Nanotecnología

Por CRISTINA CHAMORRO POYO

La síntesis comercial de nanopartículas ferromagnéticas a temperatura ambiente es difícil porque las partículas se forman rápidamente, produciendo racimos de partículas aglomeradas con peores propiedades magnéticas y cristalinas que las ideales del material.

Sin embargo, como ya se describió en este blog, varias cepas de bacterias producen nanopartículas finas y uniformes de magnetita que tienen propiedades magnéticas adecuadas. Estas bacterias utilizan una proteína para formar partículas cristalinas de aproximadamente 50 nanómetros de diámetro.

Estos cristales están limitados por membranas para formar cadenas de partículas que las bacterias utilizan como una brújula para orientarse a partir del campo magnético de la Tierra.

Como cuando se debe diseñar algo, es difícil encontrar una mejor fuente de inspiración que la Madre Naturaleza, para ver si era posible aprender de las bacterias, la investigadora Surya Mallapragada del Laboratorio de Ames, formó un equipo que incluyó a microbiólogos, bioquímicos, químicos de los materiales, ingenieros químicos, científicos de los materiales y físicos, del laboratorio así como de la Universidad Estatal de Iowa, la universidad que administra ese laboratorio.

Basándose en un trabajo anterior realizado por un equipo de investigación japonés, la bioquímica Marit Nilsen-Hamilton, del Laboratorio de Ames, estudió varias proteínas de las que se conocía su capacidad para enlazarse al hierro, incluyendo la Mms6 encontrada en las bacterias magnetotácticas que ella clonó de esas bacterias.

Hablemos brevemente de Mms6

Mms6 representa una clase de proteínas que están estrechamente asociados con la magnetita bacteriana Magnetospirillum magneticum (ver la imagen). La proteína consta de una región N-terminal hidrófobo y un C-terminal hidrófilo, región que contiene múltiples aminoácidos de carácter ácido.

A raíz de los análisis sobre la competencia del hierro con otros cationes inorgánicos, se ha sugerido que la región C-terminal es el sitio de unión de hierro. Sin embargo, la función exacta de Mms6 en el proceso de síntesis de magnetita sigue siendo desconocida. No obstante, se ha examinado recientemente la síntesis de magnetita por oxidación parcial de hidróxido ferroso, con y sin la adición de Mms6, así como las características cristalográficas de la magnetita. La síntesis de magnetita mediada por Mms6 producía cristales de un tamaño uniforme y con una morfología cubooctahedral similar a la observada en la bacteriana M. magneticum. En cambio, los cristales formados en la ausencia de Mms6 es octaédrica, con un mayor aumento del tamaño distribución.

Cordones de nanopartículas magnéticas dentro de bacterias.  

La química Tanya Prozorov probó a sintetizar cristales, utilizando las proteínas con varias concentraciones de reactivos en una solución acuosa, pero las partículas se formaron rápidamente, eran demasiado pequeñas y carecían de la morfología específica del cristal.
A sugerencia del físico especialista en el crecimiento de cristales Paul Canfield, el equipo utilizó geles de polímero desarrollados por Mallapragada y Balaji Narasimhan para ayudar a llevar a cabo lentamente la reacción y tener control sobre la formación de los nanocristales, minimizando la agregación.

Prozorov también llevó a cabo análisis de microscopía electrónica de las nanopartículas sintéticas que mostraron que a partir de la Mms6 se habían producido cristales bien formados, en facetas, parecidos a los producidos de modo natural por las bacterias.
            El físico Ruslan Prozorov comprobó las propiedades magnéticas de los cristales sintéticos que también mostraron llamativas similitudes con los cristales producidos por las bacterias y la magnetita en bruto.

Entonces, el equipo procedió a averiguar si el método bioinspirado podría utilizarse para producir nanopartículas de ferrita de cobalto. La ferrita de cobalto, que no aparece en los organismos vivos, tiene propiedades magnéticas más deseables que la magnetita, pero presenta los mismos problemas que otras partículas de tamaño nanométrico para su producción comercial. El método funcionó bastante bien y los investigadores terminaron obteniendo perfectos cristales hexagonales de ferrita de cobalto.

Las nanopartículas magnéticas podrían utilizarse para:

• - Liberar medicamentos en puntos muy específicos y con enorme precisión.
• - Dispositivos de memoria de alta densidad.
• - Tintas magnéticas.

Páginas web de interés:

http://grupogima.blogspot.com/2008/06/producen-nanoparticulas-magnticas.html

http://www.amazings.com/ciencia/noticias/040608b.html

http://www.external.ameslab.gov/final/News/2008rel/Magnetite.html

http://www.creb.upc.es/index.php?option=com_content&task=view&id=99&Itemid=31

http://www.solociencia.com/quimica/index-16.htm

http://mkweb.uni-pannon.hu/ft/mtb/abstracts/Arakaki.pdf

Por Marta Valien Trujillo

   Un grupo de investigación del Instituto de Estructura de la Materia (IEM) ha demostrado que es posible emplear plasmones superficiales localizados para la detección de bajas concentraciones de PAHs (hidrocarburos policíclicos aromáticos cancerígenos para el ser humano) en aguas. Mediante el empleo de superficies metálicas nanoestructuradas se logra la intensificación de las señales, lo que hace posible la caracterización de bajas concentraciones de PAH basándose en el empleo de técnicas espectroscópicas como son SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) y SEIR (Surface-Enhanced IR).

  Los plasmones superficiales localizados permiten intensificar la señal de Raman en seis órdenes de magnitud permitiendo compaginar las dos técnicas para poder identificar compuestos.

  Se logra una funcionalización de las nanoestructuras mediante el uso de moléculas altamente específicas que son capaces de autoensamblaje, siendo éste el principio para el empleo como detección de ligandos con interés medioambiental. En este caso, para la detección de los PAHs se emplean calixarenos.

  El empleo de la técnica de detección de SERS se fundamenta en el incremento de la señal Raman debido a la superficie metálica nanoestructurada, lo que ha permitido el uso de esta técnica cuyo inconveniente era la detección de intensidades débiles (lo que limitaba su uso para bajas conentraciones).

  Se emplean como metales para esta técnica Ag, Au, Cu. En el caso de SEIR algunos de los metales empleados como metales localizados son Sn, Pb, Fe, Pt, Pd, Rh, Ir…  Este hallazgo logra un aumento tanto de sensibilidad como selectividad.

  Se puede explicar el incremento sustancial de la señal en base a dos modelos:

• Modelo electromagnético
• Modelo químico de transferencia de carga (TC)

  El uso de la técnica SERS está relacionada con las propiedades tanto morfológicas como superficiales de la superficie metálica. Se debe producir un acoplamiento con la radiación incidente intensificando al radiación espectroscópica. Para que esto suceda es vital controlar la morfología.

  Para que se produzca la intensificación de la señal en Raman debe haber un acercamiento de la molécula a estudiar, la cuál se adsorbe por procesos de fisisorción o quimisorción. En el caso de las moléculas de PAHs, éstas no muestran tendencia a la adsorción por lo que no queda más remedio que realizar una modificación sobre la estructura superficial. De este modo se funcionaliza la superficie mediante el empleo de sistemas moleculares, macromoléculas altamente específicas como son los calixarenos, con lo que se logra que haya afinidad de los PAHs en la superficie metálica, es decir hacemos que la superficie sea atractiva para las moléculas que queremos analizar. El calixareno se acopla a la superficie metálica y en la parte superior interacciona con el ligando de interés, se produce una  interacción π-π de nubes y se cierra el calixareno. Gracias a la nanotecnología se pueden preparar moléculas orgánicas a escala nano, lo que nos permite por tanto detecciones de concentraciones muy bajas.

  El sistema es el ilustrado en la imagen.

  El Calixareno que mejores resultados parece dar en esta línea de investigación es el derivado dicarboetoxi (DCED).

  En la siguiente figura se observa la señal obtenida para diferentes PAHs mediante el empleo de la técnica de SERS con superficie de Ag  funcionalizada con DCED da una gran selectividad y en especial para el pireno. El pireno posee un banda característica a 591 cm^-1 que no se encuentra solapada por ninguna del calixareno, por tanto es un sensor excelente y con una gran posibilidad de diseño y se podrá jugar con la selectividad con una funcionalización adecuada.

  Otros enlaces de interés:

ttp://ib.cnea.gov.ar/~napolitf/informes/raman.pdf

http://www.unicen.edu.ar/crecic/analesafa/vol17/j12.pdf

http://www.nanospain.org/files/conferences/Seminario_LuisLizMarzan_IMM.pdf

Por CRISTINA CHAMORRO POYO 

La definición oficial de un nanoalimento es la de un alimento para cuyo cultivo, producción, procesamiento, o empaquetado se han utilizado, bien nanopartículas, bien técnicas o herramientas nanotecnológicas.

La nanotecnología puede emplearse, por ejemplo, para mejorar el sabor y la textura de los alimentos y  encapsular ciertos nutrientes como vitaminas para impedir que se degraden durante la vida útil del producto. Asimismo, se pueden emplear nanomateriales para fabricar envases que conserven mejor y por más tiempo la frescura del producto. Es más, pueden crearse envases inteligentes dotados de nanosensores que informen al consumidor del estado en que se encuentra el producto del interior, por tanto se trataría de un empaquetado inteligente que literalmente pueda oler, detectar y destruir microorganismos que puedan hacer que el alimento se malogre o sepa mal. Un aspecto muy interesante es que el mundo de los nanoalimentos nos permitiría la posibilidad reducir el contenido en grasas de los alimentos, es decir, podríamos comer un helado que tenga la misma cantidad de grasa que una zanahoria e incluso comer una hamburguesa que reduzca el colesterol.  Incluso se ha llegado a decir que los productores de nanoalimentos prometen acabar con el hambre ofreciendo productos más baratos y seguros.

El mercado de la nanotecnología está creciendo rápidamente; actualmente Estados Unidos lidera este mercado con una inversión de 3.7 billones de dólares a través de la "National Nanotechnology Initiative (NNI)" (Iniciativa Nacional de Nanotecnología), seguido por Japón y la Unión Europea. Más de 400 compañías alrededor del mundo (incluidas Nestlé, Kraft, Heinz y Unilever) trabajan activamente en la investigación y desarrollo de la nanotecnología y se espera que este número crezca a 1000 compañías en los próximos 10 años.

Pero el problema es que las empresas de alimentos no son tan abiertas en sus declaraciones a la prensa sobre sus avances e investigaciones en nanotecnología, ya que el gran debate sobre los alimentos y organismos genéticamente modificados (OGMs) ha causado un gran impacto en el público consumidor que lo ha hecho más vigilante y cauteloso sobre cualquier nuevo avance tecnológico que tenga el potencial de ser dañino a nuestra salud y por ende controvertido. Una prueba de esto es que si uno realiza una búsqueda con los términos nano o nanotechnology (nanotecnología) en las páginas web de Kraft, Nestlé, Heinz o Altria uno obtiene exactamente cero páginas web. Pero si uno realiza la misma búsqueda en Google al colocar nanotechnology y el nombre de cualquiera de esas empresas obtendrá bastantes páginas de artículos y proyectos de investigación que están ocurriendo en la actualidad, lo cual resulta muy curioso ya que indica como que las páginas web de las empresas quieren deslindarse de la nanotecnología a pesar de tener laboratorios y programas activos en nanotecnología.

Por ejemplo, Kraft se encuentra desarrollando las bebidas "programables" que no tienen sabor ni color pero que contienen nanocápsulas con múltiples sabores y colores. El usuario solo tiene que calentar la bebida en el microondas por cierto periodo de tiempo y basado en ese tiempo podrá obtener bebidas con sabor y color de fresa o de naranja, o inclusive whisky o café.

Actualmente se estima que se encuentran en el mercado entre 150-600 nanoalimentos y entre 400-500 aplicaciones de nanoalimentos en los envases. Se pueden encontrar nanoproductos en el aceite de canola, panes, aditivos y suplementos, margarinas y zumos envasados

Por ejemplo, Shemen Industries de Israel ha creado un aceite de canola que contiene nanogotas que contiene vitaminas, minerales, y antioxidantes (fitoquímicos). El enfoque de encapsular nutrientes ha sido también usado para aumentar los beneficios a la salud en el caso de te y para aumentar el sabor en el caso de bebidas nutritivas con sabor a chocolate. Recientemente, ha sido introducido en el mercado cerveza en botella de plástico, la cual está hecha de una resina de nylon que hace a la botella más ligera, más resistente, más barata, y con una alta barrera de protección de entrada de oxigeno dentro de la botella.

No hay que olvidar que la adición de nanomateriales a los alimentos no está exenta de riesgos. Hay que pensar que, por su reducido tamaño, los nanomateriales pueden atravesar barreras como el epitelio intestinal e introducirse en el torrente sanguíneo, así que pueden llegar hasta órganos secundarios y acumularse en ellos. Esto parece ser que ciertamente es así ya que se sabe, por ejemplo, que las partículas ultrafinas emitidas por los motores de gasóleo pueden penetrar en los pulmones, y varios estudios han hallado una relación entre dichas partículas y enfermedades cardiovasculares. Estudios con animales también han confirmado que las nanopartículas pueden traspasar la pared intestinal.

No obstante se requiere mucha más investigación para comprender el modo en que las nanopartículas se mueven por el organismo. Se sabe muy poco acerca del modo en que estas partículas son absorbidas y excretadas por el organismo y sobre cómo se desplazan por el mismo. Además, es necesario describir los materiales con gran precisión para saber por qué cierto nanomaterial puede ser más tóxico que otros materiales.

Por último es importante destacar que existen hoy en día dificultades para establecer una definición clara de lo que es la nanotecnología o lo que son los nanomateriales porque lo cierto es que los alimentos ya contienen nanomaterias naturales,  de hecho, en la nanoestructura de la leche homogeneizada, por ejemplo, hay gotículas cuyo tamaño es de 100 nm. Así pues, tal definición debería evitar cualquier tipo de confusión con las materias naturales de tamaño nanométrico.

Páginas web de interés:

http://www.aspec.org.pe/documentos/alimentos/Nanoalimentos.pdf

http://ecodiario.eleconomista.es/noticias/noticias/683144/07/08/Los-nanoalimentos-podrian-ser-el-nuevo-temor-de-los-consumidores.html

http://blogs.periodistadigital.com/vidasaludable.php/2008/08/04/nanoalimentos-nuevo-temor-consumidores

http://www.ecoportal.net/content/view/full/79985

http://es.reuters.com/article/entertainmentNews/idESLAR07395820080731

Por Enrique Saiz Cascajares 

Cuando Hertz fabricó la primera antena de radiofrecuencia no podía imaginar que unos años más tarde Marconi la utilizaría para iniciar toda la revolución que culminó con la radio, la televisión y la telefonía móvil que hoy conocemos. Las antenas juegan un papel fundamental en la comunicación. Las ondas electromagnéticas enviadas y recibidas por las  antenas permiten la comunicación entre dispositivos electrónicos: emisiones de radio, televisión, móvil, etc. Para una comunicación eficaz, la antena tiene que dirigir las señales hacia un objetivo concreto y viceversa, captar señales de la fuente deseada.

Existe una gran diversidad de tipos de antena, dependiendo del uso al que van a ser destinadas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio generalista o la central de los teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). También es una antena la ferrita que permite oír un radio-receptor a transistores, o la que está integrada en la computadora portátil para conectarse a las redes WiFi.

Como los espejos que reflejan los haces de luz, así funciona la nano-antena con la que un grupo de investigadores de diferentes nacionalidades, probaron en su laboratorio de Barcelona (España) que la radiación electronagnética puede ser guiada a voluntad a escala nanométrica.  Las tecnologías actuales de nano-fabricación permiten elaborar estas antenas para estudiar su comportamiento. En este caso, se empleó la técnica denominada "Haz enfocado de iones" que, si bien es costosa, muchos laboratorios en el mundo cuentan con ella.

En el  año 2008, la imagen de portada del número de abril de Nature Photonics recogía los resultados del grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, Tim Taminiau, Fernando D. Stefani y Niek van Hulst, en colaboración con Frans Segerink, de la Universidad de Twente (Paises Bajos) que han conseguido crear una nano-antena capaz de capturar y dirigir la luz emitida por moléculas individuales. Colocando este dispositivo en proximidad de una molécula, se puede redirigir su emisión de luz en la dirección deseada, por ejemplo hacia un detector. Este hallazgo hace posible que la nano-antena sea capaz de concentrar la luz, actuando como un microscopio de alta precisión. En este caso, se aplicó el concepto de antena, usado en radio y televisión, para manipular luz en escala nanométrica. Lo que hicieron fue ponerle una antena a una molécula individual, que emite un fotón a la vez, para que en vez de diseminar la luz, la dirija en una sola dirección.

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