En una entrada anterior del blog, ya comentamos que la nanotecnología implica trabajar con átomos y moléculas, pero ¿con qué herramientas se hace esto?, ¿cómo se puede ver lo que se está haciendo a escalas tan pequeñas?

En 1931, el autor ruso Boris Zhitkov escribió una historia breve llamada Micromanos, en ella narraba la como se construía un par de diminutas manos que podía manipular de forma remota para realizar tareas muy finas, como una cirugía, luego decide utilizar las micromanos para construir unas manos todavía más pequeñas que le permitieran tener un alcance aún más preciso. La idea de Zhitkov sería fantástica si pudiéramos ejecutarla para producir los materiales que necesitamos de forma casi directa con nuestras manos. Sin embargo, en su historia, Zhitkov se da cuenta que la tarea es imposible, porque los materiales tienen un comportamiento diferente en la micro escala (ya no digamos en la nano escala) y simplemente no puede fabricar estas manos.

En la realidad, para poder trabajar a esta escala, dependemos de las herramientas de la física, química, biología, ingeniería y ciencia de materiales para poder lograr los resultados deseados. Dependiendo del tipo de material, la estructura y tamaños deseados, entre otros factores se eligen los métodos más apropiados para producirlos, pero en general hay dos acercamientos: por un lado, el tomar las moléculas o átomos y ensamblarlo para generar algo más complejo se denomina bottom-up, mientras que tomar el material en grande y convertirlo en nanomaterial se denomina top-down. Dentro de estas técnicas se pueden dar 3 clasificaciones generales:

Métodos físicos:

Consisten en procesos donde no se llevan a cabo reacciones químicas, ni se altera la composición del material, en su lugar se exponen los reactivos de interés a un proceso físico para cambiar su tamaño o conformación; como puede ser la exfoliación, la deposición física de vapor, la ablación laser, la implantación de iones o la litografía, incluso molinos especiales puede ayudarnos a generar nanopartículas. Todos estos procesos tienen en común que no modifican químicamente la composición del material de interés, nos ofrecen un control muy preciso del tamaño y distribución, además de ser más fáciles de escalar.

Métodos químicos:

Los métodos químicos implican tomar reactivos químicos que se hacen pasar por una reacción para formar un nuevo material y lograr que su tamaño se encuentre dentro del rango deseado, esto se puede controlar aprovechando diferencias en la polaridad de solventes, utilizando detergentes, modificando el pH, controlando las tasas de difusión e incluso la velocidad de reacción. Los métodos químicos tienen la desventaja de presentar menos homogeneidad en las partículas sintetizadas, muchas veces se obtiene un material en suspensión y después se debe de precipitar, además de que escalar la producción a un nivel industrial es un reto, pero la ventaja es que suele ser más económico que un método físico.

 Métodos biológicos:

La naturaleza produce nanoestructuras de forma natural el ADN es un claro ejemplo de una nanoestructura con apenas 2 nm de diámetro. Sin embargo, gracias a herramientas de la biotecnología, es posible utilizar bacterias, hongos y levaduras para que produzcan nanopartículas de interés, tanto orgánicas como inorgánicas y con un control muy preciso del tamaño final, además de ser un proceso muy amigable para el medio ambiente.

Observando el nanomundo

Una vez sintetizadas, nos encontramos otro problema, ¿cómo verlas?

Los microscopios ópticos tradicionales necesitan de las ondas luz para permitirnos ver el objeto; la luz viaja a través de ondas de diversos tamaños y sólo podemos ver una pequeña fracción que se denomina espectro visible, las ondas que conforman este rango del espectro tienen una longitud de entre 380 a 790 nm aproximadamente. Esto presenta una gran desventaja, ya que al ser más grandes que las partículas que buscamos estudiar, no podemos utilizarlas para magnificar las nanoestructuras, por lo tanto, los microscopios ópticos no nos son de utilidad para ver nanopartículas.

Afortunadamente existen otras herramientas, como el caso del microscopio electrónico. Ya sea de transmisión o de barrido, este tipo de microscopios en lugar de utilizar luz visible, utilizan un haz de electrones acelerados que se hacen chocar con la muestra, al estudiar como rebotan o atraviesan la muestra, podemos darnos una idea de su forma y reconstruir una imagen de la estructura. Estas son dos de las herramientas más poderosas para observar el nanomundo; además, es posible “tocar” las nanoestructuras en lugar de verlas, para ello utilizamos una punta sumamente fina con unos pocos átomos de grosor y medimos la fuerza con que esta punta es atraída o repelida de la superficie, esto nos permite reconstruir la topografía de la superficie y conocer los detalles de la muestra. Si en lugar de medir la fuerza que se da entre la superficie y la punta, medimos un efecto físico llamado efecto túnel a través de la corriente eléctrica, donde los electrones migran de un material a otro a través del vacío entre ellos, tenemos un microscopio de efecto túnel, esta última es una herramienta muy poderosa que incluso nos permite mover átomos uno por uno y colocarlos en un lugar deseado.

Como podemos observar, la síntesis de nanomateriales presenta algunos retos, pero también existe un muy amplio arsenal de herramientas tanto para producirlas como para detectarlas y observarlas.