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Física

Para ver lo invisible

Nanotubo de carbono aumenta la resolución del microscopio

DANIEL UGARTE/UNICAMPDurante meses Denise Nakabayashi y Alberto Moreau pasaron varias horas por día moviendo una palanca de joystick como la de un videojuego en una pequeña sala del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) en Campinas. Quien los veía podía llegar a pensar que estuviesen jugando. Pero no, no estaban. Con la palanca de juego conectada a un cubo de metal un poco menor que una caja de zapatos, ellos controlaban dos pequeñísimas barras usadas para manipular un cilindro formado por algunos millares de átomos de carbono. El objetivo era fijar ese tubo –llamado nanotubo de carbono por tener unos pocos nanómetros de diámetro– al ápice de un cono de silicio centenas de veces mayor y, de ese modo, aumentar aún más la resolución de un microscopio de fuerza atómica. Ese aparato hace posible producir imágenes tridimensionales de la materia en la escala del nanómetro (millonésimas de milímetro) y también manipular átomos y moléculas, ya que analiza las superficies de modo semejante al dedo de una persona que lee braile. Cuanto menor es el diámetro de la punta, más detalles detecta.

Fueron necesarias decenas de intentos, cada uno consumiendo de 5 a 6 horas de trabajo, antes de que tuviera éxito. Denise y Alberto aproximaban el nanotubo que prontamente se adhería al cono de silicio, atraído por las fuerzas eléctricas de Van de Waals, observadas solamente en la escala de átomos y moléculas. Pero no funcionaba. Extremadamente flexible, el nanotubo se doblaba fácilmente en el caso que ellos lo pegasen a la superficie que iba a ser analizada. Hasta en el interior de una cámara de vacío, el nanotubo pasaba a vibrar como una cuerda agitada en los aires como consecuencia de la energía térmica, cuando quedaba muy largo, con más de mil nanómetros de largura.

Otras veces este tubo aparentemente delicado, pero tan resistente a la tensión como la seda o el hilo de la tela de araña, se despegaba del cono de silicio. Denise y Alberto entonces decidieron soldarlo al cono, usando el haz de electrones del propio microscopio. Apuntado hacia la región en que el nanotubo toca al cono de silicio, ese haz hace que los átomos de carbono dispersos en el vacío –casi siempre restan impurezas en el vacío creado en laboratorio– se acumulen en el punto de contacto. Pero no siempre el resultado era bueno. “El nanotubo continuaba vibrando y a veces se soltaba”, cuenta Denise.

La salida fue mejorar la soldadura. Denise y Alberto aumentaron el tiempo de soldadura de 20 a 60 minutos. Cuando miraron nuevamente la punta, vieron que una costra se había formado alrededor del nanotubo. A un mismo tiempo, solucionaron dos problemas: fijaron el nanotubo y eliminaron la vibración indeseada. “El resultado fue similar al que se consigue con el concreto usado en la construcción civil, que es flexible y resistente”, dice el físico Daniel Ugarte, que orientó el trabajo de Denise y desarrolla instrumentos nanométricos en el LNLS y en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp).

Después de preparar tres puntas, Alberto, alumno de doctorado de la física Mônica Cotta, de la Unicamp, las utilizó para hacer imágenes de la superficie de materiales semiconductores. Para sorpresa de todos, la misma punta produjo más de 400 imágenes, sin sufrir daños ni perder resolución. Es una durabilidad por lo menos 20 veces superior a la de las puntas de microscopio de fuerza atómica comercialmente disponibles, hechas con silicio, que se rompen después de10 ó 20 imágenes. “Las puntas de silicio son frágiles y se parten si tocan por accidente la superficie analizada. Ya las puntas de nanotubos, que son flexibles, se doblan y retornan a la posición original”, dice Mônica, que ahora comienza a usar esos equipamientos para investigar sistemas biológicos, como las bacterias Xylella fastidiosa y la biopelícula que forman en el interior de los vasos de las naranjeras. “Las puntas de nanotubos reforzadas no damnifican las células”, dice Mônica.

Como no entendían ciertamente por qué la punta de nanotubo soldada con carbono se volvía más estable, Mônica, Alberto, Ugarte y Denise tuvieron que pedir ayuda a físicos teóricos. Buscaron a Douglas Galvão y a Vitor Coluci, también de la Unicamp, que usan programas de computadora para intentar comprender lo que sucede al nivel de los átomos. En una serie de simulaciones, notaron que la capa extra de carbono alrededor del nanotubo absorbe el impacto del choque contra los obstáculos, como describen los investigadores en un artículo que será publicado en la Nano Letters. Como consecuencia de ello, la punta reforzada es más estable –y produce imágenes más bien definidas– que las puntas que otros grupos ya construyeron solamente con nanotubos.

Si el resultado es tan bueno, ¿no valdría la pena patentar el método de producción? Para Ugarte, no. “El mercado para esos objetos es restringido y la inversión para producirlos en escala mayor, muy alto”, dice. Además, comenta, en el caso de que logren puntas que aumenten aún más la resolución de esos microscopios, sería más ventajoso usarlas en sus propias investigaciones. “Así”, dice Ugarte, “lograríamos una ventaja durante algún tiempo”.

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