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Nanotecnología: Cecilia Draghi: cdraghi@de.fcen.uba.ar
LA GRANDEZA DE LO PEQUEÑO
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en la Revista EXACTAmente, n.º 39, junio 2008, para su difusión a través de FABA Informa
En el mundo ya se dispone de unos 600 productos nanotecnológicos, desde medicamentos hasta juguetes antibacterianos. En la Argentina, entre otros proyectos, se trabaja en procesos para capturar contaminantes, envases inteligentes biodegradables y telas con nanopartículas de plata que inhiben el crecimiento de bacterias y hongos. Sin embargo, son muchos los problemas aún no resueltos.

Nanobalas medicinales que apuntan certeramente al tumor sin destruir células sanas. Nanotubos de carbono, el material más rígido sobre la tierra que, dispuesto en un chaleco antibalas, impide que el disparo llegue al blanco. Nanoesponjas que permiten detectar tóxicos y aniquilarlos al ser expuestos a la luz. Nanopartículas que inhiben el crecimiento de hongos o bacterias y sirven para desarrollar telas para quemados, sin riesgo de infecciones. Éstas son sólo algunas de las posibilidades o promesas del diminuto mundo nano, en el que se invierte a lo grande. ¿Un ejemplo? El Nanoscience and Nanotechnology Initiative, un emprendimiento creado en Estados Unidos por Bill
Clinton, estima una inversión de un billón de dólares para el 2015.
“La nanotecnología es invasiva en todas las áreas: salud, energía, materiales, electrónica... En todo lo que se pueda imaginar, habrá una aplicación de la nanotecnología, porque es una forma de pensar la naturaleza en pequeña escala”, destaca el doctor Ernesto Calvo, especialista en electroquímica molecular e investigador
principal del Conicet en el Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE) de la FCEyN.
Por su parte, en la misma institución, la profesora Sara Aldabe-Bilmes sostiene: “Mi impresión es que la nanociencia y la nanotecnología tienen cierta similitud con el boom de la física del sólido o de la física nuclear en los 50-60, que generaron un cambio tecnológico pero no un cambio conceptual. Pero, por ahora, está muy por detrás del salto que representan la biología molecular o la informática.
Desde la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA-Constituyentes), el doctor Galo Soler Illía avizora que en el futuro nada será igual. ¨Dado que la nanotecnología permite el control sobre la materia a una escala que antes era impensable, la promesa es que vamos a cambiar la civilización. Es una de las grandes revoluciones¨, enfatiza.
Pensar a lo grande en dimensiones mínimas. Basta imaginar un milímetro, dividirlo en un millón de partes iguales, y tomar una de ellas: un nanómetro, es decir la millonésima parte de un milímetro. Ésta es la unidad de medida en que se mueve este diminuto escenario, que puede ser cubierto con holgura por un solo cabello, con su grosor de 80 mil manómetros. Este minúsculo nanocosmos no deja de maravillar a los científicos, no sólo por sus posibles y siderales repercusiones en la vida cotidiana, sino porque es un universo nuevo a explorar. ¨El mundo en nanoescala se comporta siguiendo leyes que se conocen desde hace casi 80 años, pero sólo en los últimos 20 años fue posible desarrollar herramientas para estudiarlo¨, historia del doctor Calvo, y recuerda el discurso que abrió los ojos a esta dimensión.
Fue el 29 de diciembre de 1959, en la cena anual de la sociedad Americana de Física. A los postres, el físico Richard Feynman pronunció su célebre conferencia ¨There´s plenty of room at the bottom¨, algo así como ¨hay sitio de sobra en el fondo¨,¨¿Por qué no podemos escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler? -se preguntó- Si magnificamos el diámetro de la cabeza del alfiler 25.000 veces, su área iguala a todas las páginas de la Enciclopedia Británica. Por lo tanto, todo lo que necesitamos hacer es reducir el tamaño de las cosas. ¿Podemos hacerlo? Si, hay mucho lugar en el fondo para hacer las cosas más chicas y no existe ninguna limitación en las leyes de la física para fabricar máquinas que a su vez fabriquen otras máquinas más pequeñas y finalmente puedan fabricar objetos del tamaño de los átomos y moléculas¨.
Casi sesenta años después, el discurso de Feynman, galardonado con el Nobel en 1965, resuena con fuerza, y es considerado uno de los padres de la nanotecnología, aunque por entonces no se la conocía. Faltaban todavía unas décadas. Y Calvo destaca el aporte brindado por la química a comienzos de los años 90, cuando concluyó la Guerra Fría, tras la caída del muro de Berlín, “Durante la presidencia de Hill Clinton hubo una gran discusión en Estados Unidos sobre el destino de la química, porque ya no había que fabricar armas químicas, y había que limpiar los arsenales. La química fabricó sustancias maravillosas como los antibióticos o permitió la revolución verde con los fertilizantes, pero también generó tóxicos que van a la atmósfera e interfieren en el ciclo de ozono. Quedó un estigma: ‘Los químicos ensuciaron el mundo’. Pero son los químicos los que mejor pueden limpiarlo”, relata Calvo.
El debate reunió a congresales, representantes de las academias de ciencias y de las universidades. “De esa discusión -dice- surgen dos novedades: la química verde (no contaminante) y la nanotecnología”. La física y la química se juntan. “Desde Feynman, los físicos dicen que se pueden achicar las cosas, y los químicos señalan que podemos fabricar esas cosas. Es un cambio de paradigma”, subraya.
Este nacimiento marcará su estilo, la de ser una actividad altamente interdisciplinaria. “Es una encrucijada de muchas ciencias que están convergiendo y dando algo mucho mayor, casi inabarcable. Es como ese libro, en el relato borgiano, del cual uno abre dos páginas y siempre hay una nueva en el medio”, describe Soler Illia.
Físicos, químicos, biólogos o ingenieros enfrentan no pocas dificultades. Cada uno, con sus definiciones y paradigmas, aunque trabajen en laboratorios vecinos o se crucen en pasillos, parecen vivir en galaxias lejanas. Y el planeta nano los reúne a todos ante el mismo reto. “El problema es lograr un lenguaje común”, remarca Calvo.

Razones del boom

Hoy, nanociencia o nanotecnología son sinónimos de innovación. Fabricar productos nano es ubicarse en la avanzada, adelantarse al futuro. Pero, en verdad, el hombre lo viene haciendo desde hace siglos, aunque sin saberlo. Por ejemplo, los vitraux de las catedrales son uno de los primeros productos nano. Se trata de vidrios combinados con nanopartículas de oro que por efecto de la luz recrean variados colores.
Por su parte, Aldabe-Bilmes historia que “hace unos 150 años. Michel Faraday sintetizó nanopartículas de oro sumamente estables, tal vez basándose en ideas de Paracelso, y agrega: “Pero hasta hace unos veinte años no se pensó en posibles aplicaciones”.
Para el doctor Calvo, “los químicos desde siempre hicieron ‘nanotecnología, porque trabajaron en el tamaño de las moléculas, con muchísimas moléculas. Pero ahora se puede manipular la materia a nivel de un sola molécula o un átomo”, y compara: “Nuestros dedos son muy grandes para manejar moléculas, que son muy chicas. Pero en los años 80 y 90 se desarrollaron herramientas, como los microscopios de efecto túnel y de fuerza atómica, que junto con diversas técnicas permitieron manipularlas. Ahora, esto se hace en cualquier laboratorio. Si yo decía esto en 1970, cuando estudiaba química, me enviaban a un manicomio”.
En el pabellón I de la ciudad Universitaria, en el Centro de Microscopías Avanzadas (CMA), hay una serie de instrumentos que hacen posible seguir de cerca a las molécu1as. ¨Por ejemplo, el de fuerza atómica permite no sólo ver las moléculas de a una, sino también preservar su estructura y su función. Es decir, uno puede observar cómo operan en su estado nativo, sin estar deshidratadas o desnaturalizadas¨; explica la doctora en bioquímica: Lía Pietrasanta, coordinadora del CMA, de la FCEyN.
Observar cómo actúan en la vida misma los átomos o las moléculas abrió la puerta a controlar la materia en una escala inasible hasta hace apenas un par de décadas. La llave fue una serie de herramientas; casi se diría un abultado llavero compuesto por el microscopio de túnel y de fuerza atómica, métodos de autoensamblado molecular, espectroscopías de una sola molécula, fotolitografía, entre otros.
“El desarrollo de estas herramientas maravillosas es lo que provoca el boom en los últimos veinte años, porque permiten entender lo que se hace. Antes se hacían nanoobjetos, pero no se sabía cómo funcionaban”, precisa Soler Illia. “Hoy se puede trabajar y dominar la escala nanométrica. Sin dominio, se está a merced de la suerte.


Dispositivo nanotecnológico en la superficie de una célula

Es la misma iferencia entre la química orgánica actual, que permite diseñar moléculas, y la que hacían en el pasado los alquimistas. Ellos ponían cosas y veían qué pasaba, no tenían el control”, compara.

¿En qué se diferencia un lingote de un nanopartícula de oro?

Si el oro de un lingote es estable no lo es una nanopartícula del mismo metal. ¨Para un átomo de oro no es lo mismo estar metido en el centro de un lingote, rodeado de un sinnúmero de compañeros oro, feliz porque está en su medio, a que se halle en el borde de un lingote con la nada del otro lado y con moléculas que le pegan latigazos constantemente. No le gusta estar así y tiende a cambiar¨ personifica el Dr. Galo Soler Illia. Si el oro se modifica por estar en la superficie de un lingote, es de imaginar todo lo que el material cambiaría cuando aumenta la relación entre el área y el volumen, como sucede en una nanopartícula.

La importancia del tamaño

La dimensión nano tiene sus particularidades. Las características que se consideran inmutables en una escala no lo son en otra. “Las propiedades fisicas y químicas de los objetos dependen sobre todo de su tamaño”, señala Calvo. De ahí, el color rojo de una suspensión de nanopartículas de oro.
El mismo material en mínima cantidad no se comporta igual que a lo grande. “El oro de un lingote es estable, pero una nanopartícula del preciado metal no lo es. “Los nanomateriales son en esencia inestables”, indica Soler Illia. En la dimensión nano se registran fenómenos inimaginables en otra escala, como en la del mundo cotidiano en la que jamás veríamos a simple vista un anillo de oro rojo intenso. En este mundo nada es corno lo conocemos habitualmente, y se puede alcanzar de dos modos. “Uno es la miniaturización. Tomo un lápiz y lo hago más chico, más chico y más chico. Esto lo saben hacer los ingenieros, pero hay un límite hasta donde se puede ir. En tanto, el otro es en sentido inverso, de abajo para arriba o bottom-up. Tomo los átomos y con eso armo una molécula y con ésta, nanoladrillos y formo estructuras”, describe Calvo.
Nanotubos, nanohilos, nanopartículas, multicapas moleculares son algunos de los objetos nanoscópicos a los que echan mano los científicos en la tecnología que surge a partir de la nanociencia, que se ocupa de objetos de entre 1 y 100 nanómetros. Para la conquista de este mundo de proporciones pequeñas, sólo el gobierno norteamericano destina por año más de mil millones de dólares a la investigación, algo comparable a lo que dedicó para que el hombre llegara a la Luna.
Hoy, ya estamos en contacto con algunos de los logros. “En este momento, existen unos 600 productos nanotecnológicos en el mundo, desde medicamentos hasta raquetas de tenis, pasando por ositos de peluche antibacterianos”, cuantifica Soler Illia.
Las vidrieras de las perfumerías son una prueba de ello. “De hecho, el mayor número de patentes por nanopartículas lo tiene una empresa de cosméticos. Luego le siguen las petroleras, con los catalizadores”, indica Calvo.
La nanomedicina no se queda atrás. Cuando una persona diabética mide su glucosa en su casa con un detector electrónico, en realidad está usando nanopartículas como reactivo de diagnóstico. En este tema, en el 2001 el equipo del INQUIMAE, dirigido por Calvo, fue elegido entre cientos en el mundo por la firma Motorola para estudiar este sensor molecular.
En este momento, ese grupo de estudio está trabajando en telas con nanopartículas de plata que inhiben el crecimiento de bacterias y hongos, lo cual es de utilidad para pacientes con heridas o quemaduras, porque impiden el desarrollo de infecciones. ¨Ahora tenemos un proyecto con una empresa textil de medias, porque se podría hacer un producto que evita el mal olor o el pie de atleta”, ejemplifica Calvo.

Espacio nano

¨En los últimos años hemos abierto el espacio nano. En el 2004 se crearon cuatro redes en la Argentina”. Describe Ernesto Calvo. Esta iniciativa, que reune a 300 investigadores coordinados por los doctores Carlos Balseiro, Roberto Salvarezza, Bruno Maggio y Alberto Lamagna, surgió de la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, y financia el viaje y la estadía para el intercambio de científicos.
Asimismo, imitando la estructura del Centro Argentino-Brasileño de Biotecnología, se creó el Centro Argentino-Brasileño de Nanotecnología ¨Esto permitió hacer escuelas en nuestro país y en Brasil¨, puntualiza Calvo.
Y aún hay más ¨Hemos propuesto hacer un centro virtual de nanotecnología sumando al instituto Balseriro, la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA) de La Plata y los departamentos de Física y química de la FCEyN. Este Centro Virtual ha sido aprobado el 19 de marzo con una financiación de 3 millones de dólares en equipamiento¨, anticipa.
La nanotecnología da tela para cortar. Por ejemplo, ropa con materiales inteligentes que no se ensucian. “Si un pantalón argentino, que se mancha si le cae café, cuesta lo mismo que uno de fabricación china, que no se mancha, ¿cuál voy a comprar?”, se pregunta Calvo, y advierte: “Si no entendemos las nuevas tecnologías, vamos a perder el mercado. Esto no se detiene con barreras arancelarias, porque ahora nuestro país no tiene oferta de este producto”.
El cuidado del ambiente también está en la mira. “Todos los procesos para capturar contaminantes requieren compuestos con muchísima superficie disponible. Nosotros hacemos materiales que en un gramo tienen mil metros cuadrados de superficie. Se puede llevar una cancha de fútbol en el bolsillo”, compara Soler Illia.
Los doctores Aldabe-Bilmes y Soler Illia trabajaron en una membrana para detectar moléculas en bajas cantidades. “Una especie de portero molecular que permite el paso a algunas moléculas, ya otras, no. Una de las aplicaciones es para estudios de laboratorio al permitir análisis más rápidos, baratos y precisos”, agrega Soler Illia. La lista de posibilidades es larga. Por ejemplo, desarrollaron nanopartículas de un material que absorbe fenoles, que son contaminantes. En verdad, los destruye al estar en contacto con la luz. Como si fuera poco, este producto se recicla y puede volver a usarse.
Desde el Laboratorio de Polímeros y Materiales Compuestos del departamento de Física de FCEN-UBA, Silvia Goyanes trabaja en colaboración con el doctor Roberto Candal (INQUlMAE), con la mirada puesta en nanotubos de carbono y han desarrollado un equipo para producirlos a escala de laboratorio, “Los nanotubos de carbono (tubos de diámetro del orden de unos pocos nanómetros) se vienen estudiando desde 1991, año en el que se descubrieron, debido a sus excepcionales propiedades físico-químicas generadas por su tamaño. Estos, introducidos en otro material, por ejemplo un plástico, dan origen a nuevos materiales, con propiedades únicas, por ejemplo, tienen gran capacidad para absorber vibraciones y podrían servir para reducir el zumbido de parlantes y mejorar la performance de motores de autos y aeronaves”, enumera Goyanes. Otra línea que estudia este equipo, en conjunto con la doctora Bernal, de la Facultad de Ingeniería de la UBA, “consiste en desarrollar un prototipo de envase inteligente biodegradable basado en almidón y nanotubos de carbono. El envase podrá sensar modificaciones en los productos que envuelva, por ejemplo alimentos”, puntualiza.
Algunas de las posibilidades vienen acompañadas por no pocas dificultades a su paso, como señala Aldabe-Bilmes: “Las fantasías están proyectadas en la construcción de dispositivos electrónicos en la nanoescala, ya sea para informática o sensores; y la construcción de dispositivos para explorar o remediar el interior de seres vivos a nivel celular. Creo que ambos aún están lejos de aplicarse, por la falta de reproducibilidad de los nanosistemas complejos, tema que aún no ha sido resuelto”. Y concluye: “Sin embargo, en las próximas décadas es posible que se hagan circuitos con nanocables y nanotransistores que permitan reducir el tamaño de las computadoras, aumentando su capacidad de memoria y velocidad de procesamiento de datos”.