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Ciencia

Arquitectos de moléculas

Investigación que interviene en la estructura de bloques ínfimos de materia produce compuestos como un sensor para conservantes de vinos

En el siglo XXI el mundo de la ciencia va a ser menor, según los que se dedican a la emergente área de la nanotecnologia molecular. Los especialistas del sector de las nanociencias pretenden dominar la manipulación de moléculas y de la menor partícula de materia capaz de conservar las características químicas de un elemento: el átomo.

Ese es el propósito de Henrique Toma, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP). En el proyecto Desarrollo de Supermoléculas y Dispositivos Moleculares, financiado por la FAPESP, Toma se dedica a criar en laboratorio sistemas estables en escala nanométrica, lo que se denomina supermoléculas. Un nanómetro es igual a 10-9 metro, la mil milésima parte de un metro o la millonésima parte de un milímetro, en síntesis, un espacio donde caben como máximo diez átomos.

En la manipulación de la mayoría de las supermoléculas a las que se refiere el proyecto, el objetivo es reproducir en ellas alguna reacción química presente en la naturaleza o en el cuerpo humano, como la fotosíntesis – en la cual la planta utiliza la luz para convertir agua, dióxido de carbono y minerales en oxígeno y compuestos ricos en energía – o las derivadas de la acción de enzimas.

En teoría, el control pleno de la nanotecnología molecular, un sueño aún distante, le permitiría al hombre reordenar bloques ínfimos de materia como le plazca. Y así, rehacer moléculas existentes o crear otras nuevas. “Casi no existe campo de la actividad humana en el cual la nanotecnología molecular no pueda serle útil al hombre, desde la producción de alimentos hasta el tratamiento de enfermedades”, dice Toma.

Vino equilibrado
Uno de los compuestos que Toma más utiliza son las porfirinas, un tipo de pigmento abundante en la naturaleza y que actúa en varios procesos biológicos. En el hombre, por ejemplo, porfirinas ricas en hierro están presentes en la hemoglobina y son responsables del transporte y almacenamiento de oxígeno en los tejidos vivos. Son ellas las que generan la tonalidad roja de la sangre y los músculos.Y las plantas verdes se distinguen por la presencia de una sustancia derivada de las porfirinas: la clorofila, esencial para la fotosíntesis.A partir de la combinación de dos tipos de porfirina, Toma y su colega en el Departamento de Química Fundamental del IQ-USP, Koiti Araki, produjeron algunos compuestos interesantes. Uno de ellos fue una supermolécula que se organiza espontáneamente formando una película fotoquímica (que reacciona ante la luz) o catalítica (capaz de acelerar una reacción química). Otro compuesto forma un film molecular que funciona como sensor de sulfito: un descubrimiento que vale un brindis.

Esto último merece una explicación: si se lo explota comercialmente, dicho sensor puede ser muy útil para los productores de vino. Las bodegas usan como conservante el sulfito – un antioxidante, sustancia capaz de retirar el aire de la bebida. Con todo, para evitar daños a la salud, la cantidad de sulfito debe ser controlada constantemente.

En el prototipo desarrollado en colaboración con Lúcio Angnes, del IQ-USP, la película de porfirina creada para servir como sensor reviste un tubito conectado a un electrodo. Cuando el vino entra en contacto con el sensor al escurrirse por el tubo, el electrodo acusa una corriente eléctrica, por medio de la cual, indirectamente, se logra saber cuál es la cantidad de sulfito en la bebida: cuanto mayor es la cantidad de sulfito, mayor es la corriente eléctrica.Toma menciona dos ventajas del sensor de sulfito desarrollado en la USP con relación a los equipamientos corrientes: costo bajo y medición inmediata. “El resultado sale en 30 segundos. Los métodos tradicionales demoran hasta 40 minutos”, dice Toma. Además, la medición se realiza en pocos mililitros de la bebida, lo que evita el desperdicio.

Equipamientos simples
No siempre es necesario recurrir a equipamientos de última generación para producir supermoléculas. Para crear algunas de sus supermoléculas de porfirina – material de consumo encontrado en cualquier laboratorio – Toma y Koiti solo usaron, además de los reactivos, láminas de vidrio y tres recipientes con soluciones. Y siguieron un método igualmente sencillo de construcción de compuestos: el de la inmersión.

De manera general, su procedimiento en el método de la inmersión podría resumirse así: Toma separó tres recipientes y llenó el primero con una solución de porfirina con carga eléctrica positiva (en realidad, una molécula de porfirina conectada a cuatro moléculas de rutenio, un metal raro usado para endurecer aleaciones de platino y paladio). En el segundo, derramó un preparado de porfirina con carga negativa (una porfirina con otros cuatro grupos sulfona).

Y el tercero recibió agua. El siguiente paso consistió en tomar una lámina de vidrio y sumergirla en los recipientes uno, dos y tres, en ese orden. Resultado: sobre la lámina se formó una película de dos capas, la primera de porfirina positiva y la segunda de porfirina negativa (el agua sirve solo para retirar el exceso de ambos compuestos). La inmersión puede repetirse varias veces, ampliando así el grosor de la película resultante, que es un ejemplo de la química de las supermoléculas.

Como se ve en el esquema del nuevo montaje de la supermolécula, las dos porfirinas originales no se mezclan. Los átomos de la solución negativa se encajan sobre los de la solución positiva, formando una nueva arquitectura molecular, un compuesto con propiedades totalmente diferentes a las de las sustancias que lo originaron. “La creación de este compuesto es fruto de un proceso de ingeniería molecular. La supermolécula no surgió por casualidad. Fue planeada”, afirma Koiti Araki.

Este sencillo procedimiento esconde un complicado razonamiento de arquitectura molecular. Antes del experimento, es necesario saber cómo se reordenarán estructuralmente los átomos y las moléculas al final de la reacción y si dicho reordenamiento será permanente o transitorio.Es algo mucho más sutil y complejo que imaginar que el resultado de una reacción será solo la suma de los átomos intervinientes en el experimento. La estructura de la supermolécula, la forma en que sus átomos se entrelazan y crean la maraña físico-química que les da origen, es tanto o más importante que su fórmula química.

Diamante y grafito
La comparación de diamante y grafito es un buen ejemplo. Ambos son minerales formados únicamente por átomos de carbono, solo que estructurados de manera totalmente diferente. El grafito se estructura en capas de anillos de seis átomos, ordenados en láminas horizontales distantes entre sí. En el diamante, cada átomo se conecta a otros cuatro equidistantes, en una arquitectura cerrada, densa y resistente, en forma de cristal tetraédrico u octaédrico.

Es precisamente esa arquitectura interna diferente la que hace al diamante un material transparente y con una dureza sin igual en la naturaleza, mientras que el grafito es oscuro, liso y quebradizo. Si un día los nanotecnólogos logran el pleno dominio de las moléculas, podrán reorganizar los átomos de grafito y transformarlos en diamante.

Hace más de un siglo que el hombre saca algún provecho del mundo nano: la industria de neumáticos, por ejemplo, usa nanopartículas de carbono para reforzar la goma de su producto. “El mundo nano está aquí. Somos nosotros los que aún no nos dimos cuenta”, dice Elson Longo, investigador del Departamento de Química de la Universidad Federal de San Carlos (UFSCar).

No obstante, las bases de la noción moderna de nanotecnologia molecular son más recientes. Al final de 1959, en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física, Richard P. Feynman profirió un discurso provocativo que entraría a la historia como el puntapié inicial. “¿Por qué no podemos escribir los 24 tomos de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler?”, fue una de sus frases más instigadoras.

Desde entonces se busca, más que la utilización de las posibles propiedades benéficas de nanopartículas, el poder actuar en el nivel nano: manipular los átomos. Construir, reconstruir, perfeccionar y inventar moléculas. Por ahora, la nueva ciencia vive de muchas promesas y modestos resultados prácticos. Para acelerar el ritmo, el Instituto Foresight de Palo Alto, en California, echó mano a una antigua y eficiente manera de estimular la inventividad: un buen premio en dinero.

Premio para menores
El investigador o grupo que primero diseñe y construya dos dispositivos: un brazo robótico que se acople a un cubo de como máximo 100 nanómetros de dimensión y sea capaz de manipular átomos y moléculas en estructuras mayores, y una especie de computadora que se encaje en un cubo de hasta 50 nanómetros y desempeñe idénticas funciones que una calculadora de 8 bits llevará a casa el Gran Premio Feynman y 250 mil dólares. El desafío fue lanzado en 1996 y continua válido. Ya se admite que el Foresight elevaría el premio a un millón de dólares en caso de recibir donacionessuficientes.

Aunque lejos de producir un artefacto revolucionario como los pedidos, Toma ostenta un reconocimiento: en 1996, ganó el premio de Química de la Academia de Ciencias del Tercer Mundo, con sede en Italia, por sus estudios para el desarrollo de supermoléculas basadas en complejos polimetálicos.

Para avanzar más, Toma pretende instalar en su laboratorio un aparato básico del nanomundo: un microscopio de fuerza atómica y tunelamiento. Esas dos técnicas de microscopía permiten visualizar e intervenir en cada átomo de una molécula, aunque de manera precaria. Si los adeptos de la nanotecnologia molecular fueran astrónomos, según Toma, el microscopio de tunelamiento y fuerza atómica sería su telescopio más potente.

Admirable nanomundo nuevo
Muchas cosas cambiarán si los científicos y tecnólogos de la nanociencia logran producir sus inventos. No faltan ejemplos teóricos. Nanocompuestos ingeridos por el ser humano velarían por mantener el organismo saludable, desobstruyendo arterias y combatiendo agentes infecciosos. Nanorrobots producirían combustible a bajo costo, sin agredir el ambiente o consumir sus recursos. Nanotubos de carbono tomarían el lugar de los transistores y reemplazarían al silicio en la fabricación de potentes nanochips. El invento supremo sería una fábrica de estructuras moleculares: un montador de moléculas capaz de fabricar cualquier compuesto, incluso copias de sí mismo.

Un delirio, según los escépticos. Mucho peor, dicen los apocalípticos: si se logra el completo dominio de los átomos, el hombre podrá provocar la destrucción de su propia especie e incluso la del planeta. A decir verdad, el dominio pleno del universo de las moléculas aún está lejos. Zyvex, una de las nuevas compañías del sector en California, estima que en cinco o diez años pondrá alguna invención en el mercado, pero no sabe cuál. Al fin y al cabo, argumenta, en 2005 o 2010 las personas tendrán necesidades diferentes de las actuales.

Brasil convoca a interesados
A juzgar por las inversiones que los países desarrollados comienzan a hacer en el área, la ciencia de lo pequeño ya se ha convertido en un campo de investigación millonario. En octubre último, el Congreso de Estados Unidos aprobó una partida presupuestaria anual de casi 500 millones de dólares que el gobierno había pedido para lanzar su Programa Nacional de Nanotecnología. En 2001, Japón pretende gastar 400 millones de dólares en nanociencia, un 41% más que en 2000. Los europeos sostienen iniciativas aisladas y conjuntas, también impulsadas por grandes inversiones. Pero, ¿y Brasil?

Hasta ahora, existen iniciativas aisladas en São Paulo y otros estados, con trabajos que podrían incluirse en el marco de una amplia iniciativa nacional. El país aún no tiene un programa nacional de nanociencias, pero parece que será por poco tiempo. El 22 de noviembre pasado, el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) convocó a una reunión en Brasilia para interesados en participar en un posible programa nacional de nanotecnología. Se presentaron 32 investigadores. Al final del encuentro, se formó una comisión que está recibiendo sugerencias para el programa, que se lanzaría en el segundo semestre de 2001.

El amplio mundo de las nanociencias se dividió en tres grupos temáticos, como en el programa americano: 1) nanodispositivos, nanosensores, nanoelectrónica (semiconductores, materiales magnéticos, nanotubos, optoelectrónica, fotónica); 2) materiales nanoestructurados; y 3) nanobiotecnología/nanoquímica. “Estamos intentando detectar las áreas deficitarias de la ciencia nacional. Sabemos que nanotecnología es un sector emergente y muy importante. Con este encuentro, pudimos sentir el interés de la comunidad científica. Ahora queremos mapear en detalle quiénes ya están haciendo y qué se está haciendo en ese campo, para después formular posiblemente un programa nacional”, dice Celso Pinto de Melo, director de políticas horizontales e instrumentales del CNPq. El domicilio electrónico de la comisión, nano@cnpq.br, recibe los e-mails de los interesados.

EL PROYECTO
Desarrollo de Supermoléculasy Dispositivos Moleculares
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Henrique Toma – Instituto deQuímica de la USP
Inversión
R$ 104.000,00 y US$ 186.000,00

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