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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9 comentarios

  1. Bueno, más que con los diamagnéticos, que se oponen a los campos, sería más fácil con los paramagnéticos o los ferromagnéticos, que tienden a alinearse con ellos. La pega de los ferromagnéticos es que se limitan a unos pocos elementos (hierro, níquel, cobalto y tierras raras), lo que limita las combinaciones. Los paramagnéticos son mucho más abundantes (por ejemplo, la molécula de oxígeno es paramagnética), pero las interacciones son probablemente demasiado débiles y de muy corto alcance, así que sólo se manifestarían en presencia de campos externos muy fuertes.

  2. Quizás con materiales diamagneticos, suspendidos en un liquido (agua por ejemplo) y sometidos a un campo magnetico en puntos y con intensidades clave, se podría conseguir la construcción molecular. ?????

  3. Acabo de empezar a estudiar el magnetismo molecular. Pensaba que se podría utilizar el magnetismo para configurar las macromoléculas. Esto seria a nivel atómico??

  4. No, no se trata de eso. Fermión y bosón son dos formas de clasificar a las partículas según su comportamiento colectivo. Los fermiones son aquellas partículas que siguen la estadística de Fermi-Dirac mientras que los bosones siguen la de Bose-Einstein. Simplificando mucho, los bosones, ya sean fotones u otro tipo de partícula con espín entero, pueden tener todos la misma función de onda, lo que por ejemplo hace posible la existencia del láser. Por el contrario, los fermiones (que tienen espín semientero) obedecen el principio de exclusión de Pauli y no pueden compartir la misma función de onda. Esta es la razón por la cual los electrones en un átomo se organizan en distintos niveles.

    La escala a la que se refiere la entrada del blog ya no es de partículas elementales o de átomos sueltos, así que realmente carecería de sentido hablar de fermiones y bosones, sino de moléculas grandes (macromoléculas), lo que implica que las cargas eléctricas están esencialmente en equilibrio y que entre estos componentes macromoleculares entran en juego interacciones débiles como las dipolares o las mediadas por el agua (grupos hidrófilos e hidrófobos). Precisamente gracias a esta naturaleza débil los distintos componentes pueden ensamblarse y desensamblarse con cierta facilidad, con mucha menor energía que la que requeriría por ejemplo el romper un enlace covalente (que en general quedaría fuera del rango de energías accesibles a temperatura ambiente).

  5. Si estoi entendiendo bien la física…esto viene a ser una configuración bosonica que atraiga y una los fermiones deseados. No???

  6. Esto me recuerda a las pinturas autorreparables de las que se hablaba en un capitulo anterior. Pinturas con moléculas «especiales» capaces de recuperar su forma original.
    Lo que me intriga es la posibilidad de añadir información o conocimiento estructural a moléculas inorgánicas, dotándolas de un ADN artificial.

  7. Interesante. El otro día, a raíz de una avería electrónica en mi Xbox, pensé que seria muy útil un liquido formado por materiales y nanorobots, o materiales inteligentes, que por si solos fueran capazes de reparar la avería (en mi caso una subida de tensión producida por un rayo). Una especie de «disolvente» capaz de utilizar el material del propio aparato para devolverlo a su estado funcional, añadiendo material si fuese necesario.

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