiene Mario Lanza. “El nivel de los científicos es muy alto, el problema son los recursos. Si a un investigador no le das recursos, cuesta mucho competir con investigadores de otros países. Y aunque también es verdad que la escasez te agudiza el ingenio, no se puede trabajar así siempre, se necesita más dinero por parte del gobierno”.