Lo difícil de la nanociencia

Imagen a escala aproximada de objetos nanoscópicos.

La escala “nano”

Desde hace bastante tiempo la ciencia conoce el hecho de que las propiedades de los materiales dependen no solo de su composición, sino de su escala (o sea, de su tamaño). De la misma manera que el oro tiene diferentes propiedades que el plomo (densidad, color, dureza, etc), el oro presente en un lingote se comporta diferente que el oro que conforma por ejemplo, una partícula de 100 nanómetros, más o menos el tamaño del virus de la gripe. El nanómetro (símbolo nm) es la millonésima parte de un milímetro (0,000001 mm). Los glóbulos rojos, las células más pequeñas del cuerpo, tienen unos 5 mil nanómetros (0,005 mm) y un grano de polen mide unos 200 mil nanómetros (0,2 mm). Los objetos nanométricos viven en una escala apenas superior al tamaño atómico (0,1 nm), por lo que presentan propiedades intermedias entre lo “macro” en donde valen las leyes de la física clásica (las que Newton nos dejó) y el mundo cuántico en donde las cosas se vuelven muy raras.

Propiedades de tamaño

Volviendo al ejemplo del oro, cuando nos manejamos en una escala macro, con tamaños que podemos ver con luz visible, si sacamos una pequeña porción de un lingote, digamos como para una moneda, ese trocito de oro tendrá el mismo color, la misma densidad, la misma dureza y la misma conductividad eléctrica que el lingote original. Pero si seguimos separando el material en trocitos cada vez más pequeños, cuando me acerque a la escala “nano” las cosas empezaran a cambiar. Así, algo tan distintivo como el color de las partículas (que está dado por las frecuencias de luz que reflejan y absorben), depende fuertemente de su tamaño.

Suspensiones de nanopartículas de oro de diferente tamaño se observan de diferente color

No inventamos nada

Las estructuras nanoscópicas existen en la naturaleza, por ejemplo el color de ciertas mariposas, aves y camaleones se genera en nanoestructuras presentes en sus tejidos, pero hasta bien entrado el sXX los seres humanos no tuvimos la capacidad técnica de fabricar, estudiar y manipular objetos tan pequeños. Esto se debía a dos factores principales muy relacionados:

Chiquitos e iguales

Cuando se está buscando aprovechar propiedades debidas al tamaño, diferentes tamaños generan diferentes propiedades. De esta manera, en muchas aplicaciones tecnológicas no alcanza con tener un montón de partículas “nano” para que todas se comporten de la misma forma, sus tamaños deben ser casi iguales. Algo se considera nano cuando tiene entre 1 nm y 1000 nm. Esos 1000 nm conforman 1 micrón o micrómetro (1000 nm=1 μm), los objetos mayores a 1000 nm se llaman “microscópicos” y pueden verse con luz visible (en un microscopio convencional). Así, se puede tener un frasco lleno de nanopartículas pero en donde algunas tengan 1 nm, otras 20 nm y otras 800 nm. Como dijimos antes, estas partículas tendrán diferentes propiedades por lo que el conjunto completo (la muestra) no tendrá propiedades bien definidas. Esto es aún más importante a la hora de estudiarlas. Si una muestra de NP contiene una gran variedad de tamaños, se vuelve difícil relacionar su comportamiento con sus características. Utilizando el ejemplo del color ilustrado en la imagen, una muestra con muchos tamaños de partículas exhibirá un color mezcla que no corresponde a ninguno de los tamaños en particular.

Saber qué hay y poder manipularlo

No sólo es difícil fabricar NP de un cierto tamaño, principalmente es difícil saber qué tamaño tienen una vez fabricadas. Como se mencionó antes, los objetos nanoscópicos no reflejan la luz visible (sólo la absorben) por lo que no pueden ser observados directamente ni siquiera con un microscopio convencional. Así, gran parte del tiempo de la nanociencia se invierte en determinar cómo son las NP con las que se trabaja. Esto incluye tamaño (en realidad “tamaños”), composición, forma y también cómo se encuentran entre sí ya que, al estar hechas del mismo material, típicamente tienden a pegotearse entre ellas. Debido a esto, típicamente las NP se conservan suspendidas en un líquido (acuoso u orgánico) para mantenerlas separadas.

Ver para creer

A la hora de estudiar las NP, como ya dijimos, las reglas y las lupas no nos sirven, así que hay que ponerse creativos. Existen muchas técnicas experimentales para obtener información sobre los sistemas nanoscópicos. Ninguna nos da toda la información y todas nos dan información distinta por lo que, para conocer bien nuestras partículas es necesario usar todas las técnicas disponibles y luego combinar los resultados. Piensen en una caja cerrada con un objeto dentro que no podemos manipular ni ver. Tenemos que deducir qué es lo que hay en la caja combinando varias técnicas indirectas como sacudirla, sopesarla, hacerla girar, etc.. Lo más parecido a “ver” nanopartículas se logra con un microscopio de electrones. Un microscopio de electrones por transmisión (TEM por sus siglas en inglés) genera un chorro de electrones de alta energía (van muy rápido) que impacta sobre el objeto que queremos estudiar. Observando la “sombra” que genera el objeto en una pantalla podemos conocer su forma, tamaño y estructura.

Esquema básico de un microscopio de electrones por transmisión (TEM)

El TEM permite ver objetos nanoscópicos porque los electrones acelerados tienen una energía mayor a la de la luz visible. Esto permite obtener “fotos” bidimensionales de la sombra de las muestras siempre y cuando estas sean muy delgadas, de manera que algunos electrones puedan atravesarla. El TEM es un instrumento indispensable en nanociencia que a simple vista parece solucionar el problema de “ver” las partículas, pero tiene sus limitaciones. Primero está la limitación estadística, como se ve en las imágenes, una foto TEM suele incluir a lo sumo cientos de partículas. Esto parece mucho, pero si consideramos que en una sola gota de agua pueden haber suspendidas 1 billón (1.000.000.000.000) de partículas, entendemos que estamos lejos de apreciar una porción considerable de la muestra. Debido a esto se corre el peligro de que lo que estemos mirando no represente bien al conjunto.

Ejemplo de nanopartículas observadas por TEM. (a)NP de oro. (b) NP de oro recubiertas con plata. (c) NP de oro recubiertas con plata y sílica. (d) NP de aleación oro-plata.

La otra limitación del TEM es que trabaja en alto vacío. Para que el chorro de electrones viaje por la columna sin obstáculos, es necesario sacar todo el aire de la misma. Así, debido a la baja presión, la gota de líquido con NP que se coloca en el portaobjetos se evapora completamente al ingresar al microscopio. Las partículas no se evaporan, pero ante la falta de líquido, su estado al observarlas puede no ser el mismo en el que se encuentran normalmente. En resumen, si bien el TEM es lo más parecido a “ver” objetos nanoscópicos, tiene sus problemas. Para compensar las limitaciones del TEM existe toda una batería de técnicas complementarias, la mayoría de las cuales no son tan visuales pero ganan en representatividad estadística y ambiental.

Esto sigue

Hasta acá presentamos un resumen sobre los principales desafíos a la hora de trabajar con nanopartículas. En breve vamos a estar hablando sobre una de las aplicaciones más interesantes de estos sistemas: Nanopartículas en biomedicina