Nanotecnología

 Un nuevo análisis de los productos emitidos al medio ambiente durante la producción de nanotubos de carbono (CNTs), ha identificado compuestos cancerígenos, contaminantes, y otras sustancias alarmantes, tal y como afirmaron algunos investigadores durante el 234º encuentro de la American Chemical Society

Según un estudio llevado a cabo por Desirée L. Plata, del MIT,  los estudios anteriores a cerca del impacto medioambiental de la industria de los nanomateriales, se han basado principalmente en la toxicidad de los ingredientes utilizados, más que en los contaminantes producidos durante la manufactura de los CNTs. Los resultados obtenidos podrían ser cruciales puesto que la industria de la nanotecnología desea evitar los problemas medioambientales y de salud  que han acompañado a la aparición de otras nuevas tecnologías.  

Los investigadores desean desarrollar, en colaboración con la industria de los CNT, sistemas de filtración y reacciones basadas en una química verde como posibles sustitutos a los productos potencialmente peligrosos, a la vez que otras vías de  manufacturación de  nanotubos de carbono que minimicen el impacto. Experiencias recientes con otros contaminantes industriales subrayan la necesidad de intentar mejorar los métodos de manufacturación de nanotubos antes de que surjan serios problemas.

Los nanotubos de carbono, cilindros de carbono cuyo diámetro es mil veces menor que el grosor de un cabello humano, poseen una conductividad eléctrica alta a la vez que una mayor resistencia.

Estudios llevados a cabo por otros científicos, han demostrado que los nanotubos de carbono, que aparecen bajo muchas formas y tamaños, pueden dañar los pulmones de ratones, pero se desconoce aún su riesgo sobre la salud humana. El desconocimiento sobre los efectos de los otros productos emitidos durante la producción de nanotubos es aún mayor.

Para evaluar dicha emisión, el equipo de Plata, usó un dispositivo a pequeña escala que simulaba la deposición química por vapor, uno de los principales métodos para la fabricación de los CNTs. Usando una fuente de vapor de carbono, los investigadores produjeron nanotubos y analizaron los otros productos químicos obtenidos durante la reacción: se encontraron al menos 15 hidrocarburos aromáticos, incluyendo cuatro tipos distintos de hidrocarburos aromáticos tóxicos (PAHs) similares a los que se encuentran en el humo de cigarrillos y en la emisión de los automóviles. El PAH más dañino que se identificó fue el benzopireno, un hidrocarburo cancerígeno muy conocido. También se observó  la emisión de otros hidrocarburos que pueden contribuir a la formación de smog, y  desencadenar la formación de ozono en la baja atmósfera, lo que puede generar problemas respiratorios en las personas.

Se señaló que quizás la solución clave al problema sea el empleo de filtros especiales en el proceso de producción para que se reduzca la formación de productos  peligrosos.

Otra posible solución es el desarrollo de un nuevo proceso de manufacturación de nanotubos, que produzca menos toxinas. El equipo de Plata trabaja actualmente con cuatro de los mayores productores de nanotubos de Estados Unidos.

Como los CNTs se producen actualmente a una escala industrial pequeña, los investigadores planean medir las emisiones actuales de varias empresas para tener una mayor perspectiva de las emisiones contaminantes.

 

   Nanotubos de carbono vistos con un microscopio electrónico 

 La célula es un universo dinámico donde interactúan una multitud de componentes a escala nanométrica. Con el fin de estudiar la estructura subcelular, se ha convertido necesario disponer de una instrumentación que permita la manipulación directa, extremadamente precisa y no invasiva. La llegada, de los láseres en los años 60, dio lugar al nacimiento de la cirugía láser. Hoy en día, la reducción del impulso láser por debajo del nanosegundo permite comprender mejor su interacción con los tejidos biológicos y controlar las intervenciones quirúrgicas con una resolución del orden de algunas centenas de nanómetros. Mediante la ionización de la materia por luz, la nanocirugía láser permite efectuar intervenciones quirúrgicas intracelulares tales como el corte de microtúbulos o de fibras sin dañar las estructuras de alrededor o comprometer la viabilidad celular. Así, el uso de láseres de pulsos ultracortos, más precisos y potentes, ofrece un nuevo acercamiento al estudio de las fuerzas biológicas o de la dinámica citoesquelética.

Las funciones celulares complejas tales como la mitosis, el crecimiento, o la diferenciación tienen lugar en dominios celulares distintos. Para estudiar la dinámica de dichos fenómenos, un acercamiento experimental clásico consiste en perturbar al sistema para estudiar los mecanismos de reacción y de regeneración a corto y largo plazo. La instrumentación convencional, como las microagujas, tienen una resolución espacial limitada al orden de las décimas de milímetro y destruyen a menudo la integridad física de la célula. A lo largo de los últimos años, ha sido pues necesario el desarrollo de nuevas herramientas que permitan un acercamiento celular preciso y no invasivo, de ahí, el reciente interés por los sistemas de cirugía láser que permiten una resolución submicrométrica y un radio de acción restringido al entorno celular directo.

Comprimiendo la duración de los pulsos luminosos a tiempos extremadamente cortos, desde los nanosegundos hasta algunas decenas de femtosegundos para los láseres más modernos, la potencia máxima de cada impulso puede aumentar en varios órdenes de magnitud conservando una energía razonablemente baja. Así se pueden inducir efectos no lineales en el medio irradiado, desde la degradación fotoquímica a la explosión mecánica y termal. Al focalizar sobre un punto del interior de un tejido o sobre la membrana de una célula, es posible vaporizar localmente el material intracelular sin que el efecto fotodestructor se extienda más allá de algunos cientos de nanómetros entorno al punto irradiado. Así, se pueden recortar de modo muy preciso citoesqueletos, u orgánulos como las mitocondrias. Esta técnica no invasiva permite una manipulación directa de la maquinaria celular con una resolución inferior al micrómetro, de ahí el término nanocirugía.

La formación del plasma de dimensiones nanométricas tiene lugar al focalizar pulsos muy cortos a través de objetivos con una gran apertura numérica (>0,9) que provocan la ionización de la materia. Este fenómeno que comienza con la liberación de un electrón por la absorción de varios fotones, se produce en cascada durante toda la duración del pulso láser, provocando una avalancha de electrones libres y descomponiendo así la materia generando un plasma. Tan pronto como ha sido formado, el plasma absorbe una parte de la luz y puede provocar ciertos efectos secundarios que contribuyen a amplificar la extensión espacial y temporal del efecto quirúrgico. Los recientes desarrollos tecnológicos de los láseres han permitido una reducción de la extensión espacial y temporal. Si bien no existe el láser perfecto en nanocirugía, hay que tener en cuenta distintos parámetros ópticos, como la calidad del haz o la extensión del foco, que determina la intensidad del haz, y por ende, la apertura numérica. En términos de longitud de onda, el uso de rayos UV-A (próximos al visible) es el mejor compromiso para reducir la extensión del haz, proporcional a la longitud de onda. Sin embargo, la penetración óptica del UV en los tejidos biológicos no supera el centenar de micras y es por ello que el uso de los láseres que emiten en el IR o visible es más eficaz para los tejidos profundos.

La nanocirugía, puede por lo tanto ser optimizada utilizando trenes de pulsos ultracortos, por debajo del nanosegundo. Ello explica el reciente éxito de los laseres de femtosegundos en cirugía con láser, porque el uso de pulsos por debajo del picosegundo, permite un mejor control del efecto deseado y de su extensión espacial. La nanocirugía se centra en el estudio y modificación de los elementos subcelulares sin afectar la viabilidad celular lo que presenta múltiples aplicaciones en biología celular, en la comprensión de las distintas etapas del desarrollo, en las interacciones funcionales entre diferentes orgánulos, o en los intercambios célula-célula.

 Entre las aplicaciones potenciales del ALD (Atomic Layer Deposition), una técnica en vías de perfeccionamiento por los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne, estarían la fabricación de células solares más eficientes y menos costosas, catalizadores industriales, superconductores mejorados y  membranas de separación. Esta técnica es la única que permite cubrir objetos en 3D mediante capas que se ajustan perfectamente. Para ello, se somete al objeto a una serie de pulsos reactivos de un gas que permite aplicar una película sobre la superficie del objeto. La reacción química entre los gases y la superficie da lugar a una monocapa con un espesor exactamente igual al de una molécula. Esta técnica permite la deposición de una gran variedad de materiales, desde óxidos y nitruros hasta metales y sulfatos. Lo que convierte a ALD en un método más eficaz frente a los métodos tradicionales como la evaporación, es la posibilidad que ofrece de cubrir cada esquina y resquicio de cualquier objeto.

Los investigadores utilizaron este procedimiento para la fabricación de membranas catalíticas nanoestructuradas (NCMs). Estas estructuras permiten reacciones catalíticas que, por ejemplo, convierten materias primas baratas en productos más valiosos y sintetizan carburantes.

El objetivo actual del grupo de Sistemas de Energía de Argonne es poder medir las propiedades de los catalizadores y sintetizar otros materiales catalíticamente relevantes en el interior de las NCMs.  Este grupo ha estado trabajando en NCMs con el fin de llevar a cabo reacciones químicas que permitan producir materiales que contribuyan al sustento del país.

La meta de unos de los investigadores ha sido mejorar la eficacia de los catalizadores en el proceso  Fischer-Tropsch. Este proceso toma el singás, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, y lo convierte en carburantes. El singás puede provenir de una gran variedad de materiales, desde gas natural, o carbón. Se espera que los NCMs puedan mejorar la actuación de los catalizadores Fischer-Tropsch lo suficiente como para que la  producción de carburantes libres de azufre sea económicamente viable en el siguiente par de décadas.

Por otro lado, los mismos investigadores,  han comenzado a aplicar la tecnología ALD a los LEDs, que están considerados como la fuente de luz más eficaz que existe, pues no se calientan y  presentan un bajo consumo de potencia eléctrica. Los LEDs requieren un electrodo que por un lado, permita suministrar electricidad al material semiconductor, y que por el otro sea transparente para que deje que la luz se escape. Tradicionalmente, este electrodo estaba hecho de ITO (Oxido de indio-titanio), que es un material muy caro para ser producido masivamente.  Se está estudiando la posibilidad de reemplazar el ITO por una cadena de nanopartículas metálicas alineadas dentro de un campo magnético para que formen una red eléctricamente conductora. Lo que se hace es aplicar un recubrimiento de ALD para que se forme un electrodo conductor transparente y  poder así fabricar LEDs más baratos.

En colaboración con la Universidad de Northwestern, los investigadores de Argonne están también fabricando células solares muy eficientes. � 0stas usan también tecnología ALD de manera similar a los NCMs-se depositan capas perfectamente ajustadas de óxidos conductores y semiconductores transparentes sobre las superficies internas de las membranas nanoporosas. Como en el proceso de fabricación el silicio no está involucrado,  a diferencia de lo que sucede en las células solares convencionales, se espera poder producir electricidad con un coste mucho más bajo.

 Las imagines muestran como una combinación de óxido de aluminio anodizado y (AAO) y la deposición en capa atómica (ALD) constituyen un suporte muy uniforme, controlable y poroso para catalizadores nuevos.

El profesor Nikhil Kotakar, del Departamento de de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y Nuclear de Rensselaer,  ha desarrollado un nuevo método a base de nanotubos de carbono para detectar y reparar cualquier grieta casi en cualquier estructura polimérica.

Al introducir en el polímero nanotubos de carbono eléctricamente conductores y monitorizando su resistencia eléctrica en diferentes puntos de la estructura, se puede precisar la situación y tamaño de la menor de las grietas. Una vez situada la fractura, Kotakar puede enviar una breve señal eléctrica a la zona para calentar los nanotubos y fundir un agente reparador añadido a la mezcla que sella la fractura.

Incluso la adición de una pequeña cantidad de nanotubos tiene un efecto endurecedor para los materiales plásticos. Los investigadores del Rensselaer Polytechnic Institue han desarrollado una simple técnica para identificar y reparar, fracturas pequeñas pero potencialmente peligrosas  en las alas de los aviones y en otras muchas estructuras fabricadas mediante polímeros.

La mayoría de errores en cualquier estructura ingenieril se suelen deber a microgrietas que se extienden hasta alcanzar tamaños peligrosos y a la larga comprometen la integridad de la estructura. La solución que propone Koratkar, permite un diagnóstico en tiempo real y no requiere ningún sensor externo o instrumentación compleja. Hasta hora se usaban sensores ultrasónicos, que son unidades externas que requieren mucho tiempo para escudriñar la superficie completa.

El equipo de Koratkar fabricó una estructura de resina epoxy, a la que se le añadió una cantidad de nanotubos igual al 1% de la masa total. Posteriormente, se mezcló bien para asegurarse de que los nanotubos se difundían  a través de la estructura. Los investigadores introdujeron en ésta una serie de alambres, en forma de rejilla,  que servían para medir la resistencia eléctrica y para aplicar distintos voltajes a la estructura. Al enviar una pequeña señal eléctrica a través de los nanotubos, los investigadores fueron capaces de medir la resistencia entre dos puntos cualesquiera de la rejilla. Luego, produjeron una grieta en la estructura y midieron la resistencia entre los dos puntos más  próximos de la rejilla. Como la corriente eléctrica ahora tenía que salvar la grieta para viajar desde un punto a otro, la resistencia aumentaba. Así, cuanto mayor era la grieta, mayor era la resistencia que se medía entre los dos puntos. Cuando se detecta una grieta, se puede aumentar el voltaje que atraviesa los nanotubos en un punto en concreto de la rejilla. Este voltaje extra genera calor, lo que a su vez derrite un agente reparador que se mezcló con la resina. Este agente fluye hasta la grieta donde se enfría, reparándola. Las estructuras ya arregladas son en un 70% igual de fuertes que las estructuras originales.  Lo novedoso de esta aplicación es el uso de nanotubos de carbono no sólo para detectar la grieta sino también para repararla.

Se espera que este sistema aumente la vida, seguridad, y eficacia de las estructuras poliméricas, que se usan en vez de metales cuando el peso es un factor a tener en cuenta. Por otro lado, los investigadores tienen también la evidencia de que los nanotubos influyen en la disminución de la tasa en la que las grietas de los polímeros se extienden.Actualmente, el equipo trabaja en la optimización del sistema, en su aplicación a estructuras mayores y en un análisis más exhaustivo de la resistencia eléctrica de la rejilla y de los nanotubos incrustados.

 Una nueva investigación del MIT, desvela por primera vez el papel que juega la estructura atómica de los huesos en el  mecanismo de endurecimiento de los mismos. Este mecanismo permite que a costa del sacrificio de una pequeña parte del hueso, éste se proteja al completo. Se explica mediante el modelo propuesto por qué el hueso aguanta pequeñas fracturas y la necesidad del hueso de estar constantemente reconstruyéndose. Estos conocimientos podrían fundamentar el diseño de nuevos materiales.

A diferencia de los materiales de construcción sintética, que tienden a ser homogéneos, el hueso es un tejido heterogéneo, cuyas células sufren un cambio constante. Los científicos han clasificado la estructura básica del hueso en una jerarquía de siete niveles a distinta escala.

A nivel atómico, el primer nivel en el que se divide el modelo que creó Markus Buehler, del Departamento Civil de Ingeniería Medioambiental del MIT, se pretendió estudiar como se acoplan las moléculas, y cómo y cuándo se separan. En concreto, para encontrar el mecanismo que rige la dureza de los huesos, que es algo relativamente sorprendente dado que se trata de un material ligero y poroso, estudió la reacción a la fuerza de los enlace químicos inter e intramoleculares

En el siguiente nivel,  se encontró que las fibras de colágeno mineralizadas estaban compuestas de cuerdas a base de moléculas de colágeno alternadas con cristales de hidroxiapatita. Estas  cuerdas  se apilan de  tal manera que los cristales aparecen con una configuración escalonada. Al aplicar presión sobre las fibras, algunos de los enlaces débiles entre las moléculas de colágeno y los cristales se rompen creando pequeños gaps o estiramientos en las fibras. Este estiramiento difunde la presión a un área más extensa y protege otros enlaces más fuertes entre las propias moléculas de colágeno. El estiramiento permite también a los pequeños cristales cambiar de posición.

Anteriormente, algunos investigadores sugirieron que la clave que explicaba la dureza de los huesos residía en el deslizamiento molecular, que permite a los enlaces débiles romperse y estirar la estructura sin destruirla. Otros autores han citado la largura característica de los cristales de hidroxiapatita (unos pocos nanómetros) como la causa de la dureza de los huesos, puesto que los cristales son demasiado pequeños como para romperse fácilmente.

A escala atómica, Buehler sostiene que ambos mecanismos intervienen, lo que sugiere que los conceptos introducidos anteriormente serían correctos. Según a la escala en la que nos situemos, la dureza de los huesos reside en un mecanismo distinto. Además descubrió algo curioso: la magnitud de los mencionados gaps, varios cientos de micrómetros, es igual a la de las unidades multicelulares básicas o BMUs asociadas a la remodelación de los huesos. Las BMUs son una combinación de células que trabajan en equipo renovando el tejido, formando pequeñas cavidades a lo largo del mismo.

Así, el mecanismo responsable de la dureza de los huesos a escala molecular, explica también como el hueso puede ser tan fuerte aún y conteniendo tantas pequeñas cavidades necesarias para su renovación. Esto podría resultar una información muy útil para los ingenieros que siempre han utilizado materiales como el acero, duros pero muy densos. � 0stos generalmente aumentan las dimensiones de las estructuras para hacerlas más robustas, mientras que la naturaza genera esta robustez mediante estructuras jerárquicas.

La imagen superior representa la configuración escalonada de los cristales de hidroxiapatita, y las moléculas de colágeno (morado). En el inferior, el nivel 2 del modelo.

  En Japon, un grupo de investigadores  han desarrollado unas tijeras a escala molecular que se abren y cierran según sea la luz que reciben. Estas pequeñas tijeras son el primer ejemplo de una herramienta molecular capaz de manipular mecánicamente moléculas mediante luz como único estímulo.Las tijeras tienen apenas 3nm de longitud, por lo que son lo suficientemente pequeñas como para suministras fármacos a las células o para manipular los genes y otras moléculas biológicas, según Takuzo Aida, profesor de la Universidad de Tokio. Según el propio Aida, a los químicos y bioquímicos podrían también serles útiles estas tijeras para controlar con mayor precisión la actividad de las proteínas. Los detalles de esta herramienta se presentaron  en el 233º encuentro de la American Chemical Society, la mayor sociedad científica del mundo.

Los científicos buscaban desde hace mucho tiempo un modo de desarrollar herramientas a escala molecular que funcionaran en respuesta a un estímulo en concreto, como la luz o el sonido. Por ello, los biólogos, en concreto se muestran entusiasmados con el desarrollo de esta técnica porque les aporta una manera sencilla de manipular genes y otras moléculas. Kazushi Kinbara, coinvestigador en este estudio, afirma que mediante  el uso de una técnica de excitación multifotónica, se podrán manipular las tijeras en el interior del cuerpo para aplicaciones médicas. Por ejemplo, se sabe que la radiación del infrarrojo próximo puede alcanzar partes muy internas del cuerpo.

Las tijeras consisten en una cadena química que se pliega o extiende según sea la longitud de onda de la radiación que incide sobre ella. Al igual que las tijeras reales, estas tijeras moleculares tienen un pivote, hojas y asideras. El pivote consiste en una estructura de dos pisos fabricada de ferroceno, con un átomo de Fe (II) entre dos placas de carbono. La unidad, que consta de tres piezas forma un eje, que permite a las tijeras rotar y girar. El movimiento está dirigido por las dos asideras que están unidas a una molécula fotosensible, llamada azobenzeno, que no sólo tienen la capacidad de absorber luz, sino que además presenta dos formas isoméricas: una larga y otra corta. Cuando a la forma alargada del azobenzeno es expuesta a radiación UV, se convierta en la forma corta. Una exposión a luz visible, transforma la forma corta en forma larga.

Si se usa alternativamente luz visible y UV, la largura del azobenzeno disminuye y aumenta, lo que provoca que las asideras presenten un movimiento continuo de apertura-cerradura. Unido a las hojas de las tijeras, hay unidades organometálicas llamadas zinc-porfirina.  Cuando el átomo de zinc está unido a una molécula que contenga nitrógeno, como el DNA, el zinc y el nitrógeno actúan como imanes, asegurando que estén firmemente sujetas a la molécula. Como las hojas se abren y cierran, las moléculas huésped permanecen atadas a la zinc-porfirina, y como resultado, se retuercen hacia delante y hacia atrás.

En un reciente estudio, los científicos demostraron que las tijeras guiadas mediante luz podían ser utilizadas para atrapar y girar moléculas. El grupo actualmente esta trabajando para desarrollar un sistema de tijeras mayor que pueda ser manipulado por control remoto. Las aplicaciones prácticas se espera que lleguen en un plazo de cinco a diez años.