Materiales al día – Novedades en Ingeniería de Materiales

Nanotecnología (5): el sueño del autoensamblaje

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Eric Drexler en su provocativo libro Engines of Creation (Nanotecnología, 1993) nos describía un mundo donde los ordenadores se fabrican ellos mismos. Los componentes nanométricos de estas máquinas se disuelven en un medio adecuado y se agita suavemente la mezcla. Toqueteando la química de los componentes, de forma que unos se atraigan y otros se repelan, las piezas se autoensamblan, como por arte de magia, y acaba surgiendo un ordenador que funciona.

Este es el tipo de mensajes que lanzan los entusiastas de la nanotécnica. Pero los científicos que trabajan en este campo saben que esto es un sueño lejano. Las posibilidades de inventar un sistema que sea viable comercialmente y capaz de producir dispositivos electrónicos sofisticados mediante el autoensamblaje de sus componentes, son muy remotas.

No obstante, poco a poco —pero mucho antes de lo que los expertos se habían atrevido a vaticinar— han surgido aplicaciones prácticas basadas en el autoensamblaje: en algunos casos ya se combina el autoensamblaje con procedimientos clásicos de fabricación y también existen procedimientos comerciales para seleccionar genes basados en el autoensamblaje guiado por el DNA.

La idea de fabricar materiales usando procedimientos de autoensamblaje proviene de la biología molecular, donde máquinas moleculares muy complejas se autoensamblan sin ningún control externo. Los ribosomas —las máquinas que producen las proteínas en las células— nos ofrecen un buen ejemplo: Los ribosomas constan de unas 80 proteínas y cuatro hebras de RNA. Todos los componentes están unidos entre sí por enlaces débiles —fuerzas de van der Wals y enlaces de hidrógeno, pero no enlaces covalentes—. Algunas substancias, como los detergentes, pueden anular estas fuerzas débiles y separar los componentes del ribosoma, pero si se elimina el detergente las partes se reagrupan correctamente y se obtiene nuevamente un ribosoma que funciona. Es como si para montar un reloj se mezclaran todas sus piezas en un recipiente con agua y después se agitara la mezcla.

Los científicos interesados en la fabricación de nanomateriales a partir de técnicas de autoensamblaje, utilizan sus conocimientos sobre la atracción y repulsión de las moléculas para ingeniar sistemas artificiales que funcionen de la misma forma que los ribosomas. De momento, ya han diseñado sistemas muy simples que permiten fabricar por autoensamblaje microtúbulos —como las proteínas del esqueleto celular— o capas de lípidos —como las membranas celulares.

Whitesides y sus colaboradores (Gracias D.H. et al. (2000) Forming electrical networks in three dimensions by self-assembly. Science 289, 1170-1172; Clark T.D. et al. (2001) Self-assembly of 10-mm-sized objetcs into ordered three-dimensional arrays. J. Am. Chem. Soc. 123, 7677-7682; Oliver S.R.J. et al. (2001) Three-dimensional self-assembly of complex, millimeter-scale structures through capillary bonding. J. Am. Chem. Soc. 123, 8119-8120) en Harvard han consiguieron fabricar estructuras —filiformes, planas y tridimensionales— autoensamblando nanopartículas de oro. Para ello recubrieron pequeños hexágonos de oro —de 10 micras de anchura y 50 nanómetros de espesor— con sustancias hidrófilas o hidrófobas (que atraen o repelen el agua). Cuando las partículas se disuelven en agua, las caras que están recubiertas con sustancias hidrófobas tienden a juntarse: Si solamente los bordes de los hexágonos son hidrófobos se obtienen láminas, semejantes a un suelo pavimentado con losetas hexagonales (ver figura, a).

Sobre el fondo de la calzada del gigante (Irlanda del Norte) se han insertado estructuras nanométricas planas (a) y filiformes (b) formadas por partículas de oro autoensambladas.

Si sólo son hidrófobas las caras, se forman apilamientos de placas que recuerdan pequeñas columnas de monedas (ver figura, b).

Y si las caras y los bordes son hidrófobos se obtienen mazos de columnas, semejantes a las estructuras basálticas de la calzada de los gigantes en Antrim, Irlanda. Se dice que la calzada fue construida por el gigante Fionn MacComhal para desafiar a su odiado rival Fingal, que había hecho una carretera parecida en la isla de Staffa.

Basten estos párrafos para introducir el tema: mi próxima entrada estará dedicada al autoensamblaje en materiales biológicos.

Aún intrigados por la secreta microestructura de la seda de araña

Por Gustavo R. Plaza (Universidad Politécnica de Madrid)

Las excelentes propiedades de las fibras de seda de araña han hecho que este material sea especialmente conocido y que los avances científicos en su estudio tengan una amplia difusión en los medios de comunicación.

El interés se acentuó en las últimas décadas del siglo XX, cuando quedaron bien descritas las propiedades mecánicas, que las fibras han adquirido a lo largo de cientos de millones de años de evolución. En particular, es el material con mayor trabajo hasta rotura por unidad de volumen, por lo cual es idóneo para absorber energía en un impacto (a velocidad no muy elevada, como ocurre con los impactos de insectos en las telas de araña). Como atractivo añadido, las sedas son además una familia de materiales especialmente adecuados para aplicaciones en el campo de la biomedicina. Por ejemplo, se ha estudiado, con resultados excelentes, su posible utilización para obtener andamiajes aplicables en ingeniería de tejidos.

Si bien la seda que producen las arañas es la que tiene (con diferencia) las mejores propiedades, no resulta económicamente viable poner en marcha una industria dedicada a la extracción de seda de las arañas. Una de las razones es el hecho de que estos animales no pueden convivir en el mismo espacio por sus costumbres depredadoras. Por ello, se  han hecho continuos esfuerzos para responder a la gran pregunta que permitiría la producción de fibras equivalentes a las de las arañas: ¿cual es la relación entre las excelentes propiedades mecánicas de las fibras de seda naturales y su microestructura, composición y procesado? o dicho de otra forma, ¿podremos nosotros copiar a las arañas? A pesar de todo el trabajo llevado a cabo, aún hoy no somos capaces de obtener artificialmente fibras equivalente a las naturales, ni siquiera partiendo (supuestamente) de la misma composición, lo cual sigue intrigando a los científicos que han dedicado varias décadas de su vida a este tema.

Es cierto que en algunos momentos se han publicado resultados prometedores sobre obtención de fibras artificiales con propiedades comparables a las naturales o incluso superiores, pero que finalmente no han pasado de ser posibles promesas. Esta situación indica que aún no entedemos detalles importantes en la organización microestructural de las fibras.

Enfrentados a este desconcertante problema, en el Grupo de Materiales Biológicos y Biomateriales de la UPM hemos estudiado las propiedades de fibras naturales de seda durante más de una decena de años. En este tiempo hemos ampliado progresivamente las técnicas utilizadas, desde los ensayos mecánicos para medir la resistencia y deformación, hasta los ensayos de difracción de rayos X, de resonancia magnética nuclear o espectroscopía Raman para estudiar la microestructura. Las fibras están compuestas de proteínas con una longitud enorme (a escala molecular, claro), pues tienen millares de aminoácidos (las unidades que forman estos heteropolímeros). Las cadenas proteínicas se encuentran alineadas de forma ordenada en ciertas regiones cristalinas del material, y aparecen de una forma más desorganizada, como una maraña de cadenas, en las regiones desordenadas o amorfas.

En el trabajo del grupo publicado recientemente en la revista Soft Matter (http://dx.doi.org/10.1039/c2sm25446h), se ha estudiado cómo evolucionan las regiones cristalinas cuando se deforma una fibra.

Esquema de la evolución de las zonas cristalinas en las fibras de seda de araña: al estirar las fibras se produce una rotación de las zonas cristalinas, seguida después de un aumento de su tamaño.

Los detalles del proceso son especialmente interesantes: primero se produce la rotación de los las zonas cristalinas, lo cual supone un cambio en las regiones desordenadas, y después se produce el aumento de la fracción cristalina. Este trabajo aporta una información valiosa para la comprensión de los detalles microestructurales que permitirá finalmente explicar y modelizar las propiedades de las sedas.

Para saber más sobre el tema, se puede leer por ejemplo el artículo en Investigación y Ciencia “Usos médicos de la seda”.

Nanotecnología (4): doble personalidad electrónica

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Se han hecho predicciones muy interesantes sobre el comportamiento electrónico, magnético y térmico de los nanotubos de carbono, basadas en su pequeño tamaño —con diámetros de unos pocos nm los efectos cuánticos ya empiezan a notarse— y en sus curiosas simetrías.

Apenas descubiertos, grupos de investigadores en distintas universidades realizaron cálculos demostrando que los nanotubos tenían una doble personalidad electrónica —podían comportarse como metales o como semiconductores— según su estructura y diámetro y dejaron entrever la posibilidad de utilizar los nanotubos como componentes lógicos. Otros investigadores indicaron que los nanotubos podrían exhibir comportamientos cuánticos exóticos en presencia de campos magnéticos, como el efecto Bohm-Aharomov. En los primeros años resultó difícil comprobar experimentalmente las predicciones teóricas porque las muestras eran muy pequeñas y contenían diversos tipos de nanotubos. Estas dificultades se han superado y la experimentación con nanotubos es un área de mucha actividad; ya se hacen experimentos con un solo nanotubo y se han construido dispositivos electrónicos basados en nanotubos.

Las primeras medidas de conductividad eléctrica se efectuaron con nanotubos de varias capas y mostraron que la resistividad variaba mucho de un nanotubo a otro, confirmando las predicciones teóricas de que las propiedades electrónicas dependían de la estructura de los nanotubos. Cuando se hicieron medidas con nanotubos de una sola capa —mediante una combinación de microscopía y espectroscopía de efecto túnel— se pudo comprobar directamente las relaciones entre la estructura y el comportamiento electrónico (Wildöer J.W.G. et al. (1998) Electronic structure of atomically resolved carbon nanotubes. Nature 391, 59-62; Odom T.W. et al. (1998) Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes. Nature 391, 62-64).

La experimentación ha sido más fácil con los nanotubos más abundantes; los quirales o retorcidos. De entre todas las geometrías posibles, sólo un tercio de ellas combina el diámetro correcto y el correspondiente grado de torsión para ser conductores. Los dos tercios restantes son semiconductores; existe un gap energético, E_g, en su estructura electrónica (como ya se comentó al citar los puntos cuánticos). Eso significa que necesitan una aportación adicional de energía —en forma de luz o de un voltaje— para que fluya la corriente. Esta energía E_g es función de la geometría del nanotubo. Variando el diámetro de estos nanotubos se puede variar E_g. Ningún otro material conocido puede afinarse con tanta precisión, propiedad que los hace muy atractivos para la industria electrónica. Las dificultades  surgen  a  la hora de fabricar de forma controlada nanotubos con una geometría predeterminada.

Ya se han construido transistores de efecto campo a partir de nanotubos de carbono (Tans S.J., Verschueren A.R., Dekker C. (1998) Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube. Nature 393, 49-52). En esencia, consisten en un nanotubo semiconductor con dos electrodos —uno en cada extremo para crear un canal por donde circulan los electrones— y un electrodo intermedio al que se le aplica un voltaje para activar o desactivar la corriente que fluye por el nanotubo. Este dispositivo funciona a temperatura ambiente con características electrónicas similares a los transistores comerciales de silicio y tiene la ventaja —por su pequeño tamaño— que consume menos energía. Estos conmutadores podrían trabajar mil veces más deprisa que los procesadores actuales.

En teoría se podrán fabricar diodos emisores de luz y láseres nanoscópicos a partir de nanotubos. También se podrán utilizar, con ventaja, como nanoconductores por su gran capacidad de transporte de corriente (estimada en 1000 millones de amperios/cm², cuando los hilos de cobre se funden con un millón de amperios/cm²) y su enorme conductividad calorífica (alrededor de 6000 W/mK, frente al diamante, considerado uno de los mejores conductores, con 3320 W/mK).

Por último se ha descubierto que los nanotubos de carbono también son superconductores (Tang Z.K. et al. (2001) Superconductivity in 4 angstrom single-walled carbon nanotubes. Science 292, 2462-2465). Los superconductores son materiales que pierden la resistencia clásica al paso de corriente por debajo de una cierta temperatura, llamada temperatura de transición o crítica. Por el momento, la temperatura de transición más alta registrada en nanotubos de carbono es de 15 K, demasiado baja para buscar aplicaciones prácticas, pero este descubrimiento disparó la carrera en busca de nanotubos de carbono superconductores a temperaturas más altas.

Estos interesantes resultados han fomentado muchas esperanzas en los nanotubos de carbono como componentes básicos de la nanoelectrónica. No cabe duda de que harán falta nuevas ideas si se quiere mantener el ritmo de miniaturización de las últimas cuatro décadas. Es posible miniaturizar un poco más los chips comerciales  y llegar hasta detalles de 100 nm pero, difícilmente, se podrá ir más allá usando la fotolitografía convencional. Cuando se llega a estas dimensiones conviene considerar las técnicas de fabricación que van de abajo hacia arriba (bottom-up) —ensamblando átomos o moléculas— en vez de apurar los procedimientos convencionales de miniaturización (top-down). Sin embargo, para fabricar un dispositivo que sea útil hace falta posicionar sobre un sustrato numerosos nanotubos con precisión casi atómica. La fabricación de estos nanomateriales es uno de los grandes desafios que tiene la nanotécnica y se comentará en la próxima entrada del blog.

Los nanotubos de carbono ofrecen oportunidades muy interesantes además de las electrónicas, porque son robustos y químicamente poco reactivos. El mundo de los nanotubos no se limita a los nanotubos de carbono, otros materiales capaces de formar láminas —como el nitruro de boro, compuestos de boro, carbono y nitrógeno, y el sulfuro de molibdeno— también pueden formar nanotubos y, a partir de ellos, se pueden fabricar nanotubos compuestos (Rubio A. (1997) Nanocomposite tubules: A new class of materials from theory. Condensed Matter News 6, 6-18.) encapsulando en su interior otros materiales —como el galio, en el nanotermómetro comentado al comienzo de este apartado—. Las posibles aplicaciones tecnológicas de los nanotubos son ilimitadas.

Nanomateriales (3): la fibra ideal

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Nanotubos de carbono

En 1991 Sumio Iijima (Iijima S. (1991) Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56-58), trabajando en un laboratorio de investigación básica en Tsukuba, Japón, descubrió una aguja en un pajar que ha revolucionado la nanociencia. La aguja era un cilindro hueco que se había formado en la punta de un electrodo de grafito. Tenía un diámetro de unos pocos nanómetros y una longitud de unas cuantas micras. Estaba hecha de carbono puro. Era un nanotubo de carbono.

Desde su descubrimiento hasta nuestros días, las aplicaciones de los nanotubos —algunas reales, otras potenciales— han crecido de forma impresionante. Es posible que los nanotubos de carbono desempeñen el mismo papel que el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Ya se han fabricado con nanotubos dispositivos lógicos —los componentes básicos de los ordenadores— y se han creado expectativas para producir, a partir de ellos, circuitos electrónicos e incluso ordenadores. Los nanotubos de carbono han permitido mejorar la resolución de los microscopios de barrido basados en el efecto túnel, se han usado como sondas químicas en microscopios de fuerza atómica y como sensores extremadamente sensibles.

En el incio del siglo XXI, unos investigadores japoneses (Gao Y., Bando Y. (2002) Carbon nanothermometer containing gallium. Nature 415, 599) fabricaron el termómetro más pequeño del mundo llenando con galio un nanotubo de carbono. La altura de la columna de galio en el nanotermómetro varía linealmente con la temperatura, mientras que el diámetro del nanotubo apenas varía, debido al pequeño coeficiente de dilatación del tubo. El nanotermómetro opera entre 50 y 500˚C y puede resultar muy útil para medir la temperatura en una gran variedad de microambientes. Sólo tiene un pequeño inconveniente: hace falta un microscopio electrónico para leer la temperatura del termómetro.

Nanotubos ideales obtenidos enrollando una lámina de grafito, haciendo coincidir el extremo A del vector OA (n,m) con su origen O, de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro: (a) AO (9,0) Estructura en zig-zag; (b) AO (5,5) estructura en armchair; (c) AO (10,5) estructura quiral.

La estructura de los nanotubos de carbono se ha observado utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. La forma ideal de un nanotubo se puede obtener enrollando una lámina de grafito, como  la indicada en la figura anterior, haciendo coincidir el extremo A del vector  OA(n, m)  con su origen O de manera que OA sea la circunferencia directriz del cilindro. Las estructuras más simétricas se obtienen a partir de los vectores (n, 0) —llamadas en zig-zag, donde q = 0˚— y de los vectores (n,n) —llamadas en butaca (armchair), donde q = 30˚—. Las estructuras intermedias, donde 0 < q < 30, se llaman quirales porque pueden existir en dos formas con simetría especular. Los extremos de los tubos de carbono se cierran con medias moléculas de fullereno. Las estructuras que se observan frecuentemente son tubos de varias paredes, formadas por la superposición de tubos coaxiales. Son estructuras que recuerdan a las muñecas rusas.

La fibra ideal

Cuando los átomos de carbono se unen para construir un diamante lo hacen mediante cuatro enlaces covalentes y forman una rígida red tridimensional que le confiere a la preciada gema su proverbial dureza. Cuando se unen para construir grafito, los átomos de carbono lo hacen a través de tres enlaces covalentes situados en un plano; la estructura sigue siendo muy resistente en este plano pero es débil en dirección perpendicular. Una forma de aprovechar esta resistencia es orientar estos planos de forma que las direcciones  de  máximo  esfuerzo estén contenidas en ellos.

Basta imaginar un mil hojas y tirar en la dirección paralela a las hojas en vez de hacerlo en dirección perpendicular. Arrollando estas hojas, como si fueran las de un cigarro puro, se pueden obtener fibras de carbono muy resistentes.

Ya se producen, desde hace algún tiempo, fibras de carbono con esta estructura y se utilizan (embebidas en una matriz polimérica) para fabricar palos de golf, cañas de pescar, coches de fórmula uno y aviones de combate. Estas fibras son rígidas (tienen un módulo de elasticidad elevado) y resistentes (una tensión de rotura grande) pero sus valores todavía están lejos de los valores teóricos debido a sus defectos e imperfecciones. Cuando se descubrieron los nanotubos de carbono —con una estructura casi perfecta— se despertaron muchas esperanzas y se empezó a especular sobre la posibilidad de obtener fibras ideales.

Muy pronto se hicieron estimaciones teóricas de las propiedades mecánicas de los nanotubos (Overney G., Zhong W., Tomanek D. (1993) Structural rigidity and low frequency vibrational modes of long carbon tubules. Zeit. Physik D 27, 93-96) y se confirmó que deberían poseer una rigidez y una resistencia superiores a cualquier otra fibra conocida, (módulo de elasticidad E = 1250 GPa y tensión de rotura, s_R, alrededor de 60 GPa), pero la comprobación experimental de estas predicciones no resultó fácil por la pequeñez de los nanotubos y la dificultad de su manipulación; basta imaginar de qué forma se podría realizar un ensayo de tracción con una fibra de 5 nm de diámetro y 1 mm de longitud.

Por otra parte, R.S. Ruoff y sus colaboradores (Yu M.F., Files B.S., Arepalli S., Ruoff R.S. (2000) Tensile loading of ropes of single wall carbon nanotubes and their mechanical properties. Phys. Rev. Lett. 84(24), 5552-5555) se las ingeniaron para ensayar a tracción 15 nanotubos de una sola capa. En algunos observaron que la deformación en rotura llega a alcanzar valores del 5%. También medieron las fuerzas en el momento de la rotura, obteniendo valores entre 400 y 1300 nN. Suponiendo que esta carga está soportada uniformemente por el borde del nanotubo, dedujeron que las tensiones de rotura deberían oscilar entre 13 y 52 GPa. A partir de estos resultados también se puede estimar el módulo de elasticidad; el valor más alto —para una tensión de rotura de 52 GPa y una deformación del 0.05— es de 1040 GPa.

Estos resultados son muy parecidos a las predicciones teóricas, anteriormente señaladas, y están lejos de los mejores valores alcanzados por las fibras comerciales como el Kevlar® (E = 120 GPa, s_R = 3 GPa), el acero (E = 210 GPa, s_R = 3 GPa), o algunas fibras de carbono (E entre 250 y 800 GPa y s_R entre 3 y 4 GPa) como se muestra en la figura siguiente.

Comparación de la resistencia o tensión de rotura (extremos de las rectas) y de la rigidez o módulo de elasticidad (pendiente de las rectas) de los nanotubos de carbono con las fibras comerciales de más altas prestaciones (Kevlar 49, acero y fibras de carbono).

La aparente sencillez del nanotubo de carbono ha estimulado cálculos teóricos más precisos y simulaciones utilizando dinámica molecular. J. Bernholc y sus colaboradores (Bernholc J. (1999) Computational materials science. Physics Today Sept., 30-35; Bernholc J. et al. (2002) Atomic transformations, strength, plasticity, and electron transport in strained carbon nanotubes. In Fiber Fracture (M. Elices, J. Llorca Eds.), Elsevier, Chap. 15) han simulado la respuesta de un nanotubo a un ensayo de tracción y han observado que pueden comportarse de forma dúctil o frágil, según las condiciones de contorno y la simetría de los nanotubos. A partir de un valor crítico de la tensión, el nanotubo libera parte de la energía elástica almacenada creando defectos (ver figura).

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Los cálculos indican que esto sucede cuando la deformación es del orden del 5%. Estos defectos pueden disparar la rotura o bien formar dislocaciones que iniciarán una deformación plástica. Nuevamente, la deformación crítica del 5% indica que los nanotubos pueden soportar tensiones de 60 GPa.

A pesar de todo lo anterior,  es en el campo de las propiedades electrónicas donde las predicciones teóricas ofrecen resultados más expectaculares como veremos en el post de la próxima semana.

Nanomateriales (2): el tamaño de los materiales tiene importancia

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

En 1871, Lord Kelvin preguntó si “la temperatura de fusión de una pequeña partícula podía depender de su tamaño” y su pregunta quedó sin respuesta durante cien años. Se argumentó, a principios del siglo XX, que la temperatura de fusión en las partículas metálicas debería disminuir con su tamaño pero no se comprobó experimentalmente hasta 1976, cuando P. Buffat y J. Borel, en la universidad de Lausanne, midieron las temperaturas de fusión de nanopartículas de oro con la ayuda de un microscopio electrónico de transmisión. La temperatura de fusión del oro es de 1338 K, mientras que las menores nanopartículas funden a 700 K.

El ejemplo citado indica que algunas propiedades de los materiales pueden variar con su tamaño. Este efecto es evidente cuando el comportamiento del aglomerado depende del porcentaje de átomos que ocupan la superficie; en una partícula esférica de unos 10.000 átomos, el 20 por ciento están en la superficie. Para que este porcentaje se reduzca al 1 por ciento —y por consiguiente las propiedades varíen poco al seguir aumentando el tamaño— hacen falta más de 64 millones de átomos. Otro motivo por el que las propiedades de los pequeños agregados pueden variar con el tamaño es que empiecen a manifestarse efectos cuánticos. Esto sucede si el tamaño es muy pequeño; del orden de la longitud de onda de de Broglie asociada a la partícula considerada, generalmente el electrón.

Las propiedades electrónicas, magnéticas, ópticas o mecánicas de las nanopartículas son muy sensibles a su tamaño y se pueden modificar variando su forma y dimensiones. Por este motivo las nanopartículas resultan muy atractivas para fabricar dispositivos electrónicos y están destinadas a tener un papel estelar en las nuevas tecnologías del siglo XXI.

Los puntos cuánticos (quantum dots) y sus aplicaciones —presentes en campos tan dispares como la industria electrónica y la biología— nos proporcionan un ejemplo para ilustrar estas ideas:

Puede considerarse, de forma muy simplificada, que una nanopartícula ocupa una posición intermedia entre un cristal y un átomo. Si la nanopartícula es muy pequeña —si contiene varios miles de electrones— se comporta como un superátomo y se la llama un punto cuántico. La razón de este nombre es porque los electrones de la nanopartícula están concentrados en un espacio muy reducido —casi un punto— donde ya empiezan a notarse los efectos cuánticos debidos al confinamiento¹. El espectro energético de estas partículas es discreto, como el de los átomos, con la ventaja de que se pueden variar los niveles de energía variando el tamaño de los puntos cuánticos (ver figura).

Variación de los niveles electrónicos (esquemática) al pasar de orbitales localizados (pequeñas moléculas, a la izquierda) a orbitales deslocalizados (moléculas grandes, derecha). Nótese la variación de la separación entre bandas, Eg.

Con el seleniuro de cadmio CdSe, por ejemplo, se pueden formar nanopartículas que se comportan como puntos cuánticos si su tamaño es menor de 4 nm. Para nanopartículas grandes (30 nm, por ejemplo) el gap energético (la diferencia de energías entre las bandas de “valencia” y de “conducción”,  E_g ) es de 1,8 eV, muy parecido al de un cristal macroscópico. Sin embargo, cuando el tamaño es de 1,2 nm,  E_g vale 3,0 eV.

El valor de E_g está relacionado con el color. La percepción del color depende de la respuesta del ojo a la radiación electromagnética; sólo es sensible a las longitudes de onda entre 400 y 700 nm, más o menos. Cuando todas estas longitudes están presentes con una intensidad parecida observamos luz blanca. Cuando falta alguna, el ojo detecta colores. Por ejemplo, si observamos una sustancia que absorbe las longitudes correspondientes a los azules, el ojo verá luz amarilla.

Para que un semiconductor pueda absorber una determinada longitud de onda es preciso que su energía asociada ( hc/λ, donde h es la constante de Plank, c la velocidad de la luz y λ la longitud de onda) sea igual o superior a la energía del gap, E_g. Cuando E_g es menor que la menor energía de la luz visible (luz roja, λ ≈ 700 nm, E ≈ 1.7 eV) todas las longitudes de onda serán absorbidas y el semiconductor aparecerá oscuro o metálico, que es el aspecto que muestra el silicio cuyo E_g ≈ 1,1 eV. Si E_g es mayor que la mayor energía de la luz visible (luz violeta, λ ≈ 400 nm, E ≈ 3.0 eV), ninguna longitud de onda será absorbida y el material será transparente, como sucede con el diamante cuyo E_g está alrededor de 5.4 eV.

El CdSe, al que antes nos hemos referido, posee un E_g ≈ 1,8 eV. Con este valor del gap energético casi todas las longitudes de onda visibles serán absorbidas y el color del material será oscuro. En cambio las nanopartículas de CdSe de 3 nm muestran un color amarillo-naranja porque al ser E_g ≈ 2,3 eV (que corresponde a la longitud de onda del azul claro) se absorbe el azul claro y las partículas exhiben el color complementario que es amarillo-naranja. Si el tamaño de las nanopartículas disminuye —por  ejemplo  a 1.2 nm— el gap E_g aumenta —en este caso a 3 eV— y el color también varía; ahora se absorbe preferentemente el color azul violáceo y las partículas exhiben un color amarillo limón. Para nanopartículas grandes se recupera el valor de E_g que corresponde al cristal, 1,8 eV, y la solución tiene un color oscuro como se indica en la siguiente figura.

El color depende del tamaño. Los recipientes contienen nanopartículas de CdSe disueltas de distinto tamaño: las dimensiones de las nanopartículas, junto con el correspondiente valor de Eg se indican en la figura (Siegel 1993, link.aip.org/link/phtoad/v46/i10/p64/s1)

Si estas partículas se dispersan en una matriz de vidrio se pueden  fabricar  filtros  de colores enfunción de su tamaño.

Es muy posible que algunos filtros de color comerciales contengan puntos cuánticos de compuestos II-VI. Los efectos cuánticos también pueden manifestarse a través de la forma. En este caso, el color dependerá del aspecto de las nanopartículas,  como  se  muestra  en  la  figura siguiente,  en   la que disoluciones acuosas de distintos nanocilindros de plata exhiben distintos colores.

El color depende de la forma. Los recipientes contienen una solución acuosa de nanocilindros de plata, excepto el tubo de la izquierda que contiene nanopartículas esféricas de 4 nm de diámetro. El factor de forma (longitud/diámetro) aumenta hacia la derecha, hasta un valor 10 (Murphy, Jana 2002).

También es posible que los puntos cuánticos estén relacionados con las vidrieras de color de las catedrales medievales aunque lo más probable es que en muchas vidrieras el efecto sea debido a otro fenómeno, también relacionado  con  las  nanopartículas;  la dispersión de la luz cuando el tamaño es del orden de la longitud de onda (fenómeno conocido como dispersión de Mie). Si, por ejemplo, el vidrio contiene nanopartículas de oro, con un tamaño alrededor de 20 nm, la luz verde se absorbe debido a la dispersión y el vidrio se ve de color rojo. Los artesanos medievales guardaron celosamente los procedimientos para crecer las nanopartículas —hasta conseguir el tamaño deseado— durante la fabricación de los vidrios de colores y de los esmaltes (ver figura).

La nanotécnica ya era utilizada por los artesanos medievales. Vidrieros y ceramistas emplearon nanopartículas para colorear sus obras. a.- Las vidrieras del Monasterio de Santes Creus, ejemplo de vidriería cisterciense en Cataluña, datan del siglo XIII. b.- Cerámica de Manises, alrededor del siglo XI. El reflejo metálico y la iridiscencia se conseguían con procedimientos análogos a los utilizados actualmente para fabricar películas metálicas de nanómetros de espesor (Pérez-Arantegui et al. 2001, cortesía de M. Vendrell y del Museo de Cerámica de Barcelona).

En la industria electrónica, un objetivo prioritario para diseñar nuevos dispositivos es poder modificar el gap energético, E_g, de los materiales—lo que se conoce como band gap engineering— y se consigue habitualmente dopando el silicio de diversas formas. Con las nanopartículas, el gap E_g se puede modificar variando el tamaño. La fabricación de puntos cuánticos con propiedades electrónicas deseadas y su inserción masiva en un chip permite muchas posibilidades a las nuevas tecnologías. El desarrollo de estos dispositivos depende de la habilidad para fabricar redes tridimensionales de puntos cuánticos conectados entre sí y evitar que se unan o aglutinen. En algunos casos se ha recurrido a técnicas de autoensamblaje que imitan la fabricación de los materiales biológicos.

En el campo de la medicina también han encontrado aplicaciones los puntos cuánticos. Los ensayos biológicos que miden la presencia o la actividad de determinadas moléculas pueden realizarse de forma más rápida y con más sensibilidad si se utilizan puntos cuánticos como marcadores. El rastreo habitual en un sistema biológico se hace mediante tinciones con colorantes orgánicos que se excitan con longitudes de onda diferentes. El proceso es lento y poco versátil. Si las moléculas seleccionadas se etiquetan con nanopartículas con un tamaño distinto para cada tipo de molécula, al activar los puntos cuánticos con luz normal cada molécula responderá con un color distinto. Este nuevo procedimiento ofrece varias ventajas; proporciona una enorme variedad de etiquetas (millones de colores) y es mucho más rápido porque el rastreo se hace simultáneamente.

En la pasada década se ha conseguido conectar neuronas con puntos cuánticos (Winter et al. 2001) con el propósito de explorar el comportamiento y las posibles aplicaciones de las heterouniones entre moléculas biológicas y sustratos inorgánicos. El alcance de estos descubrimientos es difícil de prever, si tenemos en cuenta que las heterouniones con semiconductores y metales han transformado la industria de la microelectrónica y han estimulado el desarrollo de una gran variedad de dispositivos, desde láseres hasta ordenadores.

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La información que se publica sobre nanomateriales aumenta de forma explosiva, hecho que dificulta presentar una síntesis equilibrada de lo que está ocurriendo. El número de artículos en revistas especializadas ha crecido de forma exponencial en los últimos años. Los temas abordados van desde espejismos cuánticos hasta la aportación de pistas sobre la extinción de los dinosaurios. En el primer caso, la colocación de un átomo magnético de cobalto en uno de los focos de un anillo elíptico de átomos de cobre crea un espejismo del mismo átomo en el otro foco (Manoharan et al. 2000) lo que posibilitaría, quizás, transmitir información sin utilizar hilos. En cuanto a la extinción de los dinosaurios, se sospecha que fue debida, hace 65 millones de años, a la explosión provocada por el impacto de un meteorito que dejó un cráter cerca de Yucatán y una marca en forma de una delgada capa de minerales enriquecida con iridio, en la frontera entre el Cretácico y el Terciario. En esta delgada capa se han encontrado nanopartículas de óxido de hierro que se cree provienen del meterorito. Estas nanopartículas pueden proporcionar claves sobre la composición del meteorito e información sobre la dinámica del evento (Wdowiak et al. 2001).

En esta breve incursión en el campo de los nanomateriales sólo se han seleccionado, para las próximas entradas, dos áreas en las que se desarrolla una gran actividad: los nanotubos de carbono y algunas técnicas de fabricación de nanomateriales basadas en el autoensamblaje.

Los nanotubos de carbono destacan entre los nanomateriales porque exhiben propiedades electrónicas y mecánicas extraordinarias, porque son unos nanomateriales que ya se saben modelizar razonablemente bien, y porque las aplicaciones que se entreven son interesantísimas.

Por otro lado, el desarrollo de la nanotécnica dependerá de la capacidad para fabricar eficazmente materiales de menos de 100 nm. Un grupo de técnicas muy prometedor es el basado en métodos ascendentes (bottom-up) donde se ensamblan átomos o moléculas para formar nanoestructuras. Las técnicas de autoensamblaje —algunas inspiradas en los procesos de biomineralización— serán objeto de las últimas entradas en las próximas semanas.

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¹El tamaño debe ser del orden de h/2πp, donde h es la constante de Planck  y p el momento del electrón, o bien h(mk_BT)^–1/2/2π, donde k_B es la constante de Boltzmann, T la temperatura absoluta y m la masa efectiva del electrón. Para un electrón en un semiconductor a temperatura  ambiente, el tamaño es del orden de 4 nm.

Continuación: próxima semana.

Nanomateriales (1): exploradores del siglo XXI

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Marco Polo tenía 21 años cuando se encontró en China con el gran Kublai Kan, nieto del conquistador Gengis Kan. Había recorrido más de 12.000 kilómetros siguiendo la ruta del sol naciente en un viaje que duró tres años y medio. Ningún explorador tiene en su haber una aventura tan dilatada; una odisea que se prolongó 24 años y concluyó en Venecia, en 1295, después de una larga travesía marítima por Sumatra y la India.

Marco relató esta aventura en una crónica titulada La descripción del mundo, más conocida como el Libro de las maravillas. Con el tiempo esta obra se convirtió en uno de los grandes acicates que incitaron a los europeos —Colón entre ellos— a explorar los confines remotos de la Tierra. En ella cuenta que en Taidú las casas se calentaban con “piedras negras que arden haciendo llamas como leños” y, añade, que el carbón era tan abundante que todos los ciudadanos se daban un baño caliente al menos tres veces por semana. Cerca del mar Caspio observó una “fuente de donde brota un licor tal que aceite”, primera descripción europea de un yacimiento petrolífero. También le impresionó el amianto con el que fabricaban telas ininflamables; “lo vi por mí mismo”, afirmó. Los europeos creían que las fibras procedían de la salamandra, que vivía en el fuego, pero Polo constató que se trataba de un mineral extraido de minas en China. La imprenta, el papel moneda, la porcelana,… son otras maravillas que narra en su libro.

No todas las fabulosas historias de Marco se aceptaron por sus contemporáneos y muchas se consideraron como las clásicas exageraciones de los viajeros que recorren tierras lejanas. Ni las joyas —que trajo escondidas en los dobladillos de los harapientos trajes— ni el  paitzu —salvoconducto de oro— sirvieron para dar crédito a las fantásticas y novedosas noticias pero, con el paso del tiempo, muchos relatos se fueron confirmando y el libro ganó credibilidad. Las personas singulares —como Marco Polo— están incentivadas por la curiosidad y por la esperanza de éxitos —materiales o espirituales— y se aventuran más allá del horizonte con la intención de regresar cargados con valiosos objetos y contar las cosas extraordinarias que han visto. Marco Polo ensanchó su mundo y marcó nuevos senderos para la civilización occidental.

"En la provincia de Gaindu existe un lago donde hay perlas. Nadie tiene derecho a pescarlas si no es el Gran Khan. Lo mismo sucede con las turquesas que se extraen de las montañas vecinas", de "Le Livre des Merveilles du Monde" (manuscrito francés 2810 de la Biblioteca Nacional de Francia, folio 54).

Con la sugerente asociación entre Marco Polo y los científicos que sienten curiosidad por el nanomundo, empieza G. Timp su libro sobre nanotecnología. En la actualidad hay numerosos exploradores de procedencia muy diversa —físicos, químicos, biólogos, matemáticos e ingenieros— que, como Marco Polo, están motivados por la curiosidad y por las posibles recompensas intelectuales y crematísticas que les puede deparar cartografiar la  terra incognita de un mundo microscópico cuyas fronteras caben en la cabeza de un alfiler. Estos territorios singulares son mucho más exóticos que el Lejano Oriente de Marco Polo porque las leyes físicas que rigen en el mundo macroscópico quedan suspendidas al atravesar sus fronteras.

Los objetos que pertenecen al nanomundo tienen dimensiones que van desde el nanómetro hasta centenares de nanómetros. El mundo atómico (el del angstrom; una décima de nanómetro) lo bordea por debajo y el micromundo (el de la  micra; mil nanómetros) lo limita por encima. El nanómetro, nm, tiene una dimensión de 0.000000001 m. Dicho de otra manera, equivale a una millonésima de milímetro; la relación que hay entre un kilómetro y un milímetro es la misma que existe entre un milímetro y un nanómetro. Una molécula de agua tiene el tamaño de 1 nm, más o menos.
La nanociencia y la nanotécnica estudian y utilizan materiales y disposivos de tamaño nanométricos. Existe el convencimiento de que cuando se domine la nanotécnica —cuando se sepa manipular los átomos a esta escala— se producirá una revolución sin precedentes en electrónica, computación, medicina, biotécnología diseño de materiales y en muchos otros campos. Es comprensible que existan dudas —como en tiempos de Marco Polo— sobre la viabilidad y el alcance de algunas aplicaciones. Los conocimientos geográficos acopiados por Polo no empezaron a reflejarse en los rudimentarios mapas europeos hasta ocho décadas más tarde, todo parece indicar que la nanociencia y la nanotécnica se desarrollan con rápidez y que ya merece la pena correr riesgos en inversiones comerciales.

Continuación de esta entrada: 20/04/2012.

The Greatest Materials Moment

Por José Miguel Atienza (Universidad Politécnica de Madrid)

Durante 2006, la Minerals, Metals & Materials Society (TMS) realizó una votación online para elegir el Momento más importante de la Historia de los Materiales. Previamente el equipo de la revista Journal of Minerals, Metals & Materials (JOM) había seleccionado los 100 nominados entre más de 600 candidatos propuestos por TMS. Casi mil votantes online eligieron su lista de los 10 grandes momentos entre los 100 nominados.

Un Gran Momento de los Materiales fue definido como un acontecimiento (observación, intervención, invención) humano que condujo a un cambio de paradigma en la comprensión del comportamiento de los materiales, introdujo una nueva era en la utilización de los materiales y/o produjo cambios socioeconómicos significativos en la Humanidad por el nuevo uso de los materiales.

Finalmente, el Momento elegido como el más importante de la Historia de los Materiales fue la elaboración de la primera Tabla Periódica, por Dmitri Mendeleev en 1869. Mendeleev comparó los elementos conocidos y encontró que sus propiedades dependían de manera regular del cambio de peso atómico. Entonces, decidió presentar sus resultados en forma de tabla agrupando a los elementos con propiedades semejantes e incluso prediciendo las propiedades de los “huecos” que faltaban, así surgió la primera Tabla Periódica. Su trabajo permitió sistematizar y ordenar la Química dotándola de una gran capacidad predictiva.

Primera Tabla Periódica de Mendeleev (1869)

Además de Mendeleev, el top 10 pone de manifiesto el carácter interdisciplinar de la Ingeniería de Materiales: podemos encontrar momentos relacionados con la metalurgia del acero y del cobre, pero también el vidrio, el transistor, la microscopía óptica o los rayos X. Por supuesto, esta lista de TMS y JOM, como todos los ránkings, es muy discutible, pero merece la pena echar un vistazo a esos 100 nominados que recorren la Historia de la Humanidad, desde el 28.000 antes de Cristo hasta el año 1991. Os invitamos a ello:

http://www.materialmoments.org/top100.html

Cada uno tendrá sus propios favoritos. Reconozco que lo primero que yo comprobé fue que por allí estaba A.A.Griffith con su “extraña” explicación de la rotura de los materiales. También  me gustó ver a Stephanie Kwolek, siempre me cayó bien esa mujer pequeñita que adora la costura y la jardinería y que, sólo contando en EEUU, ha salvado la vida a más de tres mil policías. Es buenísima esa anécdota de que un día se le acercó un corpulento agente de policía, ella apenas mide 1.50, y le pidió que por favor le dedicara un autógrafo en su chaleco antibalas, acababa de parar dos balas que iban dirigidas directamente a su corazón.

En cualquier caso, lo que impresiona al ver la lista es el tremendo impacto que los materiales han tenido en nuestro mundo, en nuestra vida. Y también su evolución, que al final es la evolución que realmente ha vivido la Ingeniería de Materiales, desde aquellos primeros “ingenieros” centrados casi exclusivamente en los metales hasta la fuerte presencia de los biomateriales y materiales funcionales a finales del siglo XX.

Pero cierro el post volviendo al Top1. Hoy en las universidades vivimos sumidos en una continua disputa entre la investigación y la docencia, que a menudo son tratadas como ocupaciones separadas e, incluso, contrapuestas. Peor aún, llegan a convertirse en verdaderas “trincheras” desde las que nos lanzamos cargas envenenadas. Quizá la gran lección que hoy nos puede transmitir Mendeleev es que detrás de la Tabla Periódica, de ese Gran Momento de los Materiales, lo que probablemente hubo fue el esfuerzo de un docente por hacer más comprensible a sus estudiantes la Química. Mendeleev estaba preocupado por lo difícil que resultaba a los estudiantes aprender Química porque la información nunca se presentaba en forma que reflejara las relaciones entre las diversas sustancias. Su “Fundamentos de Química” básicamente pretendía ser un libro de texto. Mendeleev fue, sobre todo, un gran profesor, un revolucionario de la docencia que acabó dejando la universidad cuando el zar denegó sus peticiones de cambio, aún cuando en el resto del mundo era ya reconocido como uno de los químicos más importantes de la Historia.

Referencias:

[1] The Greatest Moments in Materials Science & Engineering (TMS):

http://www.materialmoments.org/index.html

Los nanotubos de carbono y la ingeniería de tejidos (I)

Por Rafael Daza (Universidad Politécnica de Madrid)

La Ingeniería de tejidos es una disciplina que persigue remplazar tejido dañado o enfermo por un sustituto biológico capaz de restaurar y mantener la funcionalidad del tejido original. Los avances realizados en áreas tan dispares como las relativas al trasplante de células y órganos y la ciencia de materiales o la ingeniería, han contribuido al continuo desarrollo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.
Al igual que la regeneración tisular, la cual supone el empleo de células para formar estructuras de mayores dimensiones, la nanotecnología es una disciplina “bottom-up” (de abajo a arriba) cuyo fundamento es el ensamble de elementos simples para constituir estructuras complejas. Recordemos que en un post anterior definíamos la nanotecnología como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala. Entonces vimos que los principales “ladrillos de la vida” existen en esta escala nanométrica de la que hablamos.

La presencia de nano-dimensionalidad en la naturaleza ha llevado a los investigadores a plantearse la viabilidad de emplear nanomateriales también en la ingeniería de tejidos. De hecho, en los últimos años son numerosos los estudios que muestran la poderosa influencia de una topografía nanoestructurada en el comportamiento celular, observándose su repercusión sobre procesos celulares tan vitales como la adhesión, proliferación y/o reorganización del citoesqueleto e incluso en la regulación de la expresión de sus genes.
De entre todos los nanomateriales que actualmente están en proceso de investigación, aquí nos centraremos en los nanotubos de carbono debido al enorme abanico de aplicaciones que se les atribuye en el ámbito de la medicina regenerativa. Los nanotubos son una de las formas alotrópicas del carbono cuya geometría cilíndrica es el resultado del enrollamiento sobre sí mismas de una o varias láminas de grafeno. Cuando se trata de una sola lámina (Figura 1A), los nanotubos reciben el nombre de singlewalled carbon nanotubes (SWNT) mientras que el enrollamiento concéntrico de varias láminas (Figura 1B), da lugar a la formación de los multiwalled carbon nanotubes (MWNT).

Figura 1. Diagrama de un SWNT (A) y de un MWNT (B) con sus dimensiones características.

Desde su origen [1], los nanotubos de carbono han despertado el interés de la comunidad científica como consecuencia de las extraordinarias propiedades que exhiben. Poseen un amplio rango de características electrónicas, térmicas y estructurales en función de su diámetro, longitud y quiralidad (ángulo de enrollamiento respecto de la dirección axial del cilindro resultante). Mención especial merecen sus propiedades mecánicas (Figura 2): los nanotubos de carbono presentan el módulo de rigidez y la tensión de rotura mayor de cuantos materiales conoce el hombre (1.5 TPa y 150 GPa, respectivamente).

Figura 2. Debido a sus solicitaciones mecánicas, la idea utópica de construir un ascensor espacial que comunicara la Tierra con su satélite sólo sería estructuralmente viable si se construyera mediante nanotubos de carbono.

A pesar de su reciente inclusión en el mundo de la ingeniería de tejidos (2004), son cuatro las áreas en las que se espera que los nanotubos tengan gran presencia: marcado y seguimiento de células, sensores del comportamiento celular, promotores del comportamiento celular y constituyentes de soportes estructurales o scaffolds. Mientras que las dos primeras áreas están encaminadas a analizar cómo responden las células al tejido diseñado, las dos últimas tienen por objetivo actuar sobre las propias células y el medio que las sustenta con el fin de mejorar los tejidos diseñados y favorecer la proliferación y diferenciación de las células en ellos. Dedicaremos las últimas líneas de este post a las dos primeras áreas remitiendo al lector a un siguiente post en el que abordaremos las dos últimas.

1. Marcado y seguimiento de células implantadas.
La capacidad para rastrear las células implantadas y observar su progresión en la formación de tejido in vivo de manera no invasiva es de importancia capital, especialmente, cuando las construcciones artificiales son de tamaños biológicamente significativos. Marcando las células implantadas se podría, no solamente evaluar la viabilidad del tejido diseñado sino, además, mejorar el conocimiento acerca de la biodistribución y rutas de migración de las células trasplantadas. Sin embargo, para tales fines, es preciso que el agente de contraste in vivo tenga buena biocompatibilidad, alta capacidad de producir contraste y estabilidad.

Los nanotubos de carbono han demostrado poseer varias de estas propiedades. Pondremos un ejemplo. El grupo del profesor Strano de la Universidad de Illinois encapsuló ácidos nucléicos en varios SWNTs y los introdujo en el interior de un tipo de célula madre, los mioblastos. Mediante espectroscopía Raman observaron la supervivencia de la estructura en el interior de las células durante repetidas divisiones celulares lo que sugiere que tales sondas podrían ser empleadas para estudiar la proliferación y diferenciación de células madre [2], paso clave en la regeneración de tejidos. Además, dado que la espectroscopía Raman es muy sensible a la presencia de grupos funcionales en las moléculas, esta técnica puede proporcionar información valiosa acerca del microambiente de la célula. Este es uno de los más prometedores métodos para usar los nanotubos de carbono como biosensores ópticos in vivo y puede servir como una técnica básica para el desarrollo de otros sensores más complejos. Esta sofisticación añadida puede ser implementada modificando los nanotubos con sondas adicionales o agentes marcadores.

2. Sensores del comportamiento celular.
En este caso se persigue obtener información acerca de las características físico-químicas y biológicas que rodean a las células en su entorno tisular. La capacidad para monitorizar procesos fisiológicos celulares como el transporte iónico, las interacciones enzima-cofactor o la secreción de proteínas y metabolitos o mecanismos de respuesta celular como la adhesión a la matriz extracelular podrían ofrecer información valiosísima que permitiría diseñar mejores tejidos artificiales.

Un posible método para llevar a cabo estas monitorizaciones consiste en implantar sensores capaces de transmitir información desde el interior del organismo al exterior; tales sensores proporcionarían datos en tiempo real de parámetros fisiológicos tan importantes como el pH, la presión de oxígeno o los niveles de glucosa. Emplear nanosensores para este fin tiene principalmente dos ventajas: el tamaño reducido del sensor disminuye su impacto sobre el tejido diseñado en el que va a ser introducido y su elevada proporción área/volumen le dota de una gran área efectiva en la que inmovilizar numerosos compuestos químicos y biológicos incluyendo ADN y proteínas que mejoran su sensibilidad.

Mientras que la transmisión de información extracorpóreamente desde los nanosensores está aún en fase de desarrollo, los sensores basados en nanotubos de carbono ya han demostrado su capacidad para medir varios factores biológicos muy relevantes. Pongamos algún ejemplo. MWNTs han sido empleados como electrodos para medir los procesos de electrooxidación de la insulina y para estimar su concentración vía determinación amperométrica. Este hecho sugiere un método para evaluar la calidad de los islotes pancreáticos (región del páncreas encargada de la producción de hormonas como la insulina y el glucagón, Figura 3) previa a su implante en el organismo receptor. Además, se ha demostrado que podríamos medir la cantidad de colesterol libre en sangre usando un MWNT montado sobre un sustrato biocompatible [3] o monitorizar el pH mediante sensores compuestos de nanotubos de carbono y un polímero como la polianilina [4].

Figura 3. Imagen de microscopía confocal de una sección de páncreas de ratón. En rojo se muestran las células productoras de insulina, en verde los vasos sanguíneos que rodean a los islotes pancreáticos y en azul se marcan todos los núcleos celulares.

Acabamos de presentar dos de las prometedoras aplicaciones que los nanotubos de carbono pueden tener en la ingeniería de tejidos. Sin embargo, como veremos en un próximo post dedicado fundamentalmente a la utilización de nanotubos para la creación de scaffolds, la implantación de estos nanotubos o materiales basados en ellos en el interior de un organismo vivo no está exenta de problemas que aún no están resueltos y cuya solución transcurre inevitablemente por la senda de un trabajo multidisciplinar de físicos, químicos, biólogos e ingenieros de materiales.

Referencias
[1] S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon”. Nature 354, 56 (1991)
[2] D.A. Heller, S. Baik, T.E. Eurell and M.S. Strano. “Single-walled carbon nanotube spectroscopy in live cells: towards long-term labels and optical sensors”. Advanced Materials 2793, 17 (2005)
[3] X. Tan, M. Lin, P. Cai, L. Luo and X. Zou. “An amperometric colesterol biosensor base don multiwalled carbon nanotubes and organically modified sol-gel/chitosan hybrid composite films”. Analytical Biochemistry, 117, 337 (2005)
[4] M. Kraempgen and S. Roth. “Transparent and flexible carbon nanotube/polyaniline pH sensors”. Journal of Electroanalytical Chemistry, 72, 586 (2006)

Materiales en la Fórmula 1: La evolución en la seguridad de los cascos de los pilotos

Por María Jesús Pérez (Universidad Politécnica de Madrid)

La evolución de las medidas de seguridad en competiciones automovilísticas como la F1 han provocado que hoy los cascos de los pilotos deban reunir tres cualidades difíciles de combinar: ligereza, resistencia y aerodinámica.; aunque no siempre fue así…
En los primeros días de carreras de Fórmula Uno, lo importante era la velocidad y no la seguridad, de hecho, en 1950 muchos pilotos ni siquiera usaban casco y algunos usaban gorros de cuero que sencillamente protegían del viento.

Juan Manuel Fangio con un pasamontañas

En 1960 se desarrolló el casco de cartón prensado. Eran muy incómodos para los pilotos, por lo que muchos ni lo usaban ya que no era obligatorio según la FIA.
El primer casco integral de fibra de vidrio no apareció hasta 1968. Pesaba casi tres kilos pero era mucho más efectivo que sus predecesores.
Poco a poco, se fue reduciendo el peso y el tamaño, ajustándose más a la cabeza del piloto. Lamentablemente, tuvo que ocurrir una tragedia para que la evolución en componentes de seguridad en este tipo de deportes apareciese. En el Gran Premio de Sudáfrica de 1977, el monoplaza de Tom Price golpeó a un bombero que cruzaba la pista en ese momento. El extintor del comisario de pista golpeó la cabeza de Pryce y causó la muerte instantánea del piloto.
A partir de este momento, los ingenieros se preocuparon más aún de mejorar el equilibrio seguridad-peso. De esta manera, en 1980 nació el Tricomp (aleación de fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos polímeros) que cubría el exterior del casco proporcionándole mayor resistencia.
A mitad de los ’80, comenzaron las investigaciones aerodinámicas de los cascos en el túnel de viento (hoy en día, el casco presenta una parte importante del coche en cuanto a aerodinámica se refiere).
Con el avance de los años, los monoplazas mejoraban en rendimiento a la vez que sucesivos accidentes, algunos de ellos mortales (Peterson, Villeneuve, Senna…), hacían una llamada a una mejora sustancial en la seguridad del piloto.
A partir del año 2000, la seguridad en los cascos se complementó con la llegada del moderno sistema HANS (Head And Neck Support). El HANS tiene por objeto evitar las lesiones cervicales provocadas por “efecto látigo” cuando se produce una colisión a altas velocidades. Su inventor fue Robert Hubbard, un profesor de biomédica de la Universidad de Michigan. El HANS está fabricado con Kevlar y se engancha al respaldo del asiento del piloto y a su casco con resistentes ganchos. En la fórmula 1 su uso se hizo obligatorio a partir de 2003.

Head And Neck Support Device

Actualmente, el casco de F1 se fabrica a medida del piloto. Es una pieza de 1200 gramos formada por 18 capas de fibra de carbono que puede soportar el peso de un tanque de 55 toneladas sin deformarse. La estructura exterior puede resistir una temperatura de 800ºC durante 30 segundos sin que en el interior se superen los 70ºC. La estructura interior se elabora de forma artesanal a imagen y semejanza de los moldes en tres dimensiones de los pilotos.
Además, desde esta temporada, la estructura de los cascos lleva una tira de Zylon (polímero sintético) en la visera que mejora las debilidades detectadas en la fibra de carbono tras el accidente sufrido por Massa en el GP de Hungría en 2009 (un muelle desprendido del coche de Barrichello golpeó el casco de Massa a 270 km/h). El carbono es una de las fibras más sólidas, pero tiene el gran inconveniente de que a la vez que detiene un fuerte impacto, conduce muy fuertemente la energía hacia el interior. Sin embargo, el Zylon es una fibra blanda que tiene la capacidad de absorber la energía liberada en un impacto, deformándose ligeramente pero sin fracturarse.
La tira de Zylon, superpuesta en la visera de policarbonato, permite una protección extra pero sin limitar la visión del piloto. Este material también es utilizado en la fabricación de chalecos antibala, y en la F1 las cabinas de todos los coches van revestidos con él.

Casco reforzado con Zylon en la visera

La introducción del Zylon en los cascos de los pilotos es sólo la primera fase de mejoras previstas para la seguridad. El instituto de la FIA y los fabricantes de cascos están investigando el uso de materiales de alto rendimiento óptico (cerámica transparente) como el material principal para fabricar la visera.

Más información:
http://www.formula1.com/news/features/2011/3/11880.html
http://eduardojosecar.blogspot.com/2011/10/nuevas-viseras-en-los-cascos.html

Integridad estructural de las vainas de combustible nuclear

En la Universidad Politécnica de Madrid, en colaboración con ENUSA Industrias Avanzadas S.A., ENRESA y el Consejo de Seguridad Nuclear, estudiamos la integridad estructural de las vainas de combustible nuclear en condiciones de transporte y almacenamiento temporal en seco.

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Entrevista al Profesor D. Jesús Ruiz Hervías

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