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Especial // Año Internacional de la Química

Pequeñas herramientas para grandes usos

Conferencias exponen perspectivas de utilización creciente de nuevos nanomateriales

NINA KREISEn un mundo invisible a simple vista, ínfimas partículas detectan sustancias, cápsulas minúsculas transportan medicamentos hasta puntos exactos del organismo, tubos decenas de miles de veces menores que un cabello participan en la recuperación de zonas contaminadas. El universo de los materiales en escala nanométrica es cada vez más amplio, revela usos de diversidad creciente y permite la construcción de aparatos cada vez menores.

Las conferencias del segundo encuentro del Ciclo de Conferencias del año Internacional de la Química, realizadas en São Paulo el día 12 de mayo, constituyeron un paseo por ese paisaje normalmente oculto, pero también mostraron que no es misterioso solamente para los legos. Los ingenieros químicos que emplean nuevos materiales no entienden nada de química, bromeó la coordinadora de la conferencia Rosario Bretas, de la Universidad Federal de São Carlos. Ella misma, una ingeniera, suele considerar que la química es un problema. Necesitamos saber cuánto usar de cada elemento y cuáles son las condiciones ideales para que se formen nanoestructuras útiles, comentó, haciendo hincapié en la importancia de las exposiciones que seguirían: las de los químicos Fernando Galembeck y Oswaldo Alves, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), y Henrique Toma, de la Universidad de São Paulo (USP). El ciclo, que se extiende hasta noviembre, es una iniciativa de la FAPESP y de la Sociedad Brasileña de Química, como parte de la celebración del Año Internacional de la Química, bajo el lema Química: nuestra vida, nuestro futuro, promovida por la Unión Internacional de Química Pura y  Aplicada en asociación con la Unesco.

Fernando Galembeck puso de relieve la necesidad de reconocer que la ciencia enfrenta actualmente muchos impasses. Algunos temas del día a día, como el rozamiento y la electrostática, son muy poco conocidos por científicos de cualquier área, debido a la falta de atención a los fenómenos químicos implicados, sostuvo. Según él, es esa ignorancia lo que permite que sucedan explosiones causadas por descargas electrostáticas, como la que destruyó el Vehículo Lanzador de Satélites en la base de Alcântara, en Maranhão, en 2003. ¡No sabemos qué es lo que mantiene a las pequeñas gotas unidas para formar nubes! Como tienen carga, deberían repelerse.

Los estudios de Galembeck han venido demostrando que las superficies tienen propiedades eléctricas inesperadas, derivadas de la nanoestrutura química. Para aprovechar este conocimiento, hay que mantener la mente abierta y salir de los cánones establecidos. Un fenómeno central, según mostró, es el patrón de distribución de las cargas eléctricas en las superficies. Aún no he encontrado una superficie eléctricamente lisa. Con base en esto, el investigador creó y ha aplicado con éxito un nuevo modelo en el cual los iones del agua le confieren carga a las superficies de los materiales, alterando sus propiedades. Según Galembeck, las moléculas de agua penetran en cualquier material. Los primeros artículos no fueron aceptados tan rápido, debido quizá a la propia novedad, pero actualmente los resultados son muy bien recibidos por los expertos.

El efecto de la electricidad en el agua se ilustra bien en un video que muestra gotas que caen desde una aguja electrizada. Al principio, las gotas son redondeadas y el goteo es lento. A medida que el voltaje se vuelve más negativo, el ritmo se hace cada vez más rápido y las gotas salen más alargadas, hasta que forman un hilo continuo. La atmósfera es un reservorio de cargas, y la transferencia de cargas anula la tensión superficial que mantiene la estructura de la gota, explicó. Lo importante es percatarse de que para avanzar en el desarrollo de materiales innovadores, es necesario volver a las raíces del conocimiento, sin jerarquizarlo. Son teorías químicas antiguas las que han permitido ir afianzando este avance teórico, sintetiza Galembeck, quien actualmente se aboca a la realización de experimentos destinados a capturar energía eléctrica en la atmósfera. En escala reducida, ya que, como él bromea, aún no ha obtenido financiamiento como para captar rayos en tempestades.

Autoorganización
La importancia del comportamiento de los electrones, la base de la electricidad y de la electrónica, fue recurrente en los dichos de los investigadores. Pero, más allá de la electricidad, resulta indispensable entender todos los parámetros vinculados con las propiedades de los compuestos, que en ocasiones se forman por cuenta propia. En busca de novedades, Oswaldo Alves se pone en la posición de observador de los fenómenos naturales para detectar la emergencia de la complejidad en materiales nanoestructurados. En los materiales porosos ordenados, por ejemplo, demostró que la temperatura tiene efectos sobre las características de las paredes que sostienen la estructura. Temperaturas a partir de los 800 graus Celsius (°C) hacen que esa estructura se colapse.

La construcción de nanomateriales no es novedad: Hace 20 años ya era factible construir quantum dots en Brasil, afirmó Alves, en referencia a los nanocristales, semiconductores también conocidos como puntos cuánticos, con una infinidad de usos en áreas tales como la de telecomunicaciones y la de aparatos ópticos. La terminología empleada por los especialistas es peliaguda, pero, en la práctica, basta con trabajar con bloques de construcción específicos y reunir las condiciones ideales, como la temperatura, por ejemplo, para que se forme una estructura con la morfología y el tamaño deseados.

eduardo cesarOswaldo Alves, Henrique Toma y Fernando Galembeckeduardo cesar

Un caso paradigmático lo constituyen los nanotubos, en general elaborados a base de carbono, como es el caso de las láminas de grafeno, compuestas por una capa de átomos de carbono (lea el texto aquí) y enrolladas. Pero el grafeno es un semiconductor, recordó el investigador, subrayando que usos distintos requieren materiales con propiedades específicas. En su laboratorio, él logró construir nanotubos completamente inorgánicos (sin carbono) hechos en vanadato o titanato, y  nanobastones de trióxido de molibdeno, que, vistos en un microscopio muy potente, parecen palitos de helado.

Cuando produjo esferas de sulfuro de molibdeno, notó que tenían una apariencia extraña. La solución entonces fue usar un microscopio con haz de iones focalizados (FIB, sigla en inglés), que permite el manipule de las partículas. El haz hace que las esferas se esparzan como si formasen un billar, comparó. Con esa herramienta fue posible cortar una de las esferas y verificar que era hueca. Luego de la concepción y la construcción viene la aplicación, que es otra cosa. Las nanoesferas huecas pueden servir como nanoacarreadores, por ejemplo, para transportar medicamentos a locales específicos del organismo. Otra aparición inesperada sucedió al producir nanohilos de vanadato de plata, que pueden tener propiedades antibacterianas, decorados con nanopartículas de plata. En el microscopio, esas minúsculas partículas tenían una cara conocida: eran parecidas a Mickey (vea el video aquí). Antes de dudar de la seriedad del grupo de investigación, que quede claro que los investigadores no pierden el tiempo intentando construir personajes de historietas invisibles a simple vista. Ese fenómeno de autoorganización no fue intencional, pero lo cierto es que la mirada debía estar preparada para verlo, comentó.

El desarrollo de nuevos materiales, para él, puede significar algo así como ponerle ropa nueva a antiguos y conocidos compuestos, y aprovechar de manera inteligente los fenómenos de autoorganización, sobre todo cuando se piensa en las aplicaciones. Si el nanomaterial es muy exótico, y no cuenta con una historia epidemiológica ni con datos de nanotoxicología, se vuelven mayores las dificultades para lograr su aprobación para su uso clínico, por ejemplo.

Pieza por pieza
También en busca de novedades útiles, Henrique Toma, de la USP, se vale de un enfoque que se aproxima más al de un constructor de modelos. Intentamos hacer que los componentes actúen en forma concatenada, describió, en lo que constituye una especialidad conocida como química supramolecular. Lo que Toma considera como un sueño es transformar la química de todos los días en una química más ordenada, dominando sus características y haciendo que las moléculas se vuelvan realmente inteligentes.

Tiene conciencia de que vive en un nuevo mundo en el cual las moléculas se han convertido en materiales, y estructuras invisibles mueven la economía. Un ejemplo  de ello lo constituyen las películas de oro de un espesor de una milmillonésima de metro, tan delgadas que la luz que pasa por dentro de ellas logra interactuar con los electrones de la superficie de ambas caras. El ángulo en que la luz entra en resonancia con los electrones y es completamente absorbida permite detectar el material que se posa sobre la superficie con dimensiones mucho menores que las de un grano de arena. Esta herramienta está empleándose en el laboratorio para monitorear el ADN y estudiar cómo éste interactúa con drogas y con otros agentes químicos. Con este tipo de técnica, Toma trabaja para desarrollar dispositivos para la medicina, para la conversión de energía, y sensores eficientes y casi sin costo para alimentos, bebidas y  fármacos, por ejemplo. El cliente más importante de las innovaciones producidas en su laboratorio es Petrobras, que requiere una variedad de nanomateriales tales como catalizadores y detectores de contaminantes para su uso en campo.

La transferencia de electrones, esencial para todos los procesos de formación de compuestos, da origen incluso a manifestaciones artísticas, tal como lo demostró Toma. Su grupo de investigación desarrolló pigmentos con moléculas orgánicas especiales e iones metálicos que, cuando se los rocía o se los sumerge en una solución con nanoferratos, revelan una imagen mediante la transferencia de electrones entre las sustancias. Solía ser la apertura de los shows de química: los alumnos sumergían papel de filtro en el líquido y de repente surgía la bandera de Brasil, comentó. Este proceso dio origen a la imagen que Toma hizo en homenaje al Premio Nobel que recibió en 1983 el estadounidense Henry Taube, el primero en plantear un modelo de transferencia de electrones. Es un resumen de toda la teoría que le significó el premio. Toma no sabe cómo interpretó Taube la pintura cuando la recibió, pero el investigador de la USP afirma que la misma representa todos los elementos importantes en el modelo que desarrolló el norteamericano. Es un buen ejemplo de principios básicos de la química dando origen a fenómenos inesperados, con un aspecto lúdico gratificante.

Los tres conferencistas dejaron claro que ese sesgo lúdico permea el estudio de la química. La investigación de fenómenos químicos, de la formación de compuestos y  la observación de su comportamiento es para ellos una permanente fuente de deslumbramiento. Galembeck les hizo extensiva a los estudiantes y a los curiosos de la química la invitación de Jean-Marie Lehn, químico francés ganador del Premio Nobel en 1987, en la inauguración del Año Internacional de la Química: El libro de la química aún está por escribirse, la música de la química aún está por componerse. Los invito a participar de esta obra de creación.

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