Por Alejandro Zamponi. Fotos: Pablo Carrera Oser / Alejandro Zamponi.

 

La materia de cualquier objeto puede fraccionarse sucesivamente hasta acceder a las moléculas y los átomos por los que está compuesta. Esta transición desde objetos grandes a partículas fue abordada por la ciencia desde sus extremos: los científicos estudiaron primero los objetos macroscó- picos regidos por las leyes de la mecánica y, luego, desarrollaron el paradigma atómico molecular, que tiene alrededor de cien años. Todo ese conocimiento permitió a los ingenieros, por un lado, producir dispositivos cada vez más pequeños; y a los químicos, biólogos y físicos cuánticos, por otro, realizar agrupamientos moleculares y atómicos cada vez más complejos y grandes. Actualmente, ambas líneas tienden a la sinergia en la escala intermedia: la nano, cuya unidad de medida es un millón de veces más pequeña que un milímetro.

Las investigaciones en este campo recibieron un fuerte impulso a nivel global en 2001, cuando el gobierno de los Estados Unidos lanzó la Iniciativa Nacional de Nanotecnología (NNI, por sus siglas en inglés). Desde entonces, destinó cerca de 20 mil millones de dólares a investigación y desarrollo en esa área que lidera –seguido por China– en publicaciones, productos y patentes.

Se trata de un campo de desarrollo horizontal y multipropósito, ya que produce tecnologías que sirven para realizar otras tecnologías. Por ejemplo: las nanoarcillas en sí mismas no son nada, pero en el agua pueden absorber un contaminante del medio; en la tierra pueden liberar un fertilizante de a poco; en un plástico pueden hacerlo más resistente. Usadas en distintos campos pueden servir para sanear el medio ambiente o para producir alimentos, entre otras posibilidades.

 

En esta breve pero impactante trayectoria, la nanotecnología demostró un carácter evolutivo al mejorar productos ya existentes. Y en los campos de la medicina y la microelectrónica promete ser revolucionaria: en curas para el cáncer; en la producción de baterías que se cargan en cinco minutos para autos y dispositivos; y en materiales “mágicos” que reúnen las mejores propiedades: son transparentes y al mismo tiempo más duros y livianos que el acero, más flexibles que el plástico, más conductores que cualquier metal y más económicos que el silicio. En el campo de la biología, es clave para intervenir sobre anticuerpos, proteínas globulares, fibras, ADN y otras biomoléculas que viven dentro de una escala de longitudes en las que fuerzas e interacciones importantes son las del nanomundo y que se presentan siempre dentro de sistemas muy complejos.

Cuestión de escala

La nanotecnología básica consiste en manipular un material para que su tamaño varíe entre 1 y 100 nanómetros, siendo un nanómetro la millonésima parte de un milímetro. Este tamaño es muy pequeño en comparación con la escala de la vida cotidiana, pero es relativamente grande respecto de las longitudes del mundo atómico (un nanómetro equivale al tama- ño de diez átomos de hidrógeno o cuatro de silicio alineados). Así, las propiedades de estos materiales no pueden explicarse ni por fuerzas como la gravedad de la mecánica clásica, ni por los cuantos de energía de la mecánica cuántica, sino por una sutil mezcla de ambos grupos.

La potencia de este campo está vinculada a la posibilidad de crear sistemas que realicen ciertas funciones de manera estable: un nanosistema es, por ejemplo, el formado por una membrana con miles de nanopartículas colocadas estratégicamente en sus poros para que separe el óxido y el nitrógeno presentes en el aire, con un proceso mucho más simple, económico y rápido que otros métodos más tradicionales.

Basta con que una de las dimensiones de un material (largo, ancho y alto) entre en escala nanométrica para que los electrones no puedan moverse libremente a lo largo del material en esa dimensión. Este fenómeno se denomina “confinamiento” y permite caracterizar los nanomateriales como nanopartículas, nanoalambres o nanoláminas. Estos serían los “bloques de construcción” o “nanoladrillos” que abren un horizonte infinito de posibles nanobjetos.

Técnicamente, las propiedades especiales que adquieren los materiales a esta escala tienen que ver con el modo en que se distribuyen y comportan los electrones: sus velocidades y canales de circulación, así como los cambios en sus niveles energéticos. Pero la complejidad de los nanosistemas implica también conocer el tamaño y la forma del nanobjeto por el que circulan los electrones, dónde está ubicado este nanobjeto, cómo puede accederse a él y quiénes son sus vecinos.

En este sentido, el avance de la nanotecnología no fue posible hasta fines del siglo XX, cuando se desarrollaron instrumentos de medición basados en la física moderna, que permiten ver y manipular átomos. En lugar de la luz que utilizan los microscopios tradicionales, estos recurren a haces de electrones acelerados. Otra forma es con microscopía de “efecto túnel” (una característica de la naturaleza cuántica de la materia), una técnica económica y muy desarrollada que permite ver una superficie conductora con una resolución de átomos individuales. El microscopio que hizo posible esto data de 1981 y le valió el premio Nobel de Física a los científicos Gerd Binning y Heirich Rohrer, de IBM Zurich, cinco años después.

 

Un potencial enorme

En la Argentina hay diversos grupos científicos que se dedican a la nanotecnología. La Universidad Nacional de San Martín integra uno de los centros más promisorios junto con sus socios estratégicos del Polo Tecnológico Constituyentes. Este polo está compuesto por la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), el Servicio Geológico Minero Argentino (SEGEMAR), el laboratorio científico de las Fuerzas Armadas (CITEDEF), y el Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) y se ubica en el partido de San Martín, sobre el límite de la Avenida General Paz.

El Campus Miguelete de la UNSAM es el vértice del polo y allí funcionan la Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN) y el MicroLAB, un laboratorio creado con la Comisión Nacional de Asuntos Espaciales (CONAE) para caracterizar a los micro y nano componentes utilizados por los satélites argentinos. Además, la Universidad acaba de sumar a los proyectos que ya están en desarrollo la creación del Instituto de Nanosistemas, conducido por el doctor en Química Galo Soler Illia. El investigador se suma a la UNSAM después de más de 10 años al frente del grupo de Química de Nanomateriales en la CNEA. “El Instituto de Nanosistemas es un espacio para generar sinergia mediante el trabajo interdisciplinario. Estamos abriendo posiciones en áreas que son de futuro y también de presente. Esta universidad y el Polo Tecnológico Constituyentes tienen un potencial enorme. Apuntamos a ser en el mediano plazo un faro que atraiga a los mejores y transforme la vida de la gente”, dice el joven investigador, con más de cien artículos publicados y reconocido con dos premios Bernardo Houssay y un Konex de Platino.

La primera iniciativa del flamante instituto será desarrollar proyectos industriales pequeños en conjunto con otras unidades académicas y la FAN: sensores para detección de pesticidas y dispersiones de nanopartículas funcionales que puedan venderse al sector privado. El equipo de investigadores trabajará en colaboración con laboratorios de la CNEA, la UBA y el INTI, e incorporará profesionales calificados y adquirirá equipos propios.

Los primeros tres científicos que se sumarán al instituto vuelven al país desde los Estados Unidos y Estonia para trabajar en síntesis y aplicaciones de nanopartículas y en temas de nanomedicina. “Van a construir nanopartículas para la industria y nanosistemas modificados por biomoléculas que podrán usarse en la terapia de diversas enfermedades de perfil alto. No digo que vayamos a curar el cáncer, pero apuntamos en esa dirección, asociados con laboratorios que tienen prestigio en la materia. De todas formas, en ciencia uno apunta hacia un lugar y va generando una estela de conocimiento que puede conducir a otro lugar igual de interesante o más”, adelanta Soler Illia.

“El Polo Tecnológico tiene dos instalaciones, una en la CNEA y otra en el INTI, de excelente calidad para producir materiales a través de vías top-down o de arriba hacia abajo, que son técnicas asociadas a la industria electrónica. Nosotros queremos hacer en la UNSAM un polo de excelencia en la elaboración de nanomateriales estructurados mediante procedimientos químicos. Las aplicaciones serían inmediatas: podríamos producir nanopartículas de metal para detectar pesticidas o agentes contaminantes con un método sencillo, barato y de campo”, sostiene.

Soler Illia asegura que la ventaja de hacer ciencia desde la UNSAM es que los resultados de los desarrollos “se ven” más que si se produjeran en el primer mundo. “Ya lo hemos hecho. Se puede desarrollar alta tecnología con ideas simples y poderosas. En un proyecto en colaboración con el doctor Calvo, del Instituto de Química Física de los Materiales, Medio Ambiente y Energía (INQUIMAE) que depende de la UBA y del CONICET, hemos contribuido a incorporar nanotecnología a algo tan simple como un neumático o un marco de ventana para que mejoren su performance y tengan nuevas propiedades mecánicas, ópticas o bactericidas. Y es sólo un ejemplo. Muchas veces las grandes innovaciones comienzan con proyectos de PyME, que son emprendedoras”, dice.

 

Desarrollos made in UNSAM: salud, medioambiente y óptica

La Universidad ya tiene avances para mostrar en el campo de la nanotecnología. Uno de ellos, que promete un fuerte impacto en la salud pública, es el NanoPoc, un dispositivo portátil que permite diagnosticar en 15 minutos y con una gota de sangre la presencia de enfermedades infecciosas en animales y humanos. Esta plataforma obtuvo el premio Innovar de Oro 2014, el máximo galardón otorgado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Nación (MinCyT).

El dispositivo, que es muy simple de usar y actualmente está en una etapa pre-comercial, es un kit de diagnóstico que sirve para detectar en el lugar y de manera casi instantánea enfermedades infecciones en humanos y animales, como el mal de Chagas y la brucelosis. Pero el objetivo es ampliar sus capacidades para detectar otras. “Además de un único producto comercializable (el NanoPoc), generamos una plataforma de la cual obtendremos muy buenos resultados. Por ejemplo, el desarrollo de científicos capacitados para articular lenguajes y temáticas muy diversas y complejas. La maquinaria y la tecnología que se incorporó quedan funcionando en las instituciones. Gracias a este proyecto hoy en el Instituto de Investigaciones Biotecnológicas (IIB) tenemos tecnología de punta en microscopía y fermentaciones. Los logros van más allá del potencial beneficio en salud pública, la industria o el comercio. Tenemos un spin off con desarrollos relacionados, por ejemplo, con el uso de microproteínas recombinantes, que representan una novedad absoluta en diagnóstico y están siendo patentados a nivel mundial. Y otras aplicaciones que ya estamos explorando con el sector privado”, explica el doctor Diego Comerci, director del proyecto por parte de la UNSAM.

La iniciativa de I+D está a cargo de un consorcio público-privado formado por el IIB-INTECH de la UNSAM, los centros de Micro y Nano Electrónica del Bicentenario y el Centro de Procesos Superficiales –ambos del INTI– y las PyME Agropharma, Bichemiq y AADEE. Este proyecto está financiado por el Fondo Argentino Sectorial (FONARSEC) de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnología (ANPCYT). Otro proyecto de la UNSAM es llevado adelante por los doctores Gustavo Curutchet y Roberto Candal, investigadores y docentes de la Escuela de Ciencia y Tecnología (ECyT) y del Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental (3iA), quienes desarrollan sistemas para el tratamiento de aguas contaminadas con arcillas modificadas a escala nanométrica. La propuesta se realiza en el marco del FONARSEC FS-Nano con la doctora Rosa Torres Sánchez del CETMIC-CONICET de La Plata y dos empresas nacionales (Alloys y Castiglioni Hermanos) que integran el consorcio ARPAT (Arcillas Patagónicas).

Además de ofrecer una alternativa viable para el tratamiento de efluentes a medianas y pequeñas industrias, se busca recuperar y sanear cursos de agua con arcillas que adsorben los contaminantes. El proceso consta de varias etapas: en el caso más simple se emplean las nano o bioarcillas para captarlos y retirarlos del agua. En una segunda instancia se eliminan los contaminantes de las arcillas por oxidación avanzada y, si corresponde, un tratamiento biológico adecuado, sin generar nuevos residuos que deriven en sustancias peligrosas. La ventaja de estos materiales es su enorme versatilidad, basada en sus características mejoradas en cuanto a selectividad, reversibilidad y potencial de separación y posterior tratamiento. Las nano y bioarcillas además pueden emplearse para la remediación de efluentes con metales pesados y radionúclidos. Para cumplir con las diferentes etapas, el 3iA instaló una planta piloto de preparación de nano o bioarcilla, adsorción, separación del adsorbente y oxidación avanzada empleando luz solar como fuente de energía.

Sobre temas de medio ambiente, y su gran impacto social, la UNSAM trabaja en otra iniciativa que aporta una mirada integral sobre el problema de la calidad de las aguas en zonas rurales periféricas. Se realiza en el marco del programa “Diálogo entre las Ciencias” y la lleva adelante un equipo dirigido por el doctor Sebastián Pereyra, del Instituto de Altos Estudios Sociales (IDAES), en conjunto con un grupo de la CNEA a cargo de la doctora Marta Litter –quien también se desempe- ña como investigadora y docente del 3iA–. Especializado en el tratamiento de aguas y suelos contaminados con arsénico, este grupo recibió la aprobación de un proyecto FONARSEC para tecnologías de remediación que utilicen hierro modificado a escala nanométrica. El proyecto interdisciplinario contempla el trabajo de campo en áreas rurales de la provincia de Santiago del Estero. En una primera etapa, los investigadores tomaron muestras de agua y realizaron observaciones y entrevistas breves en hogares sobre las condiciones de acceso al agua y los modos de uso, así como datos socioeconómicos. El análisis de la información recolectada se integrará con el de las muestras de agua, en las que ya se ensayó con éxito la remoción del arsénico con materiales nanométricos de hierro. En la próxima etapa se diseñarán dispositivos para el uso de la población.

En tanto, un grupo de investigadores de la Argentina y España, en el que participa el doctor Federico Golmar, coordinador del Grupo de Micro y Nano Sistemas en el Centro de Micro y Nanoelectrónica del INTI y profesor de la ECyT, desarrolló el prisma óptico más delgado reportado a la fecha y demostró que la luz guiada en el grafeno, extremadamente confinada al mismo, puede ser dirigida y curvada, siguiendo los principios fundamentales de la óptica convencional. El estudio fue publicado en la prestigiosa revista internacional Science. Se trata de un dispositivo basado en nanoantenas ópticas que permiten emitir y controlar la luz propagada a lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor, llamada “plasmón de grafeno”. El grafeno es un material bidimensional con características únicas: es sumamente flexible, resistente a la tracción y un excelente conductor, por lo que muchos especialistas especulan que el futuro de la electrónica y las comunicaciones va a pasar por las innovaciones en este material.

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