“En 15 o 20 años las aplicaciones soñadas en nanotecnología serán realidad”
(05/03/10 – Agencia CyTA-Instituto Leloir / Área de Divulgación GIyANN-CNEA. Por Laura García) –Primero, la atracción fue por el mundo de la física. Más adelante, los atrapó el universo de la nanociencia. En la actualidad, forman parte de la comunidad científica de la Argentina que se dedica a investigar y diseñar materiales en una escala de pocos nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro).
Alex Fainstein, oriundo de la ciudad de Bariloche, es investigador de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Egresado y docente del Instituto Balseiro, hoy es uno de sus vicedirectores. Además, realizó dos posdoctados en Francia y Alemania. Su coequiper en esta entrevista y en el laboratorio, Nicolás Tognalli, nació en la ciudad santafesina de Sunchales. Hizo su licenciatura y doctorado en el Instituto Balseiro y es investigador del CONICET.
Ambos forman parte del equipo del “Laboratorio de propiedades ópticas” del Centro Atómico Bariloche. En esta nota, cuentan cómo es trabajar en este campo y dan ejemplos concretos, como el desarrollo de nanobiosensores de glucosa y pesticidas. Además, entre otros temas, opinan sobre el futuro de la nanociencia.
– En el campo de la nanociencia y la nanotecnología se manipula la materia a pequeñísima escala, ¿qué significa esto?
-Fainstein: Significa que el ser humano ha aprendido a desarrollar técnicas que le permiten armar materiales de pocos nanómetros. Un nanómetro son diez Angstroms, entre cinco y diez átomos. El ser humano, como si tuviese una mano muy chiquitita, ha aprendido a agarrar todos esos átomos y a ordenarlos por diseño. Por ejemplo, en vez de la estructura del silicio que dicta la naturaleza, uno puede disponer una capa de silicio, luego otra capa de silicio, después otra de germanio y luego otra de silicio. Recordemos que el silicio es el material indispensable entre otras cosas para sensores de infrarrojo mientras que el germanio es el material básico y universal de la electrónica. El punto es que se puede armar el sándwich o la forma que se le ocurra en tres dimensiones: una estructura esférica, plana, rectangular… La forma también influye en las propiedades de un material. Es casi como ser un gran diseñador a pequeña escala.
-¿Por qué cambian las propiedades en la escala nanométrica?
-Tognalli: A escala nanométrica, las propiedades de los materiales cambian mucho sobre todo porque un gran porcentaje de sus átomos están colocados en la superficie. Es decir, cuando la relación de átomos de superficie sobre la de volumen es grande, las propiedades de los materiales comienzan a cambiar. En una partícula de oro de cinco nanómetros de diámetro, la mitad de los átomos están en su superficie y la otra mitad en el carozo de la partícula. Por ejemplo, un anillo de oro se ve dorado en una alianza, pero si hacemos nanoesferas de oro de 20 nanómetros se ve rojizo y si las achicamos aún más se ven azules. Esto se conoce desde la Antigüedad, y se usaba para fabricar vidrios con diferentes colores para las catedrales. Pero recién en los últimos 20 años se han desarrollado los instrumentos necesarios para poder caracterizar y ver la materia en esta escala.
-Fainstein: Para entender qué ocurre con la materia en la nanoescala, se puede pensar en ciertos ciertos instrumentos que tienen una caja, como el violín. El tamaño de su caja determina en qué tonos puede vibrar. En otras palabras, ese tamaño influye en la frecuencia de resonancia. Así, el violín es más agudo que un contrabajo por el tamaño de la caja. En la materia, el equivalente de frecuencia de resonancia está vinculado a las propiedades de los electrones. Según la física cuántica, los electrones son partículas y también ondas. En tamaños nanométricos, las frecuencias con las cuales pueden resonar los electrones se pueden cambiar. Eso hace que las propiedades electrónicas, que son las que definen el modo en que interactúa y se forma la materia, estén determinadas por las resonancias de los electrones. Al cambiar el tamaño, cambian la resonancia.
-¿Pueden dar ejemplos de cómo la nanotecnología está revolucionando el mundo de los materiales?
-Fainstein: Es una pregunta muy amplia, porque la nanociencia y la nanotecnología impactan en áreas muy diferentes. Si pensamos en la electrónica, en sus inicios la radio llevaba unos pocos transistores, mientras que ahora el chip de una computadora tiene millones de transistores en una simple placa electrónica de un centímetro cuadrado. Los componentes se miniaturizaron muchísimo. Y la tendencia es que las propiedades en las que funciona esa electrónica comienzan a estar caracterizadas por la nanociencia y la nanotecnología. Eso va a generar un impacto tremendo.
-Además del campo de la miniaturización de la electrónica, hay mucho interés en las potenciales aplicaciones en la salud…
-Fainstein: Sí, en la medicina hay diversas aplicaciones potenciales. Por ejemplo, existen mecanismos por los cuales uno puede armar un sensor que detecta algún tipo de proteína o componente químico que resulta que es relevante para un análisis clínico. Una de las panaceas del área “nano” en biología y medicina es armar un chip con miles de sensores que medirían determinados parámetros en una persona. Para que eso ocurra, tiene que ser un chip muy chico, ser específico de determinadas proteínas y emitir una señal que se pueda detectar desde afuera del cuerpo.
-Tognalli: A nivel mundial, la cantidad de compañías que comercializan productos con componentes relacionados con la nanotecnología creció a decenas de miles en los últimos años. Las previsiones indican que va a ser un área que se va a ir potenciando cada vez más. En ese contexto, nuestro grupo trabaja en el desarrollo de nuevos nanobiosensores que permitan medir y monitorear el uso de pesticidas, generando herramientas para cuantificar el impacto en la sociedad.
-¿En qué consiste ese nanobiosensor para detectar pesticidas?
-Tognalli: En 2009, el Instituto Balseiro realizó un concurso en el que se llamó a presentar ideas de empresas con base tecnológica. Presentamos un plan de negocios para generar una empresa basada en la aplicación de los conocimientos que estuvimos desarrollando en los últimos siete años en nanociencia. Nuestro proyecto para desarrollar sensores que poseen componentes en la nanoescala obtuvo el primero premio. Ahora estamos tratando de desarrollar los sensores dentro de este proyecto en conjunto con distintos equipos de químicos y físicos del país que trabajan en distintas universidades, la CNEA, el CONICET y el INTA.
-¿En qué etapa está ese proyecto?
-Tognalli: El objetivo a mediano plazo es pasar de los conocimientos desarrollados en el laboratorio a un prototipo, que podría ser de gran utilidad para el INTA. Al mismo tiempo, el desarrollo de un prototipo nos permitiría seguir dando los pasos necesarios para hacer una empresa de base tecnológica.
-Fainstein: La meta es desarrollar una nanoestructura que amplifique una señal que podamos detectar. Y que incluya un componente molecular capaz de fijar la molécula que queremos detectar de manera específica y única. Un ejemplo es el glifosato, una molécula tremendamente importante que se utiliza en la producción de soja. En estos últimos seis años hemos desarrollado conocimiento para hacer estas nanoestructuras y “pegar” moléculas y poder traducir esto en señales ópticas y eléctricas. Ahora debemos enfocarnos en la detección de pesticidas.
-¿Cuál sería la ventaja de este nanobiosensor?
-Tognalli: Los requerimientos que una institución como INTA tiene para la detección de agroquímicos es que necesita tener una herramienta masiva. En la actualidad, se utilizan equipos muy costosos de detección de agroquímicos y en la Argentina hay un número reducido. Por lo tanto, un sensor que pueda masificar el monitoreo a nivel regional sería de gran interés para generar programas de buen uso de agroquímicos.
-Mencionaron que este proyecto se basó en la investigación desarrollada en años previos, ¿en qué consistió?
-Tognalli: Hicimos un nanobiosensor de glucosa. Fue una prueba de concepto de que podemos desarrollar un sensor en la nanoescala y que reacciona ante una molécula, en este caso la glucosa. Fue desarrollado en la red de nanociencia de Argentina, involucrando a un grupo de la UBA y nuestro grupo en Bariloche. Hubo varios pasos, entre ellos el estudio de una molécula que se llama REDOX, porque tiene la capacidad de tomar y dar un electrón y que utilizamos como un “cable molecular”. Una vez que entendimos cómo funcionaba y cómo podíamos utilizarla ópticamente, la ensamblamos sobre nanoestructuras metálicas que amplificaban la señal, es decir, usamos nanopartículas de oro que funcionaban como unas lupas muy particulares. Finalmente, ensamblamos todo junto con una enzima que responde a la presencia de glucosa y nuestro nanosensor comenzó a funcionar.
-¿Este nanobiosensor de glucosa puede pasar a una etapa de transferencia tecnológica?
-Fainstein: No, el detector de glucosa fue un caballito de batalla para demostrar que podíamos desarrollar un nanobiosensor. Pero los detectores de glucosa ya existen en el mercado, de tal manera que no sería un camino inteligente competir en este campo. Pero aprendimos cuáles eran las etapas necesarias y ahora queremos enfocarnos en moléculas que son críticas en la producción argentina y que no estén aún desarrollados en el mundo. Hay grupos que están tratando de hacer detectores de pesticidas, pero es un área de extrema actividad y virgen. La Argentina tiene un gran interés por sus posibles aplicaciones.
-En su laboratorio también están desarrollando nanomateriales relacionados con los sonidos, ¿en qué consiste ese proyecto?
-Fainstein: La idea es fabricar nanomateriales que emitan un sonido de muy alta frecuencia. ¿Para qué se podría usar? Por ejemplo, para hacer variaciones de corrientes eléctrica o de luz en muy altas frecuencias, algo que permitiría que la velocidad de las telecomunicaciones fueran muchísimo más rápidas. Uno de los objetivos a nivel mundial es lograr la fabricación de este hipersonido, pero que sea el equivalente a un “láser de sonido”, que es algo que emitiría en una única frecuencia y en una única dirección. Eso no existe todavía. Al igual que el láser ha revolucionado la sociedad con sus diferentes aplicaciones, se imaginan muchas aplicaciones del “láser de sonido”. Esto es más ciencia que tecnología, y hay mucho conocimiento para generar.
-¿Cuáles son los riesgos de trabajar en nanociencia?
-Fainstein: Hay ciertas áreas donde no son peligrosos, como al trabajar con materiales semiconductores. Cuando uno maneja las muestras, son pedazos grandes que no son contaminantes. Ahora, con respecto al manejo de partículas de tamaño nanométrico o nanopartículas, es un área donde hay algunos riesgos conocidos y otros no. Ante eso, lo que uno hace es trabajar con los mismos recaudos que en un laboratorio de química.
-Tognalli: Los nanomateriales están en la naturaleza mucho antes que los microscopios que ahora nos permiten observarlos. Antes contaba que las catedrales tienen desde hace 500 años nanopartículas de oro y nadie se preocupaba, pero ahora la capacidad que tenemos de observar estos materiales hace que nos preguntemos sobre cuáles son los riesgos de manipular este tipo de materiales para así tener los cuidados necesarios.
-¿Cómo ven el desarrollo de la nanotecnología dentro de 20 años?
-Fainstein: Yo lo veo ya jubilado (risas). Pero uno pecaría de inocente, porque hace 15 años quién hubiera pensado que pasaría lo que pasó con los ipods o incluso con los celulares. En 15 o 20 años, las aplicaciones que son soñadas en nanotecnología van a ser realidad y van a ser habituales para la sociedad. No es loco pensar que de acá a 20 años cuando uno vaya al médico le den una pastilla con componentes electrónicos, que uno se la tome y que se vaya a su casa. Y que el médico reciba los resultados de análisis químicos durante todo el día. No es descabellado. Muchas cosas que ahora nos sorprenden ya no nos van a sorprender más, nos vamos a sorprender por otras cosas.
-Tognalli: Muchos productos que nos rodean van a tener alguna componente o alguna parte relacionada con la nanotecnología. Me parece que las aplicaciones en salud son uno de los puntos fuertes en los que se esperan resultados. Otras áreas son la cosmética y la remediación de ambientes contaminados. En esas áreas esperamos que haya un gran impacto en el futuro.
Nicolás Tognalli (Izq.) y Alex Fainstein, dos físicos que investigan en el mundo nano, en su laboratorio de propiedades ópticas del Centro Atómico Bariloche.
Créditos: Área de Divulgación GIyANN-CNEA
