Autores/as: Andrea Revilla-Cuesta, Irene Abajo-Cuadrado, Tomás Torroba del grupo Nuevos materiales heterocíclicos y química supramolecular de la Universidad de Burgos.
¿Alguna vez has oído eso de que lo esencial es invisible para los ojos? Seguro que no es la primera vez que lo escuchas. Es más, te voy a decir una cosa querido lector, hay muchas más cosas que son invisibles a los ojos y, a pesar de ello, formidables, como por ejemplo la nanotecnología.
Este término hace referencia a la capacidad de comprender, controlar y manipular la materia en la escala nanométrica, que es aquella que engloba todos aquellos materiales y estructuras cuyo tamaño se encuentra entre 1 y 100 nm. Para intentar comprender un poco mejor los tamaños a los que hace referencia, una nanoestructura es la que se encuentra en una escala intermedia entre las moléculas más grandes, como puede ser por ejemplo las cadenas de ADN que se encuentran en el interior de las células, y los objetos más pequeños que han sido fabricados por el hombre, como un taladro inalámbrico de 17 mm fabricado en 2015 o una batería de 0,5 micras desarrollada en Houston en 2011.
La escala nanoscópica
Normalmente, la escala nanoscópica se considera como el punto de inflexión a partir del cual se producen cambios en las propiedades del material estudiado. Por encima de este punto, las propiedades de los materiales son originadas por efectos de la masa o del volumen, es decir, por la disposición que los átomos constituyentes ocupan en el espacio o los enlaces que establecen entre ellos. Sin embargo, por debajo de este punto, las propiedades de los materiales cambian radicalmente. A pesar de que la orientación espacial y los enlaces formados por los átomos continúan siendo importantes, los efectos cuánticos se vuelven de vital importancia. Dichos efectos son originados por la geometría del material, es decir, lo gruesos, lo amplios, etc. que son y que, en dimensiones tan pequeñas, adquieren una importancia crucial.
El oro nos proporciona un claro ejemplo de esto: en el mundo macroscópico, como todo el mundo sabe, generalmente es de color dorado, mientras que, en el plano nanoscópico, da lugar a nanopartículas de color rojo y azul a medida que aumenta el tamaño de dichas nanopartículas (Figura 1).
Medir lo invisible
La existencia de estos materiales nanométricos ha sido la causa del desarrollo de nuevas metodologías y sofisticados equipos de microscopía para permitir tanto el estudio de sus propiedades como el florecimiento de diversas aplicaciones. Algunas de estas técnicas, desconocidas para la mayor parte de los mortales, son, entre muchas otras, la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía de fuerza atómica (AFM), siendo en está en la que nos centraremos a continuación; o la microscopía de efecto túnel (STM).
Este es el momento en el que tengo que hacer una breve advertencia: estimado lector. Para comprender este tipo de microscopía vas a tener que abandonar las ideas previas que tengas sobre microscopios, probablemente basadas en la microscopía óptica. Esta técnica está a un mundo de distancia.
El microscopio de fuerza atómica es un instrumento mecano-óptico que dispone de un cantiléver flexible en cuyo extremo se encuentra una sonda, a la que denominaremos tip (Figura 2), gracias a la cual es posible obtener imágenes de la superficie de la muestra estudiada. Dicho de otra manera, se trata de una punta que realiza un barrido de la superficie, permitiéndonos “ver” cómo es.
Leer las partículas, obtener las muestras
Para tratar de entenderlo mejor vamos a imaginar una mesa llena de cosas: un teléfono, un ordenador, una botella de agua… Y entonces supongamos que la superficie de esa mesa es barrida, siguiendo líneas rectas de extremo a extremo, por una sonda con un tip, similar a un bolígrafo. A medida que el tip va recorriendo la superficie de la mesa y los distintos objetos depositados en ella, se obtiene una imagen de esta en ordenador, que es equivalente a ver la mesa cubierta por una sábana: no se aprecian colores ni transparencias, pero sí las teclas del ordenador, la rugosidad de la mesa o el pequeño escalón de los distintos folios extendidos por ella.
Desde otra perspectiva, las imágenes que proporciona esta técnica de microscopia son análogas a lo que se obtendría si se cubriese una ciudad con una delgada lámina de plastilina: se distinguirían perfectamente los edificios y sus detalles arquitectónicos, pero todo sería del color del que hubiésemos elegido la plastilina.
Nuevamente, es necesario hacer un pequeño inciso, apreciado lector. En cualquier laboratorio, antes de analizar las nanopartículas al microscopio es necesario obtenerlas, pudiéndose emplear para ello una gran variedad de métodos. Para explicar esto me voy a ver obligada a mencionar el nombre de algún compuesto químico, pero puedes respirar aliviado, van a ser muchísimo más sencillos de lo que esperas en este momento.
Así pues, las nanopartículas se obtuvieron disolviendo los compuestos AR48, AR49 y AR56 (seguro que te he sorprendido) en tetrahidrofurano y se fueron añadiendo cantidades crecientes de agua (Figura 3). Esa palabra, tetrahidrofurano, te puede resultar extraña e incluso es muy probable que sea la primera vez que la lees. Se trata de un disolvente incoloro empleado para dar lugar a productos que, muy probablemente, habrán pasado por tus manos, como por ejemplo los barnices para madera, el Spandex, que estoy segura de que se encuentra en tu armario, pero que conoces bajo el nombre de licra; o en la fabricación de envases empleados en la industria alimentaria.
Pero, ¿Cómo funciona?
Sé que en este momento estas pensando: son disoluciones muy bonitas, pero… ¿Cómo es posible saber si hay o no nanopartículas? Muy sencillo. Observa atentamente las disoluciones fluorescentes. Obviando la referencia, a bajas cantidades de agua (hasta el 30% en el caso del compuesto AR48 y hasta el 50% para los compuestos AR49 y AR56) los colores están más apagados, brillan mucho menos. En cambio, por encima de esos porcentajes los colores se vuelven mucho más intensos y brillantes. Esta secuencia de apagado a bajos porcentajes y encendido a altas cantidades de agua es una señal inequívoca de la presencia de nanopartículas, siendo un fenómeno conocido con el nombre de emisión inducida por la agregación.
El siguiente paso en cualquier laboratorio es analizar los resultados obtenidos en esta prueba, lo que significa que es el momento de estudiar las nanopartículas en el famoso microscopio de fuerza atómica. Para hacerlo posible, se deposita una gota de la disolución que se quiera estudiar en una placa (o lo que es lo mismo, una lámina de vidrio) y se deja evaporar el disolvente. Seguidamente, se lleva al microscopio y se obtienen imágenes como las de la Figura 4 que se encuentra a continuación.
En un 5% de agua, el tamaño de las nanopartículas del compuesto AR48 oscila entre 21 y 33 nm. Se encuentran agrupadas por parejas (Figura 4a) y, a su vez, algunas de estas aparecen formando colas de cuatro nanopartículas (Figura 4b). Sin embargo, estas colas desaparecen a un 10% de agua y solamente las encontramos en grupos de dos (Figura 4d). A este porcentaje, el tamaño de las nanopartículas también se incrementa ligeramente, pasando a medir entre 39 y 45 nm. A un 20% de agua, aparte de observar nanopartículas ligeramente mayores (entre 50 y 60 nm aproximadamente), se detecta también la presencia de nanofibras de un grosor en torno a unos 11 nm (Figura 5).
Todo esto permite afirmar que, a medida que se incrementa la cantidad de agua añadida a las disoluciones, el tamaño de las nanopartículas obtenidas es también mayor. Sin embargo, las nanofibras solamente se obtienen en unas condiciones experimentales determinadas. Esta misma tendencia, se observa también para los compuestos AR49 y AR56.
Y si has conseguido seguir y comprender todo esto sin perderte, valorado lector, imagino que tendrás mil y una preguntas, especialmente acerca de sus aplicaciones, dando vueltas en tu cabeza. Y la única respuesta que puedo ofrecerte es que es necesario continuar investigando y aplicando el conocido método científico para tratar de resolverlas.
BIBLIOGRAFÍA:
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