Los nanotubos de carbono no han llegado todavía a los supermercados ni a los comercios especializados. Con todo, en Brasil ya es posible adquirir estas minúsculas piezas, que sólo se ven mediante el empleo de potentes microscopios electrónicos. Y hechas con tecnología nacional. Miden entre 1 y 3 nanómetros (nm) de diámetro y hasta 1.000 nm de longitud, medidas comparables a un pelo dividido 50 mil veces en forma longitudinal. Los nanotubos de carbono constituyen una de las grandes conquistas tecnológicas que surgieron en la década de 1990, y actualmente se elaboran en el país en los laboratorios de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), con su comercialización a cargo de la Fundación de Desarrollo de Investigaciones (Fundep) de la referida institución académica.
Los nanotubos tienen entre otras cualidades una excelente conductividad eléctrica y una resistencia mecánica cien veces mayor que la del acero. Al mismo tiempo, reúnen condiciones de flexibilidad y elasticidad. Son características que ameritan su uso en una infinidad de importantes aplicaciones en ciencia y tecnología. Pueden por ejemplo interconectar nanochips de silicio en la industria electrónica, componer polímeros para hacerlos más resistentes o impermeabilizar telas y reforzar cerámicas. En el área médica también son bienvenidos, pues son biocompatibles, y pueden liberar de manera más segura y gradual un medicamento en un punto específico del cuerpo humano, o transportar moléculas hacia el interior de las células, y constituirse así en componentes básicos de la arquitectura de nanomáquinas biológicas, por ejemplo.
Estos pequeñísimos tubos se han convertido en mercadería en diversas partes del mundo. Unas pocas empresas producen el material, en gran medida para experimentos y desarrollo de productos de alta tecnología en Japón, China y Estados Unidos. Un ejemplo de ello es un chaleco antibalas fabricado con nanotubos que lo hacen más liviano, maleable y resistente que los convencionales. Quizá por eso, y también debido a su posible uso en la energía nuclear y en la producción de armamentos y bombas, Estados Unidos prohibieron la exportación de este producto, alegando interés estratégico. Dicha prohibición ha sido comprobada por científicos brasileños, que se han encontrando con la negativa de empresas estadounidense al momento de intentar importar dicho material.
La producción de nanotubos de la UFMG, al margen de ser una muestra de la capacidad científica brasileña y de formar investigadores en el área, también engendra independencia tecnológica en el país. Es una historia que empezó a pergeñarse a partir de 1999 en el Laboratorio de Nanomateriales del Departamento de Física, bajo la coordinación del profesor Luiz Orlando Ladeira. “Nuestras innovaciones en la síntesis de nanotubos de carbono se llevaron a cabo durante el proceso y en las instalaciones destinadas a producirlos en gran escala”, dice Ladeira. Con el avance en los estudios, se notó que era hora de ponerlos a disposición de un mayor número de investigadores. La idea fue que llegaran a manos de otras universidades, institutos de investigación o empresas brasileñas, que tendrían acceso facilitado al material, sin necesidad de importarlo para ello. Así, con las ventas que se iniciaron a partir de septiembre de este año, la Fundep ha vendido nanotubos de carbono a una universidad y a una empresa brasileña. A comienzos de noviembre se computaban 60 gramos (g) de nanotubos vendidos al precio de 30 dólares el gramo, totalizando 1.800 dólares, que se distribuirán entre los científicos, que se quedarán con un tercio, y la UFMG, con dos tercios, ya descontado el 5% de la Fundep. En el mercado internacional, su precio varía entre 60 y 200 dólares, dependiendo del grado de pureza. De este modo el producto nacional, que es de alta calidad y aporta opciones de uso en diversas áreas, llega con un precio competitivo.
Las primeras ventas brasileñas fueron para el Instituto de Química de São Carlos (IQSC) de la Universidad de São Paulo (USP) y para una empresa paulista cuyo nombre los investigadores prefieren dejar en el anonimato. “Estamos negociando con otras tres grandes empresas, cuyos nombre tampoco podemos revelar por determinación de una cláusula de secreto”, afirma Francisco Eduardo Ferreira de la Cunha, analista de transferencia de tecnología de la Fundep, y encargado de la comercialización del producto.
El incentivo inicial para el desarrollo de los nanotubos en la UFMG partió del profesor Marcos Pimenta, del propio Departamento de Física, quien en 1997, en un año sabático, trabajó en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), Estados Unidos. “Trabajé con nanotubos allá y cuando regresé incentivé al profesor Luiz Ladeira a desarrollarlos, porque mi área es la espectroscopía óptica y él tenía experiencia previa en el estudio del carbono”, comenta. “Yo ya trabajaba con carbonos especiales desde 1996; por eso intenté hacer nanotubos”, dice Ladeira.
En la fabricación de los primeros ejemplares no faltó creatividad, e incluso una modalidad original de reciclaje de instrumentos científicos. “Yo estaba pensando en cómo hacer los nanotubos cuando me acordé de un aparato de crecimiento de cristales obsoleto, que estaba desde hacía diez años guardado en mi laboratorio”, comenta Ladeira. “Entonces lo transformé en una máquina de hacer nanotubos de carbono”. ¿Cuánto costó esa adaptación? “Prácticamente nada. Ni siquiera se puede contabilizar.”
Es un proceso continuo – En la máquina transformada, los investigadores lograron producir el primer nanotubo en 2001. “Era un proceso semicontinuo. Durante la producción, era necesario abrir en diversas ocasiones la cámara donde se los produce. Después encontramos una manera de producirlos en forma continua durante mucho tiempo”, revela Ladeira. “En este momento estamos desarrollando un nuevo proceso de síntesis continua, que podrá llegar a producir entre 20 y 25 g por día.”
La disponibilidad de nanotubos para el sistema de investigación científica e innovación brasileño es de vital importancia, en momentos en que estas piezas de carbono muestran que pueden servir en diversos experimentos científicos y para su uso industrial. La propia adquisición del IQSC de la USP muestra la diversidad y las posibilidades que se abren con los nanotubos de carbono. El profesor Sérgio Spinola Machado y su alumna de maestría Cláudia Razzino adquirieron 20g del producto de la Fundep en forma de un polvo ennegrecido similar al mineral que le da origen, el grafito, dentro de un pequeño recipiente de vidrio. Utilizarán los nanotubos en la formulación de biosensores, capaces de detectar la contaminación con pesticidas en alimentos o en el agua de los ríos. “Usaremos los nanotubos para inmovilizar a una enzima, la acetilcolinesterasa, cuya acción es inhibida por los pesticidas durante el proceso analítico”, afirma Machado. “De esta forma, resolveremos un problema de los electrodos (para el paso de la corriente eléctrica en el análisis) elaborados en carbono vítreo, que tienen una superficie lisa y sirven de soporte para la enzima. La estructura tridimensional de esta molécula se acomoda mejor en los poros de los nanotubos que se fijan en el electrodo”. Sujeta levemente sobre la superficie lisa, la enzima se estabiliza como si estuviera achatada y su actividad se reduce. Así, con los nanotubos, el proceso de análisis de los pesticidas se volverá más preciso y eficiente.
Los nanotubos que la UFMG pone a disposición son tipo single wall, o pared única, donde tan sólo una hoja compuesta de átomos de carbono adquiere la forma de tubo. Otra forma existente es la de paredes múltiples, donde varias hojas de carbono se enrollan en forma de tubo. Este tipo de nanotubo también es uno de los objetos de estudio del grupo de la UFMG, que en entre 2004 y 2005, por ejemplo, publicó cuatro trabajos en la revista científica Physical Review Letters.
El nanotubo de pared única es un potencial candidato con relación a dos esperadas revoluciones tecnológicas de este siglo en la industria electroelectrónica y en medicina. En esta última área, investigadores de todo el mundo buscan maneras de llevar nanotubos cargados con anticuerpos y citotoxinas hasta un tumor canceroso, con el objetivo de aniquilar a las células enfermas. “Uno de nuestros sueños acá en la UFMG es producir estos nanomísiles inteligentes para el tratamiento del cáncer”, revela Ladeira.
En la industria electroelectrónica, se apunta al nanotubo de carbono tipo single wall como la conexión ideal para los futuros nanochips, reemplazando totalmente al silicio que se utiliza actualmente. En este caso, los nanotubos harían las conexiones entre transistores y diodos de un circuito electrónico. Esta situación mejoraría los rendimientos de los componentes y de todo el sistema. En la UFMG se han probado conexiones similares entre postes de dióxido de silicio, y se comprobaron con imágenes de microscopía electrónica de barrido. Algunos grupos de investigación en el mundo, como los pioneros de la Universidad Harvard, Estados Unidos, desde 1998, producen experimentalmente transistores y diodos con nanotubos de carbono. Nantero, una empresa estadounidense con sede en Woburn, Massachusetts, por ejemplo, desarrolló un sistema para la fabricación de chips CMOS, de la sigla en inglés de metal óxido semiconductor complementario, y ahora planea un sistema de memoria para computadoras elaborado con nanotubos que saldrá al mercado en reemplazo de las actuales memoria RAM, de memoria de acceso randómica o aleatoria.
Los primeros pasos en la electrónica en el área de electrónica hacen imaginar que los nanotubos son candidatos a ir a parar dentro de computadoras y en cualquier otro tipo de aparato electrónico en los próximos años. “Hoy en día toda la comunidad científica ligada a los semiconductores está interesada en los nanotubos de carbono”, dice Pimenta. Sin embargo, restan resolver muchos problemas en la producción de estas piezas con fines electrónicos, y establecer las conexiones entre los elementos de un circuito electrónico, por ejemplo. “Las investigaciones se encuentran todavía en un estadio distante de la aplicación comercial.”
Una característica de los nanotubos que favorece su inclusión en el mundo de la electrónica, pese a que el carbono no es un elemento conductor por excelencia, es su conductividad eléctrica. El secreto está en la forma de enrollar la hoja de carbono de un nanotubo. “Según cómo se enrolle la hoja de grafito, el material puede comportarse acorde con propiedades electrónicas diferentes: como un semiconductor o un metal”, explica Ladeira.
Las propiedades electrónicas se obtienen según la forma como se orientan los hexágonos de átomos de carbono con relación al eje del tubo (un fenómeno llamado quiralidad). “En el alambre del nanotubo, los electrones se encuentran confinados y avanzan en una sola dirección de manera unidimensional. Se mueven sin colisiones con los átomos de carbono, y esto se traduce en una conductividad eléctrica mucho mejor que la del cobre”, dice Ladeira.
Con largas paredes que tienen el espesor de un átomo, y son flexibles y altamente resistentes, los nanotubos de carbono son también buenos absorbedores y almacenadores de gases. Uno de los usos previstos será la utilización de los nanotubos en el transporte y en el acondicionamiento de hidrógeno en los sistemas de células de combustible, aparatos que transforman dicho gas y el oxígeno en energía eléctrica. “Sus características permiten la acumulación de gases entre y dentro de los tubos dispuestos uno al lado de otro, como pajillas de refrescos, y además fijan las moléculas gaseosas en sus superficies para algunos tipo de análisis, como si fueran narices electrónicas, por ejemplo”, dice Pimenta. Este proyecto es una de las líneas de estudio de la recientemente creada Red Nacional de Investigación en Nanotubos de Carbono, solventada por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). “Agrupamos a 15 universidades, como por ejemplo la USP y la Estadual de Campinas (Unicamp), y las federales de Río de Janeiro (UFRJ), Fluminense (UFF), de Paraná (UFPR), de Maranhão (UFMA), de Pará (UFPA), de Santa Maria (UFSM), Río Grande do Sul, y de Juiz de Fora (UFJF) y Lavras (UFLA), Minas Gerais”, dice Pimenta, coordinador de la red.
Transferencia tecnológica
– Las aplicaciones que se vislumbran en el marco de los proyectos, ahora reunidos en red, son variadas, como la mezcla de nanotubos con polímeros o resinas, de manera tal de incrementar las propiedades mecánicas y térmicas en el revestimiento de aeronaves, para ganar así en resistencia y levedad en relación al acero (seis veces más livianas), por ejemplo.
“Un aspecto fundamental en la red es el hecho de tener nanotubos disponibles en gran escala para que los grupos trabajen sin tener que preocuparse en producirlos”, analiza Pimenta. Y ahí es que entra en juego nuevamente la importancia de la producción del grupo del profesor Luiz Ladeira. La UFMG transfiere los nanotubos gratuitamente para proyectos de investigación en los cuales el grupo de científicos de la universidad participa. Esto sucede con la Unicamp, la Universidad Federal de Ceará y el Centro de Desarrollo de Tecnología Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Nuclear. Con la demanda en aumento, y como la universidad no es precisamente el sitio para producir de piezas de cuño científico y tecnológico en gran escala, los investigadores están dando forma a una empresa destinada a la fabricación de nanotubos. “Pero esto va a depender del mercado”, dice Ladeira. Otra posibilidad es la transferencia de tecnología a una empresa que invierta en la producción, pagándoles royalties a los investigadores y a la universidad.
Una somera historia
Los nanotubos de carbono fueron descubiertos por el físico japonés Sumio Iijima en 1991, investigador de la empresa NEC en Japón. Con un microscopio electrónico de barrido, Iijima halló nanotubos y nanopartículas sobre un electrodo cuando estudiaba la síntesis de fullerenos, que son ordenamientos de carbono en forma de balones de fútbol, y tienen gajos hexagonales en las conexiones entre sus átomos. Los fullerenos a su vez fueron descubiertos en 1985 por los estadounidenses Robert Curl y Richard Smalley (fallecido el pasado día 28 de octubre), de la Universidad de Rice, y por el inglés Harold Kroto, de la Universidad de Sussex. Fue la primera formulación estable de una molécula esencialmente hecha de carbono, después de los bien conocidos grafito y diamante, hallados en la naturaleza. Este resultado le rindió el Premio Nobel de Química a los tres investigadores en 1996. El nanotubo vendría a ser la cuarta forma de una molécula formada únicamente por átomos de carbono. Inicialmente Iijima, quien en la actualidad es también es docente de la Universidad de Meijo, Japón, descubrió nanotubos formados con diversas hojas. En 1993, junto con el investigador de IBM Don Bethune, moldearon el nanotubo con tan sólo una hoja de carbono. De allí en adelante, diversas formas de producción y perfeccionamiento de estas piezas surgieron en todo el mundo. Más allá de todas las cualidades y utilidades atribuidas a los nanotubos, se ha sugerido su uso en conexiones directas con la Estación Espacial Internacional, la ISS, según sus siglas en inglés, que actualmente sobrevuela la Tierra. Sería una conexión entre el suelo terráqueo y la estación, capaz de llevar suministros hasta el espacio. Es una idea que no es tomada en serio todavía, pero que muestra cuánto que va lejos la imaginación en lo que hace a los nanotubos de carbono.
Otro aspecto, que en este caso sí se toma en serio, son las posibles interferencias de estas minúsculas piezas en el ambiente natural o en el cuerpo humano, para el transporte de drogas anticancerígenas hasta un tumor. “Este nanotubo permanecerá probablemente en el organismo por el resto de la vida del individuo”, dice el profesor Luiz Ladeira, de la UFMG. “Es probable que no suceda nada, pues están hechos de carbono, como la mayor parte de nuestro organismo; pero necesitamos estar seguros”. Para Marcos Pimenta, también de la UFMG, “las válvulas cardíacas se elaboran en carbono y, de existir riesgos, los mismos serán muy bajos, como sería el caso de que perforase alguna célula, por ejemplo”. También entran en esta discusión posibles problemas ambientales, como por ejemplo: ¿qué sucedería si los nanotubos cayeran en un río? Son cuestiones que comienzan a analizarse en varias partes del mundo, y en Brasil también. “Comenzamos a desarrollar un proyecto con el Instituto de Ciencias Biológicas de la UFMG para estudiar la biodistribución de los nanotubos de carbono en seres vivos”, revela Ladeira.
Cómo fabricar nanotubos
El carbono posee una característica específica que es su autoorganización. Esto sucede cuando los átomos de carbono se agrupan en forma de tubo espontáneamente, dentro de una cámara en condiciones especiales de temperatura, presión y otros parámetros. “Es parte de la naturaleza del carbono moldearse así”, dice el físico Marcos Pimenta, profesor de la UFMG. El trabajo de los investigadores consiste en darles las condiciones necesarias para que se formen los pequeños tubos. “Dentro de las cámaras necesitamos controlar la temperatura, la presión y otros parámetros de manera bien precisa”, dice Ladeira. La técnica inicial empleada en la UFMG fue la descarga por arco eléctrico, donde los nanotubos de carbono crecen junto con nanopartículas metálicas que catalizan su reacción de formación. “Vaporizamos carbono en una cámara que contiene gas helio, junto con metales como el níquel, a temperaturas de entre 3.700° y 4.000°C. Dentro de la cámara existen dos electrodos que establecen una corriente eléctrica, lo que lleva a que el material se transforme en una mezcla gaseosa de níquel y carbono. Cuando este vapor se enfría, el níquel no logra soportar más la cantidad de carbono disuelta en su interior y entonces expulsa el carbono, derivando en la formación de nanotubos”. El resultado de ello es un enmarañado de hilos que más bien se asemejan a un plato de espagueti.
Otra técnica que están usando investigadores en todo el mundo es la tecnología conocida como deposición química en fase de vapor, o Chemical Vapor Deposition (CVD). En este caso, los nanotubos se producen en medio a una reacción de termodescomposición en un gas hidrocarburo como el metano, dentro de una cámara, a temperaturas de entre 600° y 1.000°C, donde también hay polvo cerámico con nanopartículas de metales. En ese proceso, los nanotubos de carbono se forman sobre dicho material cerámico. La tecnología CVD es más barata y es la más usada actualmente. El Laboratorio de Nanomateriales de la UFMG posee dos equipos de CVD. “Uno lo importamos, pero el otro lo hicimos acá”, afirma Ladeira.
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