¿Cómo ver y trabajar en el nanomundo?

¿Con qué herramientas se trabaja a nanoescala?

En una entrada anterior, mencionamos que la nanotecnología implica trabajar con átomos y moléculas, pero ¿con qué herramientas se hace esto?, ¿cómo podemos observar lo que estamos haciendo a escalas tan diminutas?

En 1931, el autor ruso Boris Zhitkov escribió una breve historia llamada Micromanos. En ella, relataba cómo se construía un par de diminutas manos que podían manipularse de forma remota para realizar tareas muy precisas, como una cirugía. Luego, el protagonista decide usar las micromanos para construir unas aún más pequeñas que le permitieran tener un alcance más preciso. La idea de Zhitkov sería fantástica si pudiéramos ejecutarla para producir los materiales que necesitamos de forma casi directa. Sin embargo, en su historia, Zhitkov se da cuenta de que la tarea es imposible porque los materiales se comportan de manera diferente a escala microscópica (y más aún a escala nanométrica). Simplemente, no sería viable.

En la realidad, para trabajar a esta escala, dependemos de las herramientas de la física, la química, la biología, la ingeniería y la ciencia de materiales.

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Enfoques de Fabricación: Bottom-up y Top-down

Dependiendo del tipo de material, la estructura y los tamaños deseados, se eligen los métodos más apropiados para producirlos. En general, hay dos enfoques:

1. Bottom-up: Tomar moléculas o átomos y ensamblarlos para generar algo más complejo.
2. Top-down: Partir de un material más grande y transformarlo en un nanomaterial.

Dentro de estas técnicas, podemos clasificar los métodos en tres categorías principales:

Métodos Físicos

Estos procesos no implican reacciones químicas ni alteran la composición del material. En cambio, se exponen los reactivos a un proceso físico para cambiar su tamaño o conformación.

• Ejemplos: Exfoliación, deposición física de vapor, ablación láser, implantación de iones, litografía e incluso molinos especializados.
• Ventajas: No modifican químicamente el material, ofrecen un control muy preciso del tamaño y distribución, y son más fáciles de escalar.

Métodos Químicos

Estos métodos implican la utilización de reactivos que reaccionan para formar un nuevo material en el tamaño deseado. Esto se puede controlar aprovechando diferencias en la polaridad de solventes, utilizando detergentes, modificando el pH, o controlando las tasas de difusión y reacción.

• Desventajas: Suelen presentar menor homogeneidad en las partículas sintetizadas. Además, escalar la producción a nivel industrial es un desafío.
• Ventajas: Suelen ser más económicos que los métodos físicos.

Métodos Biológicos

La naturaleza produce nanoestructuras de forma natural; un ejemplo claro es el ADN, que tiene un ancho de apenas 2 nm. Gracias a la biotecnología, es posible utilizar bacterias, hongos y levaduras para producir nanopartículas de interés (orgánicas e inorgánicas) con un control muy preciso del tamaño final.

• Ventajas: Es un proceso muy amigable con el medio ambiente.

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Observando el Nanomundo

Una vez que las nanopartículas se han sintetizado, nos enfrentamos a otro desafío: ¿cómo podemos verlas?

Los microscopios ópticos tradicionales utilizan ondas de luz para permitirnos ver objetos. Estas ondas tienen longitudes de entre 380 a 790 nm (el espectro visible). Esta limitación implica que no podemos usarlos para magnificar estructuras que son mucho más pequeñas que esta longitud de onda, como las nanopartículas.

Espectro electromagnético. La luz visible tiene longitudes de onda de más de 300 nm.

Afortunadamente, existen otras herramientas:

• Microscopios Electrónicos: Ya sea de transmisión o de barrido, estos microscopios utilizan un haz de electrones acelerados que impactan la muestra. Al analizar cómo los electrones rebotan o atraviesan la muestra, podemos reconstruir una imagen de su estructura. Son dos de las herramientas más poderosas para observar el nanomundo.

• Microscopios de Sonda de Barrido: Además de “ver”, podemos “tocar” las nanoestructuras. Para ello, se utiliza una punta sumamente fina (de unos pocos átomos de grosor) y se mide la fuerza con la que es atraída o repelida por la superficie. Esto permite reconstruir la topografía de la muestra.

• Microscopio de Efecto Túnel: Si en lugar de medir la fuerza, se mide un efecto físico llamado “efecto túnel” (donde los electrones migran de un material a otro a través del vacío), obtenemos un microscopio de efecto túnel. Esta herramienta es tan poderosa que incluso nos permite mover átomos uno por uno y colocarlos en posiciones específicas.

Como podemos observar, la síntesis de nanomateriales presenta retos, pero también contamos con un amplio arsenal de herramientas tanto para producirlos como para detectarlos y estudiarlos.