eduardo cesarLa lengua electrónica: sensores revestidos con nanofilmes de una capa única de moléculas poliméricaseduardo cesar
Tome un pelo con sus dedos. Obsérvelo e intente imaginarse un espesor 10 mil veces menor que esa insignificancia que está ante su ojos. Es precisamente ésa la cuestión que ahora vamos a abordar. O mejor dicho: de cómo opera la ciencia con objetos de ese tamaño, esas minúsculas superficies obtenidas en el universo de los nanómetros, la escala con la que se miden átomos y moléculas, equivalente a la división del metro en miles de millones de veces. En esas dimensiones, es imposible ver a simple vista, o manipular un objeto nanométrico sin la ayuda de un arsenal de instrumentos, empezando por los microscopios electrónicos más avanzados, que permiten acceder a un mundo otrora intocable, y hoy en día capaz de generar confort, negocios y riquezas.
Es de esta forma que los descubrimientos referentes a los nanomateriales están inaugurando una nueva etapa en el ámbito industrial. Y esta vez, Brasil está en condiciones de corregir un derrotero soslayado en el pasado, cuando la microelectrónica introdujo el chip, dictando el rumbo de la actual modernidad. Existe un consenso en el sentido de que el país dispone de una buena infraestructura y personal calificado como para hacer nanociencia. Pero ahora necesita sortear un serio desafío para poder ser competitivo: debe aunar aptitudes, capacidades. Uno de los caminos para alcanzar dicho objetivo y atraer la atención de los inversionistas, para que éstos transformen ese conocimiento en productos, pasa por la acción conjunta preparada por un grupo de investigadores con el apoyo de la FAPESP y de ejecutivos de la Federación Industrial del Estado de São Paulo (Fiesp).
La idea es impulsar la realización de conferencias y exponer los programas y proyectos existentes que cuentan con el apoyo de la Fundación. Este encuentro, aún sin fecha definida, permitiría, por un lado, la identificación de las necesidades del sector privado para la aplicación de la investigación dirigida. Y, por otro lado, se pretende estimular y ampliar la participación y el potencial emprendedor de los científicos e investigadores. Para tal fin, una selección de trabajos en nanotecnología se expondrá en el marco de una muestra abierta al público en las propias dependencias de la Fiesp, de manera tal de hacer que el tema cobre formas más concretas para un público que lo desconoce, o bien tiene pocas referencias sobre el mismo, al margen de mostrar la capacidad brasileña y su habilitación para ingresar en esta carrera junto a las potencias mundiales.
La coordinación de este trabajo está a cargo del físico y profesor de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) Cylon Gonçalves da Silva, quien condujo la puesta en funcionamiento del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón, dependiente del Ministerio de Ciencia y Tecnología, con sede en la citada ciudad paulista. Gonçalves da Silva se encargó también de la propuesta de establecer un Programa Nacional de Nanotecnología, formulada en el marco de la anterior gestión de gobierno, y fue coordinador del proyecto de un Centro Nacional de Referencia en Nanotecnología. “Estas propuestas tenían por objeto catapultar el debate referente a la nanotecnología hacia fuera de los muros académicos en Brasil”, comenta Cylon.
Un vidrio autolimpiante
La revolución que ha generado la llegada de las nanoestructuras está derivando en la creación de innovaciones en el área de ingeniería de materiales, que incluso cuando son limitadas, debido a los elevados costos operativos, empiezan a llegar a la escala industrial. Un caso evidente es el del vidrio autolimpiante, presentado en 2002 en Europa. Sobre dicho tipo de vidrio se aplica una película de 40 nanómetros de espesor, con incrustaciones de partículas de óxido de titanio (TiO2). Cuando la luz ultravioleta existente en los rayos del sol llega al vidrio, se produce un cambio en el estado de oxidación, que les roba electrones a bacterias, hongos y otros microorganismos, matándolos. La película también genera una alta tensión superficial, lo que hace que el agua no se adhiera al vidrio. A su vez, ésta se transforma en esferas, y cae al suelo levándose la suciedad consigo. El polvo y otras sustancias, que normalmente se fijan al vidrio junto al agua, son así también eliminadas. Sin microorganismos y sin agua, el vidrio se limpia más fácilmenteEl precio de este nuevo producto es entre un 30% y un 40% superior a las líneas convencionales en uso.
A largo plazo, la opción autolimpiante economiza gastos en limpieza. Esta situación se repetirá en breve en la industria textil, con la llegada de telas a prueba de manchas que ya han sido desarrollado, y que actualmente se encuentran en fase experimental en Estados Unidos. La empresa Nanotex se propone trabajar en el área de ingeniería molecular a nivel nanométrico y submicrométrico de la fibra para producir este tipo de tejido. Como resultado de la aplicación de un proceso similar al que se emplea en el vidrio, un tratamiento con nanopartículas le otorga al paño a propiedad de repeler los líquidos. Se puede derramar café caliente o Coca-Cola helada: nada de ello permanece pegado. Será la gloria para las amas de casa y para los torpes en general.
Los avances en el campo de la utilidades prácticas refuerzan las proyecciones crecientes de inversiones en el área de nanotecnología. Teniendo en cuenta únicamente el último año, los recursos globales destinados al área se duplicaron. Países como Estados Unidos, Japón, China, Canadá, Corea del Sur, Taiwán, Australia y la Unión Europea insumen alrededor de 5 mil millones de dólares anuales, si se suma el capital privado y el capital estatal destinado a investigaciones en este segmento. Por su parte, la National Science Foundation (NSF), que es la fundación estadounidense de fomento a la ciencia, estima que el mercado global para productos y procesos basados en la nanotecnología puede llegar a un billón de dólares en diez o, como máximo, en 15 años.
En Brasil, los cálculos preliminares del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), que se encuentra abocado a la elaboración de un Programa Nacional de Nanotecnología, proyectan 1.200 millones de reales en inversiones para los próximos cuatro años, y de dicho total, un 30% provendría del sector privado, a través de estímulos patrocinados por el gobierno. La intención es orientar las inversiones hacia áreas prioritarias previamente definidas, como pueden ser la producción agropecuaria, la petroquímica, las comunicaciones, la salud y la industria aeronáutica.
Debido a la importancia que la nanotecnología empieza a adquirir a nivel mundial, el profesor Cylon cree que la medida del éxito para la implementación de cualquier programa orientado al área en Brasil debería tener en cuenta o tener en la mira la conquista de una fracción del mercado global en ese sector, que debe ser desarrollado en el país por empresas y centros de investigación nacionales. Cylon es un entusiasta del tema y sus perspectivas, en particular en el estado de São Paulo, en donde se concentra buena parte de la investigación en nanociencia, y se ha dedicado durante en los últimos dos años – mediante charlas y distintas presentaciones – a generar el interés por parte del empresariado en esta cuestión.
A comienzos de julio, Cylon estuvo en Santa Catarina en la sede de Embraco, una empresa nacional que es líder mundial en la fabricación de los compresores utilizados en heladeras y afines, para referirse al futuro nanométrico. “Allí, ellos están hoy en día preocupados con lo que pueda suceder con la industria de refrigeración como consecuencia de los avances en el área”, comenta el profesor. “Las nuevas tecnologías pueden hacer que se vuelva obsoleto el principal producto que ellos fabrican: los compresores, de la misma manera que el transistor acabó con la válvula electrónica”, ejemplifica. “Este horizonte se reproducirá en muchos otros segmentos de la economía.”
Para asegurar que empresas del porte y la importancia de Embraco continúen existiendo y generando empleos en Brasil, en lugar de correr el riesgo de que otros países asuman el liderazgo, habilitándose antes en ese sector de nuevas tecnologías, es fundamental el apoyo a la investigación científica destinada a atender las necesidades del sector privado. Evidentemente, la contrapartida esperada por parte del empresariado requiere de una mayor implicación en el financiamiento de tales estudios, como puede serlo el incentivo a la constitución de pequeñas empresas de carácter altamente tecnológico.
Tamices moleculares
En el universo de la nanotecnología, el país no está tan atrás con relación a otros países. El conocimiento acumulado en dicho campo es aún bastante incipiente en todo el mundo. Un ejemplo de la situación prometedora que puede notarse en Brasil está en el empeño del investigador Aparecido dos Reis Coutinho, profesor del Grupo del Área de Física de la Universidad Metodista de Piracicaba (Unimep), para estructurar un negocio orientado hacia las aplicaciones prácticas de sus descubrimientos, cuyo resultado es la empresa Multivácuo. Con una propuesta de investigación volcada a la síntesis de tamices moleculares elaborados con materiales a base de carbono, Coutinho contó con el financiamiento del Proyecto de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE) de la FAPESP.
Actualmente Coutinho se encuentra abocado a la conclusión del montaje de una planta piloto para la producción de un kilo diario de tamices moleculares de carbono (TMCs). Los TMCs son materiales con una estructura porosa con predominio de nanoporos, clasificados en función de su tamaño y su forma. Integran la familia de los materiales carbonosos avanzados, productos de bajo peso y alta resistencia, y se emplean en procesos especiales de absorción, como el control y la purificación del aire atmosférico, en procesos de separación de gases, en sistemas industriales con uso de vacío o de aire comprimido, en la separación de impurezas orgánicas y la recuperación de solventes y en la cromatografía gaseosa, entre otras posibilidades.
El investigador revela que se apresta a firmar un contrato comercial con Petrobras para la provisión de esos tamices moleculares de carbono, que se utilizarán en sistemas de almacenamiento de gas natural, que serán empleados en tanques de vehículos automotores (lea la nota en la página 72 ). La intención es disminuir la presión en el almacenamiento del gas natural y permitir la disminución del grosor de las paredes de acero, al margen de la adopción de otros formatos de tanque. El empleo de los TMCs dentro de este recipiente impulsará la adsorción del gas natural por parte de los nanoporos de la estructura carbonosa (en este caso, denominado gas natural adsorbido-GNA), lo a su vez posibilitará una reducción del volumen del tanque y la disminución de la presión de almacenamiento del combustible.
“La efectivización del contrato de suministro con Petrobras permitirá en un corto lapso de tiempo incrementar la producción hasta los 10 kilos por día y, en un futuro, la implementación de una unidad industrial de PMC”. La importancia inicial radica en la provisión de estos tamices para la realización de investigaciones a cargo de varios grupos que importan dichos productos. Al margen de las aplicaciones de los materiales carbonosos en segmentos industriales, otro potencial mercado es el de la salud, para la incorporación de esta tecnología en los filtros usados en tratamientos de hemodiálisis, en los pacientes que sufren de insuficiencia renal. Brasil importa en la actualidad de Estados Unidos y Europa prácticamente todo el material utilizado en este tipo de filtrado.
El más reciente motivo de orgullo para Coutinho tuvo que ver con el envío al Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) del registro de la patente del proceso de producción de los tamices moleculares de carbono en reactores de plasmas en frío mediante gases ionizados obtenidos por corriente eléctrica y a temperatura ambiente. El uso de este reactor fue la gran innovación de este proceso, que contó con la participación fundamental y decisiva de investigadores del Laboratorio de Plasmas y Procesos del Instituto Tecnológico de la Aeronáutica (ITA), bajo la forma de una asesoría técnica.
El uso de la tecnología de plasmas fríos presenta con relación al proceso convencional las ventajas de la obtención de TMCs de estructura nanoporosa más ordenada y la reducción del tiempo de activación de los materiales, además de constituir un proceso limpio desde el punto de vista ambiental.En un área similar a la de Coutinho, en algo que también ya ha redundado en una asociación con Petrobras, el químico y profesor Jairton Dupont, de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), procuró retirar compuestos de petróleo que contaminan el ambiente utilizando los recursos de la nanotecnología.
Desarrolló nanocatalizadores – los catalisadores son sustancias que aceleran o modifican reacciones químicas – que permiten disminuir la concentración de los compuestos aromáticos durante las fases de refinación del petróleo en que aparecen la gasolina y el benceno. Así, la combustión de los motores alimentados a gasolina, por ejemplo, se torna más completa, sin dejar en el aire residuos que pueden ser cancerígenos y contribuir en la formación de la lluvia ácida. El catalizador, patentado en conjunto con Petrobras, incorpora también la ventaja de ser reaprovechable, y las reacciones pueden realizarse en condiciones moderadas de presión y temperatura (60 °C y tan solo 2 atmósferas). Los catalizadores normalmente empleados en este tipo de reacción funcionan a temperatura y presión elevadas (300 °C y entre 150 y 200 atmósferas). Dupont contó hasta febrero con el apoyo financiero del Fondo Nacional del Petróleo (CTPetro). Ahora recibe financiamiento directo del Centro de InvestigacionesdePetrobras (Cenpes).
Siempre teniendo en mente el costo y la facilidad de producción en el desarrollo de métodos de síntesis que permitan el procesamiento de materiales nanométricos, el profesor Edson Roberto Leite, del Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), uno de los diez Centros de Investigación Innovación y Difusión (Cepids) de la FAPESP, está elaborando una serie de tecnologías que llegarían prontamente al mercado. En su laboratorio de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), Leite trabaja con materiales nanoestructurados desde 1999. Las principales líneas de actuación giran en torno a nanocristales de óxidos cerámicos y filmes finos nanoestructurados.
“Los trabajos más avanzados, que permiten pensar en la comercialización, se relacionan con el desarrollo de catalizadores de nanocompósitos. Estos productos tiene aplicaciones en reacciones catalíticas de alta temperatura, tales como la reforma del metano y la oxidación del metanol, procesos utilizados para la generación de hidrógeno”, explica el profesor Leite. “Estamos trabajando también en el desarrollo de precursores moleculares para la generación de nanopartículas de óxidos metálicos, con el financiamiento de una empresa nacional que por ahora no permite la divulgación”, agrega.
Papel electrónico
Muchas de las investigaciones en marchan implican compromisos con estrategias que desaconsejan su divulgación, dado el ambiente de competencia circundante. En estos casos, la reserva y la cautela suelen ser la regla. Edson Leite asevera que entre los proyectos por él coordinados existen algunos con posibilidades de aplicación práctica este mismo año, que a su vez dependen de inversiones del capital privado, y otros en fase de desarrollo para su implementación en entre tres y seis años. “Sin lugar a dudas, el área de catalizadores es la de más corto plazo de implementación”. Los nanocompósitos revolucionarán el área de materiales para catálisis, lo que permitirá así una serie de avances, principalmente en la generación de energía limpia y el control de la contaminación y del medio ambiente.
“En el área electrónica, por ejemplo, estamos trabajando en un proyecto para el desarrollo de filmes finos transparentes y conductores para la deposición en sustratos flexibles, que permitirán la creación de displays de cristal líquido (LCD) maleables, y la elaboración de un tipo de papel electrónico, que en el futuro podría llegar a usarse en reemplazo de las páginas de los libros, revistas y periódicos. Esto solamente puede ser viable con la obtención de nanopartículas. Otro proyecto en el área es el desarrollo de filmes finos superparamagnéticos, con potencial de aplicación en memorias magnéticas.”
Lengua electrónica
Una historia que avala el futuro animador del país en el nanomundo proviene del arduo, mas bastante provechoso trabajo llevado a cabo por investigadores de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa, sigla en portugués) de São Carlos durante ocho años. Coordinados por el ingeniero de materiales Luiz Henrique Capparelli Mattoso, en asociación con la Universidad de São Paulo (USP), ellos crearon la primera “lengua electrónica” a base de polímeros conductores nanoestructurados, basada en filmes ultrafinos compuestos de moléculas “proyectadas” para reaccionar en presencia de las sustancias. Construyeron así un dispositivo más sensible que la lengua humana para la degustación y el análisis de bebidas. Este instrumento, dotado de un conjunto de sensores que desempeñan una función análoga a la de las papilas gustativas, logra alcanzar la eficiencia de un enólogo.
Tiene capacidad para identificar con precisión un vino tinto elaborado con uvas Cabernet Sauvignon o Chardonnay, así como también puede detectar diferencias que son casi imperceptibles al gusto humano, existentes diversas varias marcas de agua mineral o tipos de café. Llega a tener una sensibilidad hasta 10 mil veces mayor que el ser humano para detectar sabores comunes, tales como la presencia de azúcar o sal en el agua. Este invento, formulado con financiamiento de la FAPESP, fue patentado en varios países, y las perspectivas indican que tendrá un amplio uso industrial.
Es utilizado por la Asociación Brasileña de la Industria del Café (Abic) y podrá ayudar en el área de control ambiental, pues con él se podrán monitorear los niveles de contaminación con metales pesados y pesticidas en ríos y manantiales, y controlar la calidad del agua en las estaciones de tratamiento. En la industria alimenticia, esta lengua tendrá la función de dotar de mayor rigor al control de calidad en la fabricación de bebidas. Por ahora, este equipamiento es apto para operar con vinos, café y agua mineral, pero los investigadores se encuentran abocados al desarrollo de sensores para analizar leche y jugos de uva y de naranja. En la industria farmacéutica, la lengua electrónica puede usarse para testear medicamentos y mejorar el sabor de los remedios amargos.
Alguien que hace ya más tiempo anda por los caminos del nanomundo es el investigador José Maciel Rodrigues Júnior, que ya lleva diez años trabajando y desarrollando sistemas nanoestructurados, primero en la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), y en la actualidad en la Facultad de Medicina de la USP de Ribeirão Preto. “Estamos incubando, ahora en agosto, la empresa Nanocore Biotecnología en el campus de la universidad”, comenta Rodrigues. “Creo que es la primera empresa brasileña con una plataforma en micro y nanotecnología”. Allí empezaron produciendo nanopartículas biodegradables, en el formato de nanocápsulas que envuelven el principio activo de medicamentos e incluso vacunas, capaces de interactuar únicamente cuando llegan a su blanco, y que son muy usadas en tratamientos de quimioterapia y también en la industria de cosméticos. “La actual inversión se refiere a una planta industrial para la producción de microesferas para hacer posibles los estudios clínicos de medicamentos”, explica.
Instrumentos de luz
Estos logros, que pueden servir de aliciente para proyectos mayores en escala de importancia económica, y a su vez para catapultar al país a un lugar expresivo en el ámbito de la nanotecnología, suman experiencias considerables. Se debe hacer referencia también a los potentes instrumentos disponibles, tales como la fuente de luz sincrotrón y el más poderoso microscopio electrónico para hacer nanociencia de Sudamérica, ambos instalados en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) de Campinas, solventados con recursos del MCT. Dicho laboratorio está abierto para los profesionales tanto de instituciones de investigación públicas y privadas como de empresas.
La expansión de las fronteras del conocimiento y la evolución de la humanidad han sido puntuadas por el dominio de los materiales y de las fuentes de energía, tal como prefiere explicarlo Cylon: “La nanotecnología preanuncia una nueva ola de innovaciones, tal como sucede desde la Revolución Industrial, cuando se aprendió a manipular algunas fibras naturales (algodón y lana) en gran escala y se creó la industria textil. Esta será la última ola tecnológica posible, pues manipula el elemento básico de los materiales, que es el átomo”.
El Proyectos
Sistema de Tamices Moleculares con Base en Precursores de Carbono
Modalidad
Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (PIPE)
Coordinador
Aparecido dos Reis Coutinho – Multivácuo
Inversión
R$ 307.112,00 y US$ 4.538,00
Catalizador de Nanocompósito y su Procesamiento
Modalidad
Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (PAPI)
Coordinador
Edson Roberto Leite – UFSCar
Inversión
R$ 6.000,00
Caracterización de Sensores Poliméricos de Interés en la Agroindustria
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinador
Luiz Henrique Capparelli Mattoso – Embrapa
Inversión
R$ 32.470,12 y US$ 31.794,55
