EDITORIAL

Técnicas, materiales y aplicaciones en nanotecnología

En editoriales anteriores nos hemos referido al mesoespacio que existe en el ámbito entre uno y cien nanómetros y en el que rigen las leyes de la mecánica cuántica.
Fue Richard Feynman, premio Nobel de Física en el año 1950, el pionero de la electrodinámica cuántica y Eric Drexler, del Instituto Foresight, el que acuñó los términos de "nanociencia" y "nanotécnica" que implican el manejo y disposición de átomos y moléculas que darán origen a productos más livianos, de una mayor resistencia, más ecológicos y económicos que los actuales.
Las diferencias entre microtécnica y nanotécnica no residen en el tamaño sino en las propiedades físicas que cambian por la relación superficie-volumen del objeto. En este cambio de propiedades es donde se definen las fronteras de la nanotecnología; recordemos que un nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro. Las técnicas que se aplican para obtener el tamaño nanoscópico requieren la partición de objetos de tamaño micrométrico.

Aplicaciones

La más antigua aplicación conocida de la nanotecnología se remonta a la antigua Roma, precisamente el vaso de Licurgo, obtenido por los vidrieros con la antigua fórmula de los fenicios. Fue la pieza más representativa de la bellísima cerámica romana. El mismo estaba cubierto con lo que ahora conocemos como nanopartículas de oro que emitían iridiscencias por el cambio de la luz reflejada al variar su ángulo de incidencia.
Hoy la propiedad de las partículas nanométricas de oro de variar de color por acción de la luz se utiliza en el desarrollo de nuevas tecnologías. Pueden emplearse también nanopartículas de Ag y Pt y de semiconductores como CdSe y CdS. Estos cambios de colores por acción de la luz dependen del tamaño, de la concentración y de la distancia interpartículas que, además, pueden combinarse empleando tioles para lograr híbridos ADN/nanopartículas que poseen propiedades optoelectrónicas (de estructura nanométrica y que cambian de color de acuerdo a la composición química y a la secuencia de los oligonucleótidos).

Aplicaciones biomédicas

Una realidad tangible es la obtención de estructuras nanométricas a través de la división de objetos micrométricos y lo importante es que se haya concretado en distintas aplicaciones.
El encapsulado de diversos fármacos a través de micro y nanoestructuras complejas es un ejemplo de los importantes avances en el tratamiento de la diabetes.
Varias compañías están ya preparando insulina para aplicar por vía pulmonar mediante la inhalación de aerosoles para que llegue a los alvéolos y de allí se difunda al torrente sanguíneo. Pero el éxito de un fármaco requiere no sólo del transporte adecuado de la droga hacia los órganos y tejidos, sino también, del control del tiempo de administración.
En el ámbito gastrointestinal, los cambios de acidez, la acción de enzimas proteolíticas y la presencia de ácidos biliares que disminuyen la tensión superficial, requieren la encapsulación del fármaco; el tamaño de la cápsula deberá ser menor de 400 nanómetros para no alertar al sistema inmunológico.
El tratamiento del cáncer está orientado a la identificación de las células cancerosas empleando cápsulas que encierran radionucleótidos, toxinas y quimioterápicos. Estos actuarán específicamente sobre las mismas porque están recubiertas por anticuerpos monoclonales con una carga apropiada del fármaco para destruir una célula cancerosa. Cada cápsula deberá identificar las células, unirse a ellas, e introducirse y liberar su contenido.
Otra alternativa la constituye el empleo de nanopartículas de vidrio, de 100 nanómetros, recubiertas por una fina lámina de oro sobre la que se adhieren anticuerpos específicos contra la célula cancerosa. Se somete al paciente a la radiación infrarroja (inocua para él) que es absorbida por los átomos de oro, la temperatura superficial de la cápsula aumenta y mata las células cancerosas.
El encapsulado de medicamentos, proteínas, vitaminas, aditivos alimentarios, burbujas de gas, incluso células vivas o material genético es de vital importancia también en el diseño de alimentos que pueden incluir ácidos grasos no saturados; son aplicaciones que cubren el diseño funcional de alimentos.

Nanomateriales

El empleo de nanopartículas de carbono conocidas como fullerenos ha permitido mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de los neumáticos de los automóviles y en la actualidad el empleo de nanomateriales ahorra 1.500 millones de litros de gasolina y emisiones de 5 millones de litros de anhídrido carbónico.
El empleo de materiales cerámicos metálicos semiconductores, polímeros con dimensiones inferiores a los 50 nanometros, es imprescindible y es necesario para la obtención de materiales nanocompuestos, fibras y esferas que incluidas en los compuestos significan menos peso, más resistencia y la incorporación de nuevas propiedades.
Los cambios de las propiedades están vinculados a que al disminuir el tamaño de la partícula hacia el ámbito nano aumenta la relación entre el número de átomos que ocupan su volumen o existe un mayor protagonismo entre las interacciones atómicas de la superficie.

Atomización electrodinámica

La acción de un campo eléctrico sobre la interfase de un líquido fue resaltada en el año 1600 por William Gilbert, cuando relató la formación de meniscos cónicos al acercar un trozo de ámbar electrizado a una pequeña gota de agua. Cuatrocientos años después, Geoffrey I. Taylor, a partir de un balance entre las fuerzas eléctricas, perpendiculares a la superficie del menisco y la presión capilar, explicó la formación de meniscos electrificados cónicos que en su honor se llamaron conos de Gilbert Taylor, o más sintéticamente conos de Taylor.
La técnica de atomización electrodinámica o electrospray se basa en inyectar muy lentamente un líquido conductor a través de una aguja electrificada, modificando el caudal y la diferencia de potencial aplicados a la aguja. Así se produce un menisco electrificado que adquiere la forma de un cono de Taylor estacionario y que a medida que sale origina un spray de gotas cargadas.
La conductividad eléctrica del líquido es una variable que condiciona el diámetro del chorro y el tamaño de las gotas, que varían desde centenares de micrones para líquidos poco conductores hasta pocas decenas de nanómetros para los muy conductores y condiciona también la uniformidad del tamaño de las gotas.
En la actualidad la técnica de electrospray tiene amplias aplicaciones en ingeniería química, agricultura y medicina.
Trabajos recientes han desarrollado las técnicas para obtener la atomización electrodinámica empleando sustancias tensioactivas anfipáticas, así llamadas por poseer una parte hidrófoba y la otra hidrófila que inhiben la coalescencia de las gotas y desempeñan una función puntual en la producción de aerosoles.

Chorros coaxiales electrificados

La aplicación del principio de electrospray ha permitido la inyección de dos líquidos inmiscibles a través de dos agujas electrificadas concéntricas cónicas para formar microgotas encapsuladas. Por ejemplo, si uno de los chorros no es conductor, como el aceite de oliva, se obtiene un conjunto formado por un chorro coaxial de agua cubierto de aceite, el que termina en gotas de agua encapsuladas con aceite.

Cápsulas y esferas huecas

Es posible obtener el spray con una solución acuosa (líquido interior) y el fotopolímero líquido exterior que puede ser sometido a la luz ultravioleta, la que solidifica el fotopolímero exterior obteniendo cápsulas micro y nanométricas.
Si se parte de una dispersión coloidal de nanopartículas sólidas en un líquido, pueden acoplarse en un gel como una estructura sólida formando un gel tridimensional.
También se han podido obtener esferas huecas a partir de la formación de chorros coaxiales electrificados con una disolución de tetraetilo (TEOS) u oligosilano cíclico D3 líquido exterior. Se obtienen cápsulas de óxido de silicio que contienen agua en un ámbito nanométrico. El diámetro esférico es fácilmente controlable regulando el caudal de los líquidos.

Nanotubos y nanofibras

Pueden ser obtenidos por acción de chorros coaxiales electrificados y están relacionados en forma directa con el tiempo de solidificación del fluido y con el tiempo requerido para que el chorro no termine formando gotas.
La técnica de chorros coaxiales ha permitido obtener micro y nanocápsulas, nanofibras compuestas, nanotubos, emulsiones y fluidos complejos de promisorias aplicaciones nanotécnicas.

El carbono fullerénico

El premio Nobel de Química del año 1996 fue asignado a Richard Smalley de la Universidad RICE en EE.UU. por descubrir una molécula formada por 60 átomos de carbono en forma de esfera.
Los primeros domos geodésicos similares a la formación de carbonos unidos fueron diseñados por el arquitecto Buckminsfuller y por su similitud a aquella estructura se la denominó Fullerenos.
Previamente, en 1992, Daniel Ugarte, de la Escuela Politécnica de Lausana, observó que la radiación de electrones dentro de un microscopio electrónico producía fullerenos gigantes dispuestos en capas, como nanocebollas y en el año 1997 los mismos autores propusieron un modelo teórico que ha permitido comprender la formación del grafito cuasi esférico.
Las nanocebollas fullenéricas han permitido el desarrollo de múltiples aplicaciones pues entre las capas es posible almacenar información. La encapsulación de estaño y plomo entre ellas ha permitido aumentar su punto de fusión a 265 ºC y el desarrollo de dispositivos electrónicos a esa temperatura.
Estos estudios y descubrimientos sobre las nanopropiedades de los compuestos del carbono tienen en realidad una historia más profunda, pues en 1960 en la Universidad de Shinshu en Japón, se obtuvieron las primeras imágenes de nanotubos por microscopio electrónico de transmisión y en 1991 Sumio Iijima, en el laboratorio, de investigación de NEC, observó y caracterizó partículas de hollín que estaban constituidas por carbono, regulares y simétricas, de gran longitud que se llamaron nanotubos y aún cuando se han descubierto en cualquier hoguera, existen técnicas diversas para su obtención.
- Arco eléctrico entre electrodos de grafito.
- Pirólisis de hidrocarburo sobre catalizadores metálicos.
- Vaporización de grafito por rayo láser.
- Vaporización de sustratos de carbono por energía solar condensada.
- Electrólisis mediante electrodos de grafito de sales iónicas fundidas.
Los fullerenos son uno de los nanomateriales de más amplia difusión por sus aplicaciones en la industria electrónica y mecánica; por su gran tenacidad son más resistentes y sumamente livianos.
Las propiedades de los nanomateriales y de la nanotecnología para su aplicación y difusión en los campos de la biomedicina, de la industria electrónica y de la mecánica nos permiten vislumbrar una promisoria realidad en las áreas interdisciplinarias de la química, física, biología y medicina.

Dr. Juan M. Castagnino

Director
Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana