Nanociencia: la alquimia de los materiales

Un equipo de investigadores del Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas de la Universidad Nacional de La Plata realizó importantes aportes en el estudio de nanomateriales para las áreas de energía y de salud. El trabajo a escala nanométrica permite potenciar las propiedades y mejorar la eficiencia de los materiales.

Equipo de dispersión de rayos X del INIFTA.

La alquimia fue más que el deseo de encontrar la piedra filosofal o transformar el plomo en oro; fue una práctica precursora de las ciencias y combinaba elementos de distintas disciplinas. De hecho, muchos de los procesos sirvieron como base para las actuales industrias químicas y metalúrgicas.

Con el paso del tiempo, si bien no fue posible hallar la piedra del elíxir de la vida ni obtener oro a partir de otro elemento químico, la nanociencia permite algo impensado años atrás, a escala nanométrica se cambian las propiedades fundamentales de la materia. Conocer el proceso a través del cual se suceden estas modificaciones permite construir objetos pequeños “casi” como uno quiera. “Es como una especie de alquimia; uno puede tomar los átomos y mezclarlos para obtener los materiales con las propiedades que se deseen. Esto es lo fantástico”, afirmó el especialista en caracterización de nanomateriales, Félix Requejo.

Doctorado en Física, hace más de 15 años que Requejo trabaja en nanociencia; durante su post doctorado en la División de Ciencia de Materiales del Lawrence Berkeley National Laboratory en California, descubrió que los elementos con los que trabajaba pertenecían al mundo nanométrico y que explorar esa característica podría abrir muchas oportunidades. Actualmente se desempeña en el Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA) de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP-CONICET), en donde está a cargo de un grupo de investigación interdisciplinar conformado por físicos, químicos y biotecnólogos. Este equipo estudia materiales nanoestructurados a través de la caracterización exhaustiva e incursiona en la síntesis, preparación y evaluación de materiales, fundamentalmente para las áreas de salud y de energía.

El equipo que dirige Requejo recibió aportes del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, a través del Fondo Argentino Sectorial (FONARSEC) de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, merced a lo cual en el INIFTA se construyeron más laboratorios, se adquirió nuevo equipamiento y se proveyeron de insumos, lo que  permitió contratar más personal y absorber más proyectos. El INIFTA, mediante la adhesión al Programa deSistemas Nacionales “tuvo una mejora muy importante que le permitió mantener lo ya obtenido, a la vez que poder hacer frente a la exigencia de poner el equipamiento para las necesidades de otros grupos de investigación”, señaló Requejo.

Estudiar la materia a escala nanométrica

Vivimos en la escala del metro; el conocimiento sobre la naturaleza, las leyes de la física, las cosas que pasan en la vida cotidiana se miden en metros, “somos sujetos de la naturaleza que vivimos en la dimensión del metro condicionados por leyes de la física relevantes a esa escala, pero existen otras leyes de la misma física a escala mucho más pequeña que predicen otros comportamientos de la naturaleza. No es que la naturaleza sea otra sino que, a distinta escala se comporta de diferente manera”, explicó el investigador.

“El concepto de nanotecnología es cada vez más transversal. Hoy es prácticamente imposible hablar de tecnología sin nanotecnologías”, afirmó Félix, a la vez que explicó que el conocimiento sobre las nuevas aplicaciones de la nanotecnología se encuentra en la frontera, ya que “el mundo nanométrico abre un gran abanico de posibilidades: desde la mejora en la calidad de vida, la economía, tanto como para la generación de empleo, la obtención de productos con mayor valor agregado y más competitivos y, por supuesto, para colocar la realidad al límite del conocimiento”.  Como se trata de un ‘mundo’ que puede manipularse cada vez más, no sólo es posible generar nuevos productos sino, descubrir nuevas propiedades para las aplicaciones, “es como haber descubierto un tesoro escondido”, enfatizó Requejo.

En esta misión se encuentra junto a su grupo de Estudios de Superficies y Nanomateriales basados en el empleo de Técnicas de luz de Sincrotrón (SUNSET): analizan la interacción de la radiación X con la materia para caracterizar materiales: “La importancia de la caracterización reside, justamente en sentar las bases para posteriormente poder hacer un diseño racional de los materiales. Uno puede saber qué le pasa, por qué funciona así, qué características tiene que lo hacen ser como es; esto permite saber a dónde ir para mejorar las propiedades de los materiales”.

Los rayos X son fotones con cierta energía que, por sus características, al interactuar con la materia desencadenan determinados procesos físicos: “hacemos interactuar esos fotones con el material que queremos estudiar y analizamos lo que ocurre producto de esa interacción”, expresó el especialista.

Un equipo único en el hemisferio Sur

El laboratorio que dirige Requejo tiene la gran ventaja de contar con equipamiento propio, y que no existe en ningún otro país de este lado del mundo; además, tiene acceso al moderno equipamiento disponible en el INIFTA. En efecto, el grupo SUNSET dispone de un espectrómetro de absorción de rayos X y puede hacer uso de un equipo de dispersión de rayos X del INIFTA, dos instrumentales que se fundan en procesos físicos distintos pero que tienen que ver con la interacción entre la radiación y la materia. “Contando con estos dos equipos podemos analizar distintos aspectos de la materia nanoestructurada: la forma, el tamaño, las respectivas distribuciones, el estado estructural y electrónico de los elementos químicos que están presentes, etc. Son aspectos básicos a partir de los cuales se construye y se pueden explicar las propiedades del material. Y no sólo eso: sabiendo cómo funciona uno lo puede optimizar”, explicó.

Hasta hace unos años, sólo se podían estudiar estos procesos en un laboratorio de sincrotrón (un tipo de acelerador de partículas) que no existe en el país; no había laboratorios en los que se pudieran estudiar los materiales con estas técnicas. Para utilizar el sincrotrón era necesario competir con numerosos grupos internacionales y luego viajar, lo cual implicaba altos costos y una apuesta incierta. “Gracias al desarrollo e inversión sostenida desde el Ministerio de Ciencia ahora podemos contar con este equipo ‘in house’, que da más libertad, ayuda a proyectar y programar el trabajo de investigación”, observó Requejo, que agregó que, ademásbrinda la posibilidad de capacitar a los integrantes del grupo antes de viajar y dotarlos de experiencia previa. Así es posible ganar tiempo y formar recursos humanos para las investigaciones futuras.

Nanomateriales para la producción energética

Como los niños, las investigaciones son motivadas por el “¿por qué?”, y así lo explicó Requejo: “todos los desafíos tecnológicos son abordables desde la perspectiva nanométrica: quiero estudiar qué pasa y modificar las cosas en su naturaleza más profunda para que, por ejemplo, determinado material no se rompa más”. En tal sentido se da el caso del desarrollo que llevan adelante junto con Y-TEC para la extracción de petróleo y de gas, mediante la mejora de la superficie de los pistones utilizados para extraer hidrocarburos de grandes profundidades: “el desgaste se produce en la superficie del material; los pistones se fatigan, la superficie se corroe porque tienen que trabajar más horas y a mayor presión”, comentó el investigador. El proyecto consiste en mejorar las propiedades del material para hacerlo más resistente a estas condiciones y, así evitar detener la producción para reemplazar las piezas gastadas y disminuir las pérdidas.

Al mismo tiempo, el equipo lleva adelante otra línea de investigación para aprovechamiento de energía solar. En este caso, el desafío es colectar de manera eficiente los electrones producidos por materiales al absorber los fotones provenientes del sol. En palabras del especialista: “Transformar en energía esa radiación ultravioleta y visible, que llega del sol y acumularla”. Actualmente, trabajan en colaboración con grupos de investigación (dirigidos por el Dr. en Cs. Químicas Arturo López Quintela) y empresas de nanotecnología de Santiago de Compostela (España), con aglomerados de átomos de cobre, un material que resultó ser muy estable –es decir, que no pierde las propiedades ópticas y electrónicas en condiciones normales de temperatura y presión– y que tiene la propiedad de “recibir” un fotón y “transformarlo” en un electrón. Estos “clusters” de cobre se podrían colocar sobre una superficie conductora de grafeno (que también se sintetiza en el laboratorio del INIFTA) para hacer aún más eficiente el proceso: “Son tan chiquititos que podés tener muchos y, por ende generar muchos electrones; es decir, tener muy buena corriente a partir de la luz del sol”, comentó Requejo. Estos ensayos de medidas de fotocorrientes se están llevando a cabo en colaboración con grupos de investigación en Hamburgo, Alemania.

Nanomateriales para la salud

Han comenzado a incursionar en esta área buscando la optimización del funcionamiento de biosensores:“Estamos utilizando materiales basados en grafeno que preparamos en nuestro laboratorio para hacer biosensado. Sensores de glucosa, por ejemplo, que permitirían determinar, a partir de una muestra muy pequeña, el nivel de glucemia en sangre”, comentó el investigador. En este caso los “nano-biosensores” contendrían óxido de grafeno reducido, un material que resultó ser muy apropiado para la inmovilización de las enzimas: “La idea es aprovechar las características de este material; lo principal es tener sistemas que sean muy sensibles y que cambien las propiedades a partir de cantidades minúsculas de lo que se quiere detectar. Esto permite tener mucha sensibilidad en la detección, trabajar con menos volumen y muestras más pequeñas”, agregó Requejo. La idea es que al colocar una gotita de sangre en el sensor, el grafeno pueda “conectar” la enzima –sensible a la glucosa– con un “cable” y haga circular una corriente que dispare una “alarma” indicando el nivel de glucosa en sangre. Por ahora se ha probado que este material es más sensible que otros para este tipo de aplicaciones. “El principio que subyace es siempre el mismo, después se puede cambiar la enzima y variar la funcionalidad del sensor, desarrollar otros proyectos con la misma idea-concepto que queremos demostrar”, afirmó.

El descubrimiento de las leyes del universo a principios del siglo XX cambió para siempre el ritmo de vida de la sociedad moderna. ¿Sucederá lo mismo con las leyes físicas que rigen el nanomundo?