De Feynman a Mendeléiev

El año 2019 será un año especial para mí, puesto que soy químico y me dedico a la nanotecnología. Es un año especial porque supone la efeméride de dos hechos muy importantes en la historia de la ciencia. El primero, y capital, es la celebración del 150 aniversario del descubrimiento de la tabla periódica por parte del científico ruso Mendeléiev. El segundo, más enfocado a la disciplina en la que trabajo, la nanotecnología: se celebra el 60 aniversario de uno de los principales seminarios que marcaron el inicio de la nanotecnología moderna, el seminario “There is plenty of room at the bottom”, impartido el 29 de diciembre de 1959, por el gran físico Richard P. Feynman.

Aprovechando estas dos efemérides, me gustaría hacer una aproximación diferente a la tabla periódica, una aproximación en la cual no será la configuración electrónica la que marcará las pautas, sino que lo serán las aplicaciones y los usos en nanotecnología de los nanomateriales. Os queremos presentar la nanotabla periódica

El inicio: El átomo

Demócrito, en el siglo IV aC expresaba el siguiente:

“Creo que las cosas grandes pueden subdividirse infinitamente hasta conseguir una mesura límite”.

Era uno de los exponentes de una civilización, la griega, que buscó una explicación de todo el que nos rodea, buscando la base de funcionamiento de la natura. Si hay un término paradigmático que nos pueda explicar la base de todo, este término sin duda es el átomo, parte fundamental para entender y estructurar la materia.

El máximo exponente del poder del átomo es la tecnología que trabaja en su escala, la nanotecnología, que es la manipulación de la materia a escala nanomètrica, es decir, a escala de átomos y moléculas. Esta minúscula escala hace que la materia pueda cambiar sus propiedades físicas y químicas y nos lleva a un camino donde la física clásica deja de explicar los fenómenos que suceden y tenemos que utilizar aperos cuánticos para interpretar los fenómenos en la nanoescala. Esto es por el hecho que los niveles energéticos de los átomos se van quantitzant con la disminución de la escala. Este hecho implica que hablar de nanotecnología es hablar de un cambio en la manera de pensar y en la forma científica de ver el mundo. No todo es como parece. La investigación a escala nanomètrica repercute directamente sobre nuestra cotidianidad con adelantos que se harán cada día más relevantes en cualquier sector industrial presente y futuro. Sin ningún tipo de duda, nos encontramos ante una nueva revolución industrial, la revolución nanotecnològica del siglo XXI.

La NanoTabla periódica: Una aproximación diferente

La nanotabla periódica nos mostrará algunos de los elementos atómicos de la tabla periódica y nos enseñará que cuando entramos en las dimensiones nano, entre 1 y 100 nm, las propiedades pueden variar mucho. Según la Comisión Europea, un nanomaterial es un material natural, incidental o manufacturado que contiene partículas, en un estado no unido o como un agregado o un aglomerado, y que tiene al menos un 50% de partículas entre 1 y 100 nm en su distribución de tamaño total. Aunque hace poco se complementó esta descripción.

La nanotabla periódica, la dividiremos en cuatro categorías: alótropos del carbono (fulerenos, nanotubs de carbono, grafeno), metales (oro, plata…), óxidos (de Si, Ti, Fe, Zr, Zn, Ce, Al…) y otros nanomateriales (dendrímeros, nanoarcillas, puntos cuánticos…).

Alótropos del carbono

Hasta hace pocos años, los alótropos de carbono se asociaban a dos materiales que aunque tenían la misma composición química, el carbono, sus propiedades eran radicalmente diferentes: estamos hablando del grafito, material blando y mal conductor presente en las minas de los lápices, y el diamante, el material más duro conocido presente de forma habitual en joyería. El grafito consiste en hojas de hexágonos de átomos de carbono, mientras que en el diamante los átomos de carbono se disponen en pequeñas pirámides. En un diamante, cada átomo de carbono está unido covalentment a cuatro átomos de carbono más en una red tridimensional que la hace muy fuerte. El más sorprendente es que ambos materiales radicalmente diferentes están hechos de átomos de carbono idénticos. Entonces, por qué el grafito es diferente del diamante?

Los átomos dentro de ambos materiales están dispuestos de diferentes maneras, y esto es el que hace que sus propiedades sean completamente diferentes. Los átomos de carbono también son muy versátiles, puesto que pueden formar enlaces covalentes con otros muchos tipos de átomos, lo cual mujer lugar a la formación de otros muchos materiales. Las moléculas que componen materiales que van desde la madera a las células de nuestro cuerpo están compuestas de átomos de carbono unidos covalentment con otros tipos de átomos, dando a estas moléculas diferentes propiedades.

“El carbono tiene este toque genial para hacer una membrana químicamente estable, bidimensional, de un átomo de grosor en un mundo tridimensional. Y esto, creo, será muy importante en el futuro de la química y de la tecnología en general”,

dijo Richard Smalley, premio Nobel y descubridor de los fulerenos.

Desde el nacimiento de la nanotecnología, se han ido añadiendo nuevos materiales a la familia de los alótropos de carbono. En 1985 se descubrieron los fulerenos, jaulas vacías de átomos de carbono con forma de pelota de fútbol de 60 átomos de carbono; el 1991, los nanotubos de carbono, tubos increíblemente finos y vacíos de un nanómetro de diámetro y varias micras de longitud, con una o varias capas de carbono; y el 2004, el grafeno, una lámina bidimensional de un átomo de carbono de grosor. De estos tres alótropos, todos a la escala nanomètrica, hablaremos con más profundidad en futuras entradas de la nanotaula periódica. De todos modos, podéis encontrar más información de sus descubridores a los siguientes tablas: Richard Smalley: El Nobel a quien le gustaban las pelotas de fútbol y Desde ranas que levitan hasta un Scotch Magico: Geim, un científico diferente.

Metals nanométricos (MNP)

Algunas de las nanopartículas más utilizadas, como las de oro o las de plata se pueden considerar “históricas” a causa de su presencia a lo largo de la historia de la nanotecnología. Así, por ejemplo, a la época romana encontramos la icónica copa Licurgus, con presencia de nanopartículas de oro y plata al vidrio, que le confieren un color diferente, en función de como se ilumine;

Más adelante, las vidrieras de algunas iglesias de la edad mediana, con nanopartículas de oro o cobre para conseguir los diferentes colores, o la espada de Damasco del siglo XVII, que presentaba en su estructura nanotubs de carbono, lo cual explicaría la dureza y el corte afilado. A mediados de siglo XIX, uno de los químicos más famosos de la historia, Michael Faraday, descubrió nanopartículas de plata en solución. Y estos solo son algunos ejemplos que se pueden encontrar en la historia de la nanotecnología.

Los metales se ven muy influenciados por la disminución de tamaño, observándose cambios sustanciales cuando llegan a dimensiones nano. Se pueden observar diferencias en el punto de fusión, color, actividad catalítica, conductividad, etc.

Las principales características de los MNP son:

a) Relación superficie-área/volumen, grande en comparación con los equivalentes macro.

b) Grandes energías superficiales.

c) La transición entre estados moleculares y metálicos proporciona una estructura electrónica específica (densidad local de estados).

d) Excitación del plasmón.

e) Confinamiento cuántico.

f) Ordenamiento de corto alcance.

g) Un gran número de lugares de baja coordinación, con un gran número de “enlaces” obteniendo propiedades específicas y químicas, y la capacidad de almacenar electrones en exceso.

Entre las nanopartículas metálicas, podemos destacar especialmente dos, las nanopartículas de oro y las nanopartículas de plata, a causa de sus diferentes aplicaciones comerciales, tanto presentes como futuras, destacando aquellas relacionadas con nanomedicina. De estos dos nanomateriales, también hablaremos con más detalle en futuras entradas de la nanotabla periódica.


En la imagen: Izquierda, diferenciass entre el oro macro y nano;derecha, biotoxicidad de la nanoplata.

Óxidos nanométricos

Los óxidos nanométricos suelen ser óxidos metálicos, como el óxido de titanio o de hierro, que están marcando el camino de diferentes áreas de la ciencia, como la física, la biología, y sobre todo, la ciencia de los materiales. Estos elementos pueden adoptar diferentes configuraciones electrónicas y por tanto, diferentes estados, pudiendo exhibir un carácter metálico, semiconductor o aislante. En aplicaciones tecnológicas, los óxidos se utilizan en la fabricación de circuitos microelectrònics, sensores, dispositivos piezoeléctricos, pilas de combustible, recubrimientos contra la corrosión o como catalizadores.

Como que a medida que la medida del nanomaterial decrece, la energía libre de la superficie y el estrés aumenta, a su vez; esta disminución de medida implica cambios en la estabilidad, modificaciones de parámetros celulares y/o transformaciones estructurales y, en casos extremos, la nanopartícula puede desaparecer a causa de interacciones con su entorno. Para mostrar la estabilidad mecánica o estructural, una nanopartícula tiene que tener una baja energía superficial libre. Como consecuencia de este requisito, las fases que tienen una baja estabilidad pueden llegar a ser muy estables en nanoestructures. Este fenómeno estructural se ha detectado en óxidos de titanio (TiO2), de vanadio (VOx), de aluminio (Al2O3) o de molibdeno (MoOx). Si queréis saber más, de los óxidos nanomètrics, no os perdéis futuras entradas de la nanotabla

Otros nanomateriales

Uno de estos nanomateriales, quizás el material nano más “puro”, son los puntos cuánticos, material de pocos nanómetros de diámetro, donde su materia prácticamente se concentra en un solo punto (en otras palabras, tiene cero dimensiones). Como resultado, las partículas de su interior que transportan electricidad (electrones y agujeros, que son los lugares en que faltan electrones) están atrapadas, “restringidas”, y tienen niveles de energía muy definidos según las leyes de la teoría cuántica, un poco como los átomos individuales. Pueden estar hechos de un semiconductor como el silicio (un material que no es realmente un conductor ni un aislante, pero que puede ser tratado químicamente porque se comporte cómo si lo fuera). Y aunque son cristales, se comportan más como átomos individuales –de aquí el sobrenombre de átomos artificiales.

Los puntos cuánticos tienen solo unos pocos nanómetros (nm) de anchura. Los puntos más grandes producen longitudes de onda más largas, frecuencias más bajas y luz más roja. Los puntos más pequeños producen longitudes de ola más cortas, frecuencias más altas y luz más azul.

Otro de los nanomateriales más usados en diferentes industrias vinculadas a la nanotecnología son las nanoarcillas

nanomateriales naturales que se producen en la fracción arcillosa del suelo, entre los cuales destacan la montmorilonita y la alofana. La montmorilonita es un filosilicato hidratado cristalino. Las montmorilonitas se forman por intercalación de cationes de amonio cuaternario. Se utilizan como modificadores reológicos y aditivos en pinturas, tintes, grasas, cosméticos, como portadores y sistemas de administración para la liberación controlada de fármacos y en las industrias aeroespacial y automotriz.

Finalmente, otro nanocompuesto destacable son los dendrímeros, moléculas simétricas, con una estructura muy definida, homogénea y monodispersa que tiene un núcleo típicamente simétrico, una cáscara interna y una cáscara externa. Existen gran variedad de dendrímeros. Se caracterizan por la combinación de un gran número de grupos funcionales y una estructura molecular compacta, poseyendo excelentes propiedades biológicas tales como polivalencia, autoassemblatge, interacciones electrostáticas, estabilidad química, baja citotoxicidad y solubilidad que los confiere gran potencialidad en la industria biomédica y la química supramolecular para las terapias contra el cáncer y la diagnosis. También para el suministro de fármacos, terapia fotodinámica y terapia de captura de neutrones.

Los nanomateriales están llamados a proporcionar soluciones a algunos de los problemas existentes. Hemos comprobado como la nanotecnología está ayudando a mejorar considerablemente, e incluso revolucionar, muchos sectores tecnológicos e industriales. Las industrias de la energía, tecnologías de la información y sobre todo, de la medicina, están evolucionando e incluso cambiante gracias a la introducción presente y futura de nuevos materiales que operan en la nanoescala, minúsculos materiales con extraordinarias propiedades destinados a marcar el camino de las nuevas aplicaciones industriales.

BIBLIOGRAFIA

Nuevas estructuras materiales, de Jordi Diaz-Marcos.RBA 

La Nanotecnología. El mundo de las máquinas a escala nanométrica“, de Jordi Diaz-Marcos. National Geographic 

Thanks to Anna May