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Tecnología

Para esculpir con luz

Una técnica permite crear micro y nanoestructuras poliméricas de geometría compleja

IFSC/USPLa utilización del láser en medicina, en cirugías oculares, por ejemplo, y en las telecomunicaciones, en el interior de la fibra óptica, es harto conocida. Pero los diversos tipos de láser pueden ser mejor explotados en otras actividades. En la actualidad, lo que se busca mediante la investigación científica y tecnológica con esos haces concentrados de luz es el uso más ampliado en las escalas de tamaño en micrones y nanómetros. En tal sentido, un paso importante lo han dado investigadores del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC/USP). En asociación con un grupo de investigadores de la Universidad Harvard, Estados Unidos, dominaron la técnica óptica que se vale de pulsos ultracortos de luz láser para fabricar estructuras poliméricas tridimensionales y de geometría compleja que no se pueden ver a simple vista. El dominio de este nuevo proceso permitirá en el futuro la fabricación de dispositivos miniaturizados para circuitos eléctricos, microcápsulas para entrega controlada de medicamentos, microagujas de uso médico, memorias ópticas de dimensiones micro o nanométricas, microplataformas para el crecimiento de tejidos biológicos, microguías de onda en aparatos de telecomunicaciones y minúsculos elementos para sistemas de procesamiento de información, como las aún inéditas computadoras ópticas.

Con el nombre de fotopolimerización por absorción de dos fotones, esta técnica es muy reciente y fue propuesta en 1997 por el investigador japonés Satoshi Kawata, profesor especializado en nanotecnología de la Universidad de Osaka. Pero fue en 2001, con la publicación de un artículo en la revista Nature a cargo del grupo de Kawata, que cobró proyección en los medios científicos internacionales. En la actualidad, pocos grupos de investigación a nivel mundial, notoriamente en Japón, Estados Unidos, Alemania y Corea del Sur, logran reproducirla. Y ahora Brasil se incluye en esta lista con el grupo de São Carlos.

Para dimensionar el avance que esta técnica representa, es necesario antes saber que la polimerización es una reacción química por la cual se fabrican los más variados tipos de plásticos. Mediante este proceso, moléculas llamadas monómeros se unen químicamente y resultan en materiales sólidos constituidos por macromoléculas.

La reacción de polimerización puede iniciarse de diversas maneras, incluso ópticamente, con la incidencia de luz, y entonces recibe el nombre de fotopolimerización. En dicho caso se utiliza un compuesto llamado fotoiniciador, el cual, al absorber la luz que incide sobre él, inicia el proceso de transformación de la resina líquida y viscosa en un material sólido. La principal diferencia de la fotopolimerización por absorción de dos fotones es que la reacción queda confinada a la región focal de la luz, lo que significa que solamente en ese punto se produce la solidificación del material. Con el movimiento del haz de láser y, por ende, de su foco, es posible fabricar estructuras tridimensionales complejas con resolución micro y nanométrica, del orden de milésimas o millonésimas de milímetro.

De una forma más sencilla, podemos decir que en la medida en que el haz de láser, controlado por computadora, va recorriendo la resina polimérica, el material va endureciéndose. Es como si el haz de láser fuera diseñando por solidificación la estructura deseada en el espacio tridimensional, no solamente en el plano, afirma el físico Cleber Mendonça, profesor del IFSC y líder de las investigaciones. En el proceso tradicional de fotopolimerización, donde tan sólo un fotón es absorbido por el compuesto fotoiniciador, no se puede fabricar estructuras tridimensionales tan pequeñas, destaca el investigador, quien hace hincapié en que la nueva técnica depende de altas intensidades luminosas generadas por láseres pulsados de femtosegundos, la unidad de tiempo que corresponde a un segundo dividido por mil billones de veces, o 10-15 segundos. Actualmente, los pulsos de láser de femtosegundos se usan en investigaciones que apuntan principalmente al desarrollo de transistores ópticos.

La asociación con la Universidad Harvard, que permitió el dominio de la técnica, comenzó en agosto de 2005, cuando Cleber Mendonça hizo su posdoctorado, finalizado en diciembre de 2007, en el grupo del profesor Eric Mazur, en el Departamento de Física y Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de dicha institución. Mazur es considerado una de las mayores autoridades mundiales en la utilización de pulsos de láser ultracortos para la microfabricación y  microestructuración de materiales. La temporada en el exterior contó con el apoyo de una beca en la modalidad Nuevas Fronteras de la FAPESP, destinada al financiamiento de pasantías de larga duración en centros de excelencia internacionales en áreas de investigación aún deficientes en el estado de São Paulo. El Grupo de Fotónica del Instituto de Física de São Carlos ya trabajaba con procesos ópticos no lineales que dependen de la intensidad luminosa y pulsos de luz láser ultracortos desde hace varios años. Pero fue durante el tiempo que pasé en Harvard cuando entré en contacto con la técnica de fotopolimerización por absorción de dos fotones, afirma Mendonça, quien cuenta también con financiamiento de la FAPESP por medio de un proyecto de auxilio regular a la investigación. En el marco de este proyecto, el investigador también estudia la utilización de láser de femtosegundos en la estructuración superficial (bidimensional) de materiales.

Pese a ser una técnica bastante prometedora en el área de microfabricación, Mendonça dice que aún no existen productos elaborados en escala comercial mediante este proceso; solamente prototipos. Creemos que en pocos años las primeras microestructuras comerciales fabricadas mediante el proceso de fotopolimerización por absorción de dos fotones saldrán al mercado. Los estudios más avanzados se concentran en el área de MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), sistemas microelectromecánicos proyectados en escalas micrométricas, tales como sensores, motores y actuadores, dice el investigador de la USP. Una de las empresas pioneras en la nueva técnica es la estadounidense Focal Point Microsystems LLC, una spin-off (empresa de tecnología originada en una institución) fundada por investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia, más conocido como Georgia Tech, de Estados Unidos, que está desarrollando un aparato comercial de banco para fotopolimerización vía absorción de dos fotones, apuntando a aplicaciones comerciales en MEMS.

Compuestos dopados Una importante diferencia del trabajo realizado en São Carlos es el dopaje de las microestructuras poliméricas con compuestos orgánicos de interés. Dopaje es el término científico dado a la adición de sustancias extrañas a un material cualquiera con propósitos bien definidos, como por ejemplo la mejora de algunas de sus propiedades mecánicas. El dopaje permite fabricar micro o nanoelementos con características ópticas, eléctricas o biológicamente activas indicadas para determinadas aplicaciones. En nuestros trabajos hemos hecho el dopaje de las resinas base con colorantes orgánicos, polímeros electroluminescentes y biocompatibles. En los tres casos el dopaje se realiza antes del proceso de fabricación por láser, dice Mendonça. De acuerdo con el investigador, la técnica de dopaje en sí es ampliamente utilizada por grupos de investigación de todo el mundo, pero el dopaje de resinas utilizadas en la fabricación de micro y  nanoestructuras mediante el proceso de fotopolimerización por absorción de dos fotones es un tema muy novedoso.

IFSC/USPUno de estos estudios tuvo como foco el área de sistemas de ingeniería abocados al crecimiento de tejidos biológicos, tales como huesos, cartílagos y piel. Un paso importante en esta investigación, que puede aportar avances hacia la producción de prótesis humanas, es el entendimiento del movimiento y la adherencia celular. El estudio de este fenómeno en laboratorio depende de la existencia de matrices micro o nanométricas, donde las células puedan moverse y adherirse. Allí entra en acción la fotopolimerización por absorción de dos fotones. Mediante esta técnica podemos desarrollar estructuras en 3D con diseños específicos que promueven una investigación sistemática de la adherencia y la migración celular.  Esta investigación puede facilitar el desarrollo de nuevas técnicas en ingeniería de tejidos, pues permite un estudio más adecuado del comportamiento de las células, afirma Mendonça. Un grupo de investigadores de la Universidad de Tampere, Finlandia, anunció hace algunos años avances en el desarrollo de estructuras empleadas como soporte para el crecimiento de tejidos vivos.

Otro trabajo realizado por el Grupo de Fotónica de la USP, cuyos resultados salieron publicados en el periódico Applied Physics Letters en septiembre de este año, se concentró en el desarrollo de microestructuras que contienen compuestos orgánicos emisores de luz con propiedades ópticas diferenciadas. Estos dispositivos podrán utilizarse en la fabricación de circuitos ópticos o sensores ópticos. En este caso, la fuente luminosa miniaturizada estaría integrada en el dispositivo y directamente acoplada a los demás elementos que constituyen el circuito óptico. El grupo también prevé la confección de estructuras que contengan moléculas orgánicas que, en presencia de una fuente de excitación luminosa, son orientadas en una dada dirección. Esta orientación podría usarse como método de almacenamiento de información. Regiones en donde las moléculas están orientadas corresponderían a la presencia de información, mientras que áreas en donde éstas se encuentran aleatoriamente distribuidas corresponderían a la ausencia de datos, un proceso similar al que sucede con CDs o los HDs de nuestras computadoras, subraya Mendonça.

Todos estos avances en el área de la fotónica, de acuerdo con el investigador, se deben en cierta medida a la elección de resinas poliméricas como el material básico que ha de trabajarse. La ventaja de usarlas en lugar de otros materiales, tales como la cerámica, el vidrio o el metal, es la posibilidad de hacer la reacción en las condiciones ambientales de temperatura y presión. Con otros tipos de materiales, esto no sería posible. Deberían utilizarse en forma de polvos para que, con la incidencia de la luz, las partículas se uniesen mediante un proceso de difusión, afirma. Con todo, en estos casos habría un menor control del proceso de fabricación. Asimismo, los materiales poliméricos son más fáciles de dopar y las propiedades de los productos finales que se fabrican con ellos son completamente distintas que las de los fabricados con cerámicas y metales, tales como flexibilidad, transparencia óptica e índice de refracción.

Artículos científicos
1. Mendonça, C.R.; Correa, D.S.; Marlow, F.; Voss, T.; Tayalia, P.; Mazur, E. Three-dimensional fabrication of optically active microstructures containing an electroluminescent polymer. Applied Physics Letters. v. 95, p. 11.330-9. 2009.
2. Correa, D.S.; Tayalia, P.; Cosendey, G.; Dos Santos Jr, D.S.; Aroca, R.F.; Mazur, E.; Mendonca, C.R.
Two-photon polymerization for fabricating structures containing the biopolymer chitosan. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. v. 9, p. 5.845-9.2009.

Los proyectos
1. Dinámica ultrarrápida y determinación de la función dieléctrica en materiales orgánicos
2. Microfabricación y microestructuración en materiales poliméricos utilizando láser de femtosegundos
Modalidad
1. Beca de Investigación en el Exterior Nuevas Fronteras
2. Auxilio Regular a Proyecto de Investigación
Coordinador
1 y 2 Cleber Renato Mendonça – USP
Inversión
1. R$ 61.633,61 (FAPESP)
2. US$ 87.731,25 y R$ 3.450,00 (FAPESP)

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