Archivo de mayo, 2012

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.

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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”.

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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, Eg, 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 Eg es función de la geometría del nanotubo. Variando el diámetro de estos nanotubos se puede variar Eg. 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.

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