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Tecnología

Con precisión molecular

Sensores de dimensiones nanométricas detectan y diferencian sabores, olores y agentes contaminantes

Una nueva generación de sensores ultrasensibles, capaces de diferenciar matices en la composición de líquidos y gases, va a invadir el mercado en un futuro próximo, siguiendo la estela de los avances de la nanociencia y la nanotecnología. Éstas son áreas que investigan las propiedades de los materiales en la escala de uno a decenas de nanómetros, equivalente al nivel atómico o molecular (un nanómetro equivale a 1 milímetro dividido por 1 millón). En el corazón de estos dispositivos hay películas delgadísimas denominadas films nanoestructurados, de tan solo algunas moléculas de proteína, por ejemplo.

Son productos que ocupan un lugar central en los estudios de un grupo de investigadores del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP). “La perspectiva de uso de estos dispositivos es amplia, y va de los sensores para análisis de gusto, de gas y de líquidos hasta dispositivos electroluminescentes, tales como pantallas de computadora y de televisión, memorias ópticas, materiales holográficos y nanorreactores, minieaparatos ideales para producir reacciones químicas en ambientes muy controlados, con pocas moléculas, y que pueden usarse por ejemplo en la producción de baterías de celulares”, explica el físico Osvaldo Novais de Oliveira Júnior, coordinador del Grupo de Polímeros del IFSC, que tiene varios proyectos en este campo, muchos en cooperación con instituciones de Brasil y del exterior.

El campo de los sensores dotados de esas películas nanométricas es vasto, pero básicamente su manera de funcionar implica la inmovilización de una determinada proteína (sobre un material sólido, sin que pierda sus propiedades) utilizada para la detección de sustancias que reaccionan específicamente con ésta. El material sólido en este caso es un polímero llamado dendrímero, poseedor de estructuras globulares provistas de poros, que encapsulan a las proteínas sin que éstas pierdan sus actividades.

Con el uso de esta técnica, una de las investigaciones del grupo, en asociación con el Instituto de Química de la USP,  derivó en la producción de biosensores para la detección de glucosa en la sangre. Dicho estudio fue aceptado para su publicación en la revista Biosensors and Bioelectronics , de la editorial holandesa Elsevier.

Otra innovación del equipo, realizada en forma conjunta con el Grupo de Biofísica del Instituto de Física, podrá servir para el control de contaminantes. Es un sensor basado en la proteína Cl-catecol 1,2 dioxigenasa, que puede interactuar específicamente con el catecol, una sustancia organoclorada frecuentemente asociada a los insecticidas, presente en las aguas contaminadas.

El grupo también avanzó en la fabricación de un sensor para la detección del paraoxón, una sustancia tóxica que puede emplearse en la producción de armas químicas. “La relevancia de esta investigación reside en la alta sensibilidad del sensor, que solamente fue posible debido a la inmovilización exitosa de una enzima llamada hidrolasa organofosforada. El trabajo contó con la participación de investigadores de la Universidad de Miami y del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Un artículo sobre este estudio fue publicado en febrero del año pasado en el Journal of the American Chemical Society , una de las más importantes revistas internacionales de química.

Los sensores desarrollados en São Carlos también funcionan de otra manera: sin reconocimiento celular entre las moléculas del film y de las sustancias que serán detectadas. De esta forma, el sensor funciona basado en un cambio en las propiedades de la película a partir de una interacción física con la sustancia analizada y no por la interacción específica entre determinadas moléculas.

Las propiedades que se alteran con la interacción pueden ser ópticas o eléctricas. Tal es el caso de la lengua electrónica, una de las más notables innovaciones tecnológicas surgidas de estos estudios. En dicho aparato, las moléculas de la sustancia que debe ser detectada no necesariamente precisan reaccionar con las moléculas del film. Basta apenas con alterar las propiedades eléctricas de la superficie del sensor, que es sumamente sensible debido a la naturaleza ultrafina del film.

La lengua electrónica es un sensor de gusto construido con una lámina nanoestructurada de una sola capa de moléculas poliméricas (lea en Pesquisa FAPESPN° 73 y 90 ). Este dispositivo desempeña una función similar a la de las papilas gustativas, pero con un grado de sensibilidad mucho mayor que el de la lengua humana.

Este invento, elaborado por la unidad de Instrumentación Agropecuaria de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) de São Carlos, contó con la colaboración del Grupo de Polímeros de la USP y se encuentra en fase de pruebas en la Asociación Brasileña de la Industria del Café (Abic) para la diferenciación de sabores de esa bebida. Y cabe acotar que, si ya existe la lengua electrónica, los investigadores proyectan ahora nanofilms para una futura nariz electrónica, capaz de detectar y diferenciar olores.

Los films nanoestructurados, elaborados a base de materiales orgánicos, no son autosostenibles, lo que significa que no puede manipulárselos. Por eso se los deposita sobre un sustrato sólido: un polímero o una lámina de vidrio, de metal o de semiconductor. El espesor de estos films es rigurosamente controlado y depende del número de capas moleculares que lo componen, al margen del tamaño de cada molécula, en general, éstas miden entre 1 y 2 nanómetros de espesor.

De acuerdo con Oliveira Júnior, el objetivo de su equipo es desarrollar estas nanopelículas, siempre con la preocupación de llegar a posibles aplicaciones y a transferencias de tecnología.

“Hemos mantenido contactos con empresas interesadas en la aplicación de los métodos de la nanociencia y la nanotecnología para el perfeccionamiento de la producción de los materiales, pero hasta el momento no hemos sellado ningún acuerdo”, comenta el investigador. Pero la búsqueda de las innovaciones ha rendido buenos resultados. El grupo tramita una solicitud de patente inherente al almacenamiento óptico de datos, que permitirá que un film nanométrico pueda aplicarse en una tarjeta de crédito, por ejemplo, dificultando así los robos y los fraudes.

Pero en el área de almacenamiento de datos, los investigadores del IFSC pretenden ir aún más lejos. Están abocados al desarrollo de un polímero capaz de almacenar datos digitales en tres dimensiones. Este trabajo se lleva adelante en cooperación con el Grupo de Fotónica del Instituto de Física de la USP de São Carlos. La idea de los investigadores es desarrollar un bloque que reciba datos en diferentes capas para expandir la capacidad de almacenamiento.

“Es el gran sueño de los científicos. La principal ventaja de esta tecnología en comparación con lo que existe hoy en día consiste en que genera un incremento de la capacidad de memoria”, comenta Oliveira Júnior. “En la actualidad el almacenamiento se hace únicamente en dos dimensiones. Sabemos ya cómo producir este polímero y ahora vamos a presentar un artículo para su posible publicación en una revista internacional.”

Pese a esa amplitud de aplicaciones, los films nanoestructurados no se emplean comercialmente en gran escala todavía. “Las películas son muy caras y por ahora no existe un sistema de producción industrial a un costo accesible”. Este problema obedece en parte al gran número de materias primas utilizadas en la producción de estos films. El grupo de Oliveira Júnior trabaja principalmente con polímeros conductores electrónicos y luminescentes, moléculas fotorreactivas como los azopolímeros (substancias sintetizadas a partir del benceno, la anilina y otros compuestos derivados del petróleo).

Vale la pena resaltar también la importancia de los estudios del grupo con la quitosana, una sustancia extraída del caparazón de crustáceos como el camarón y el cangrejo. Estas moléculas tienen un gran poder fungicida y bactericida, y una gran capacidad de alearse a metales y otras sustancias, lo que potencializa su uso como sensores.

Técnicas de fabricación
Existen dos técnicas principales para la producción de nanofilms: la de Langmuir-Blodgett, conocida sencillamente como LB, y el automontaje o layer-by-layer (LBL), que significa capa a capa. La primera de éstas fue desarrollada en los años 1930 y lleva ese nombre en homenaje a dos científicos americanos que trabajaron en General Electric, Estados Unidos, a comienzos del siglo XX: Irving Langmuir y Katharine Blodgett.

Los films LB se elaboran dentro de un recipiente apropiado, denominado Cuba de Langmuir. Al iniciar del proceso, el material que dará origen al film se disuelve en un solvente volátil que puede se el cloroformo, y se esparce en la Cuba de Langmuir, que contiene agua. Una vez evaporado el solvente, se utilizan barreras móviles para formar una película molecular sobre la superficie del agua denominada film de Langmuir. La misma es comprimida hasta llegar a un estado condensado. Luego la película es transportada a un sustrato sólido, formando así el film de Langmuir-Blodgett.

La técnica de automontaje (capa por capa), desarrollada por el investigador alemán Gero Decher a comienzos de la década pasada, se vale del principio de adsorción (fijación) física, donde las moléculas se adhieren al sustrato debido a la atracción de cargas eléctricas opuestas. La principal diferencia entre los films LB y los automontados es que estos últimos son elaborados con base en materiales solubles en agua, mientras que los films LB se hacen con materiales insolubles en agua. “La ventaja de la técnica de automontaje sobre la LB radica en su sencillez experimental, pues no se requiere contar con instrumentos sofisticados para la producción de los films”, explica el físico de la USP.

Red de colaboración
El investigador hace hincapié al declarar que los avances obtenidos por su equipo se deben en gran medida al trabajo cooperativo con otras instituciones. “Nuestras investigaciones se hacen dentro de una red de colaboración de Brasil y del exterior, lo que nos permite aprovechar la experiencia de otros investigadores y utilizar varias técnicas experimentales para la fabricación y el estudio de los nanofilms”, dice Oliveira Júnior.

Entre las instituciones que trabajan con el Grupo de Polímeros se destacan la Universidad Estadual Paulista (Unesp), la Unicamp, el Coppe (UFRJ), la Universidad Federal de Uberlândia y la Universidad Estadual de Ponta Grossa, entre otras. A nivel internacional, las investigaciones cuentan con el apoyo de las universidades de Leipzig, Alemania; de Bangor, Reino Unido; de Cracovia, Polonia; de Windsor, Canadá; Nova de Lisboa, Portugal; de Miami y de Massachusetts, Estados Unidos.

De acuerdo con Oliveira Júnior, la FAPESP financió una buena parte de la estructura para la fabricación de los films, incluso la sala limpia (un ambiente con la mínima cantidad posible de partículas indeseables en el aire) del laboratorio donde éstos son procesados.

“Estimo que, desde 1991, la FAPESP ha destinado en torno de 500 mil dólares a nuestro grupo, específicamente para films nanoestructurados”, comenta el físico. Ese apoyo se visto recompensado con la formación de profesionales especializados y de una vasta producción científica. El Grupo de Polímeros ha formado a más de 20 investigadores en el área de nanofilms, y en los últimos cuatro años se han producido alrededor de cien artículos para su publicación en revistas indexadas internacionales.

Los Proyectos
1-Films Ultrafinos de Langmuir-Blodgett y Automontados
2-Films Langmuir-Blodgett y Automontados

Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Osvaldo Novais de Oliveira Júnior ? IFSC-USP
Inversión
1- R$ 49.310,00 y US$ 56.050,00
2- R$ 82.621,70 y US$ 70.822,75

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