Nanotecnología

Se corre el riesgo, al escribir un artículo sobre un problema de tal magnitud, de dejarse llevar por el optimismo y describir una situación muy alejada de la que tenemos hoy en día. No obstante, no deja de ser una satisfacción que algunos estudios de la nanomedicina se centren en las enfermedades que más preocupan a nuestra sociedad, como es el caso del cáncer. Ya se presentó en este blog la aplicación de los nanotubos de carbono contra el cáncer, pero en este artículo pretendo presentar otros proyectos más en la lucha contra el cáncer relacionados con la nanomedicina. Para aportar primeramente una definición formal fácilmente entendible por todos, el término cáncer se define como una enfermedad que se caracteriza por una división y crecimiento descontrolado de las células. En estos momentos es una enfermedad (o grupo de enfermedades, pues agrupa a alrededor de 200 tipos de enfermedades) que tiene tratamientos y terapias efectivos en muchos casos, pero que no tiene una cura definida, y es actualmente la segunda causa de muerte en Europa. 

Según el informe de 2006 de la Plataforma Tecnológica Europea, "Nanomedicine - Nanotechnology for Health" (Nanomedicina - Nanotecnología para la salud), la nanotecnología puede ser más efectiva que las terapias convencionales actuales pues puede proveer una mejor respuesta ante la "complejidad" de la enfermedad. Se afirma, además, que es útil también en la fase de detección del cáncer pues la nanotecnología permite tomar nuevos indicadores (biomarkers) de forma más simple y fiable. No olvidemos que la detección juega un papel clave en esta enfermedad, y su mejora ha sido fundamental en que en los dos últimos años se hayan reducido el número de muertes por cáncer en Estados Unidos. Debido a que son dos ramas diferentes del proceso, la detección y el tratamiento, haré mención a algunos proyectos de estos tipos por separado.

Por una parte, en la Universidad de Missouri-Colombia se está investigando la aplicación de nanopartículas para detectar el cáncer a nivel molecular, teniendo en cuenta la importancia del momento del diagnóstico para las posibilidades de poder eliminarlo. El proceso consistiría en hacer nanopartículas a medida, "programadas" para encontrar tumores cancerígenos con la ayuda de rayos X incluso en fases precancerígenas, circunstancia que no es posible en la actualidad. También se encuentran como estudios para el futuro en el informe de "Nanotecnología: La revolución industrial del siglo XXI" de la fundación Bankinter, aparatos médicos que ayudan al diagnóstico de estas enfermedades, consistentes en un dispositivo microfluídico para estudiar la migración de las células y el comportamiento de deformación, fundamental en la investigación del cáncer. Lo que parece unir todos los proyectos de mejora en la detección del cáncer es la idea de "detección individualizada" y estudio a un "nuevo nivel", donde antes no se podía llegar, lo que supone realmente el aporte de la nanotecnología. (more…)

El microscópico electrónico es una aplicación valiosa de las propiedades ondulatorias de los electrones porque genera imágenes de los objetos que no pueden verse a simple vista o con el microscopio de luz. Según las leyes de la óptica, es imposible formar una imagen de un objeto de dimensiones inferiores a la mitad de la longitud de onda de la luz empleada para observarlo. Dado que el intervalo de longitudes de onda de la luz visible comienza alrededor de 400 nm o 4×10^-5 cm, no es posible ver algo que mida menos de 2×10^-5 cm.

En principio, con los rayos X podemos ver objetos en la escala atómica y molecular porque sus longitudes de onda están entre 0,01 y 10 nm. Sin embargo, no es posible enfocar los rayos X, y las imágenes que se obtienen son difusas.Por otro lado, al ser partículas cargadas, los electrones se enfocan aplicando un campo eléctrico o un campo magnético, de la misma forma como se enfoca una imagen en la pantalla de televisión. Según la mecánica cuántica la longitud de onda de un electrón esta en proporción inversa con su velocidad. Si los electrones se aceleran a grandes velocidades, se obtienen longitudes de onda tan cortas como 0,004 nm.

Otro tipo de microscopio electrónico, denominado microscopio túnel de barrido (STM, por sus siglas en inglés), utiliza otra propiedad de la  mecánica cuántica para generar imágenes de los átomos de la superficie de una muestra, del electrón escapaz de cruzar una barrera de energía por efecto túnel .En el STM la fuente de electrones es una aguja de un material metálico (muchas veces de tungsteno) con una punta muy fina. Entre la aguja y la superficie de la muestra se mantiene un voltaje que permite a los electrones atravesar la barrera de potencial. Cuando la aguja pasa sobre la superficie de la muestra a unos cuantos diámetros atómicos de distancia, se mide la corriente túnel. Esta corriente decae exponecialmente con el aumento de la distancia entre la aguja y la muestra. Con un circuito de retroalimentación, se ajusta la posición vertical de la punta para mantenerla a una distancia constante de la superficie de la muestra. La magnitud de estos ajustes da un perfil de la muestra, lo cual se registra y se proyecta como una imagen tridimensional con colores falsos. El microscopio electrónico y el STM forman parte de las herramientas más poderosas en la investigación en nanotecnología.

No es nuevo decir que la inversión tradicional de España en ciencia nunca nos ha colocado a la cabeza de Europa. Las dificultades de los científicos en España para desarrollar sus trabajos siempre ha sido mayor que en otros países de su entorno, y son conocidos los casos de muchísimos científicos que tuvieron que emigrar a otros países a desarrollar sus ideas. No obstante, en este artículo pretendo hacer una exposición de la situación en los últimos años de la inversión e iniciativas en España referentes al área temática de "Nanociencias, nanotecnologías, materiales y nuevas tecnologías de producción".

El 12 de mayo de 2004, la Comisión Europea publicó un informe sobre la estrategia de Europa para la Nanotecnología titulado "Hacia una estrategia europea para las nanotecnologías". El informe no dejaba en buen lugar a España, ya que como puede observarse en las páginas 27-28 era el tercer país de la Unión Europea con menos gasto público en nanotecnologías, y el último en gasto público (per cápita), cuya gráfica figura en este artículo. Es decir, de forma simple, que el problema no era "tener más o menos dinero", sino no destinarlo a este área. Bien es cierto que ya estamos acostumbrados a estar en todas las encuestas europeas en los últimos puestos junto a Portugal, Grecia e Irlanda, pero en esta ocasión destaca el esfuerzo económico de Irlanda en estas tecnologías, muy lejos de los últimos puestos, eliminando los tópicos y demostrando que no solo las potencias tradicionales más poderosas (Estados Unidos, Japón, Alemania, etc.) pueden apostar por la nanotecnología. (more…)

¿Quién no ha tenido alguna vez un problema con alguna batería?. Una cámara de fotos que nos deja tirados en el mejor momento, un ordenador portatil que necesita entre 3 y 4 horas para recargarse, etc. Sin duda los dispositivos portátiles necesitan cada vez menos energía, pero todavía tenemos que depender de baterias para ellos. Para un óptimo cuidado del medio ambiente, las baterías recargables son la solución óptima. Pero éstas necesitan de un tiempo mínimo de recarga. Los nuevos cargadores permiten dicha recarga en unas cuantas horas ( entre 30 min. y 4 dependiendo del tipo de batería).

Piense en lo siguiente: Conecte su portatil, lávese los dientes y a la vuelta, la batería está cargada. ¿Ciencia ficción o realidad?. Investigadores del Instituto Tecnológico MIT pueden haber encontrado la solución para este sueño, y como no, basándose en la Nanotecnología. La idea es muy curiosa, ya que se mezclan conceptos tan antíguos como el de condensador y tan nuevos como los nanotubos. Los primeros resultados han sido muy prometedores, veremos donde nos lleva la idea. No hay que perder de vista en esta carrera de las baterías, las nuevas "nanobaterías" que podrán ser una alternativa real a muy corto plazo.

Aquellos que no tenemos acceso a microscopios de gran resolución estamos acostumbrados a ver imágenes planas y estáticas de este mundo en miniatura. Para aquellos a los que les pique la curiosidad de ver cómo son realmente esas imágenes en relieve, en el portal Nanoscience podemos ver animaciones en tres dimensiones generadas al escanear las imágenes de un microscopio (Scanning Probe Microscope) y gracias al software SPIP de renderización 3D, cuya galería podemos encontrar aquí.
Imagen UHV-STM de moléculas de C60 de 3.1 nm de diámetro. o Ptmountains.
Renderización del recubrimiento de platino de un instrumento biomédico. La topografía de la superficie es importante para determinar el grosor y la textura del recubrimiento, que puede afectar sensiblemente a la corrosión.
La distancia entre los puntos más altos y las fosas más profundas es de unos700 nm.

Imagen en modo AFM AC de un tribloque copolímero de Poli (2-vinilpiridina). La resolución del escaneado es de 1 µm x 1µm

Siguiendo con las animaciones, podemos encontrar otras renderizaciones en 3D en el famoso portal youtube, en este caso de nanotubos y fullerenos
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En los últimos tiempos se están desarrollando nanohilos semiconductores, que actúan a la vez como medio activo y como microcavidad láser, con capacidad para lasear en ultravioleta a temperatura ambiente. A este tipo de dispositivos se les conoce como nanowire nanolasers. Ejemplos de nanoláseres de nanohilos son los de ZnO o GaN. Éste tipo de nanoláseres pueden tener una infinidad de aplicaciones en nanofotónica, incluyendo comunicaciones ópticas, almacenaje de información y microanálisis. El primer testimonio de este tipo de láseres lo encontramos en un artículo de la revista Science publicado por Huang et al., de la Universidad de California y el Berkeley Lab, en el año 2001. En este artículo tan sólo hablaré sobre los nanoláseres de ZnO, pues son con los que se empezó a trabajar, pero en la actualidad hay más semiconductores adecuados para este tipo de dispositivos.

En primer lugar, ¿por qué reducir tanto las dimensiones? Ya se comprobó con anterioridad al descubrimiento de los nanoláseres, que el ZnO es un material susceptible de emitir luz láser en ultravioleta (Eg=3.37eV). Pero los semiconductores de gap ancho, como el ZnO, necesitan una gran concentración de portadores para alcanzar la suficiente ganancia óptica. Sin embargo, se puede recurrir a la recombinación excitónica, que es un proceso radiativo mucho más eficiente, con un umbral de emisión estimulada mucho inferior. Para ello, la energía del excitón a temperatura ambiente debe ser mucho mayor que la energía térmica. Lo cual nos lleva de nuevo a recurrir al ZnO, pues su energía de enlace del excitón es del orden de 60 meV. Por otro lado, el hecho de reducir las dimensiones del semiconductor a tamaño nanométrico conlleva un aumento tanto de la densidad de estados en los bordes de la banda como de la recombinación radiativa debido al confinamiento. De ahí las ventajas de usar ZnO en estructuras con dimensiones nanométricas.

Los nanohilos de ZnO se sintetizan sobre un substrato de zafiro (110) en un proceso de transporte en fase vapor a través de un crecimiento epitaxial catalizado. En este caso se utilizan películas delgadas de oro como catalizador. Estos nanohilos, que están altamente orientados, sólo crecen en las zonas que están recubiertas por oro. Los diámetros de los nanohilos pueden oscilan entre los 20 y los 150 nm, mientras que su longitud va de 2 a 10 micras, dependiendo del tiempo de tratamiento. Por otro lado, su sección transversal es hexagonal (0001), y tienen la ventaja de estar bien facetados, tanto lateralmente como en los extremos superior e inferior, lo cual favorece a la hora de actuar como cavidad láser. Se puede ver en la figura 1 una imagen SEM de los nanohilos de ZnO.

Figura 1

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Es curioso, pero entre todas las lecciones que recuerdo de mi etapa en el colegio, en la antigua EGB, junto a cosas como agujeros negros, superconductividad, el Big Bang y trenes que volaban… que nos contaban para, sabiamente, captar nuestra atención, me acuerdo del día que nos contó, nuestro genial profesor de Ciencias (D. José Luis), la diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes. Y lo cierto es que los semiconductores no me gustaron mucho, la verdad, me parecieron un poco sosos, algo… mediocres, porque ¿qué es eso de conducir, pero a medias? Nada. No me convencían en absoluto.

Y llegó el último año de colegio, antes de pasar a la Universidad, en el que tuve que hacer un trabajo sobre el transistor. Fue una experiencia divertida, aunque me costó enterarme de que "Silicon" no se traducía por "silicona" sino por "silicio", y descubrí que el transistor, estaba basado en semiconductores. Esas cosas que yo había despreciado unos años antes resultaban ser la base de toda la tecnología en la que vivimos inmersos. Pero la verdad, tampoco me emocioné tantísimo. Supongo que es algo así como la rueda: un grandísimo invento, pero nadie llora de emoción cuando sale a la calle.

Hasta que llegué a la Universidad y una vez pasados los tres primeros cursos descubrí que los semiconductores son mucho más que una cosa que "conduce, sí, pero a medias", y también son más cosas que sólo el transistor. O ¿qué pensaba? ¿Qué los punteros láser que venden en las tiendas de todo 1€ llevan incorporada una cavidad resonante de medio metro de longitud (pero "metros de los pequeñitos") en la que producir una inversión de población y la consiguiente emisión láser? No señor, lo que estos punteros de 1 € y una gran cantidad de aparatos con aplicaciones en investigación, cirugía o posicionamiento llevan dentro es un semiconductor. Igual que los LEDs, esas bombillitas que ya tenemos en todos lados que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hasta en los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eran parte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Además, ya no sólo conducían la electricidad, sino que también podían recoger y emitir luz.

Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnológico, pero su objetivo primordial ya no es la miniaturización de las cosas, no, porque la palabra "miniaturización", irónicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevará una cámara de alta definición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento para guardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la nanotecnología.

El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil de manejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente por una región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de la relación superficie - volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo que puede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas, como se pretende con la nanotecnología, da lugar a fenómenos completamente inesperados o difícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Como decía Ivan K. Schuller (un investigador de San Diego nacido en Rumanía que habla español con acento chileno) en una charla que dio hace poco en la UCM:"Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno se encuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los límites de la Física uno se encuentra lo inesperado, que es mucho más interesante desde el punto de vista práctico." (more…)

Hace un tiempo que no os escribo, ya lo sé, pero es lo que tiene la vida científica, que no te deja tiempo para nada. Que sepáis que llevo unos meses trabajando en el laboratorio y estoy acumulando cantidad de resultados. Creo que deben ser interesantes, porque mi jefe me ha propuesto escribir un artículo…y ¡enviarlo a una revista científica! ¡Ay qué nervios!, mira que como me lo acepten y aparezca publicado mi nombre junto a mi trabajo, así de forma oficial en una revista…¿y si me hago famosa?…espero que no me reconozcan por la calle,…con lo poco que me gustan a mí las fotos y eso de “hablar de mi vida privada”.

De momento estoy liadísima recopilando información con la que conseguir corroborar mis conclusiones (aunque aún no tengo muy claro cuáles son…por cierto, si tampoco he decidido lo más importante…¡el título del artículo!). Ahora que lo pienso empiezo a no estar segura de mis cálculos,… mira que si me he equivocado y quedo como una idiota ante la comunidad científica…¿y si a nadie le interesa lo que hago?

En fin, digo yo que esto de comenzar a publicar y divulgar mis resultados dará más consistencia a mi investigación, que es lo que ahora más necesito. Además me han dicho que los artículos publicados cuentan mucho en el currículum necesario para, en un futuro, optar a nuevas becas o contratos de investigación. Así que allá voy, dispuesta a redactar mi primer artículo científico…¡deseadme suerte!

     Según un artículo de xbit laboratories esta próxima la nueva era de las televisiones. En pocos años estarán disponibles en el mercado pantallas planas basadas en Diodos Emisores de Luz Orgánicos (OLED), las cuales presentan numerosas ventajas sobre los CRTs y LCDs actuales. Pronto se inventaron las matrices activas, en las que cada uno de los píxeles disponía de un diminuto transistor de película delgada (Thin Film Transistor, TFT), el cual se encargaba de mantener el color de su píxel asociado en los momentos en que el controlador electrónico de la pantalla estaba actualizando otras zonas. Así aparecieron las primeras pantallas LCD TFT para ordenadores, de un tamaño clásico de 14-15", y a un precio asequible. Pese a todo, los mejores LCDs disponibles no podían competir en algunos aspectos con los clásicos CRTs: distorsión de los colores cuando el ángulo de visión cambia, incluso dentro de los márgenes previstos, sensibilidad a las bajas temperaturas, la necesidad de retroiluminación, y los limitados tamaños de pantalla. Por eso, mientras los fabricantes de pantallas se enfrascaron en una carrera por resolver estos problemas (los cuales han sido mejorados notablemente en los productos actuales), otros diseñadores empezaron a buscar alternativas.

LED ORGÁNICOS:

     OLED significa Organic Light Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz Orgánico). Las dos diferencias básicas con los LCDs son 'emisor de luz' y 'orgánico'. El hecho de que estos dispositivos emitan luz supone una primera diferencia crucial, pues los sistemas LCD en sí se limitan a dejar pasar o bloquear la luz producida por lámparas convencionales situadas detrás de ellos. Estas lámparas ocupan buena parte del grosor de la pantalla, por lo que, al no existir en una pantalla hecha con OLEDs, permite que éstas sean mucho más finas.  Además, el estar basado en componentes orgánicos también supone un notable avance. Hasta ahora, los LEDs se hacían con semiconductores inorgánicos (silicio, arseniuro de galio, arseniuro de indio…), lo que implicaba una serie de limitaciones en cuanto a rendimiento. La complejidad de las moléculas semiconductoras orgánicas permite conseguir rendimientos notablemente superiores de forma mucho más sencilla, una vez que se sabe como fabricarlos. Estos nuevos diodos se depositan sobre una base de vidrio sobre la que previamente se depositaría una primera capa de óxido de indio, que cumpliría el papel de ánodo. Sobre ella irían dos capas orgánicas que formarán los OLEDs y finalmente una última capa metálica de magnesio y plata, cumpliendo la función de cátodo. El ancho total es de unos 500 nanómetros, incluyendo la iluminación, pues los propios OLEDs generan dicha iluminación. Y lo que es aún más interesante: el dispositivo tiene un valor de gamma de casi cero (su respuesta a la tensión es prácticamente lineal). Los primeros experimentos mostraron muchos de los inconvenientes que todavía tenían esos dispositivos experimentales, en concreto la baja durabilidad: a las 100 horas de funcionamiento continuo, la intensidad luminosa se había reducido a la mitad. También estaba siendo difícil conseguir un OLED que emitiese en la banda del azul. Las soluciones se están encontrando poco a poco. Los nuevos OLEDs constan de más capas, y usan materiales más complejos, además de aditivos especiales que permiten conseguir luz en las tres partes interesantes del espectro: rojo, verde y azul, cuya combinación permite conseguir casi cualquier color. (more…)