En las últimas décadas, todo tipo de hitos y desarrollos inimaginables se han alcanzado, incluso en áreas científicas que estudian, desarrollan y mejoran los materiales. Uno de estos avances ha sido la aparición y desarrollo de los nanomateriales, aquellos que poseen al menos una dimensión en la escala de los nanómetros o, en otras palábras, una milmillonésima parte de un metro. En perspectiva, la diferencia de escala entre un nanomaterial frente al de una célula es equivalente al de una célula frente a una pelota de tenis.
Poco a poco, se han estado desarrollando nanomateriales de todo tipo de composición, origen, forma y tamaño, siendo esta dimensión nanométrica lo que todos tienen en común. En concreto, esta diferencia de escala ofrece características y propiedades sorprendentes frente a materiales de su misma composición pero cuyo tamaño es normal. Este resultado se debe a cambios en la interacción con otros materiales, luz o electricidad, lo que da lugar a nuevas propiedades o incluso mejorando otras. Buenos ejemplos de este proceso son el grafeno, por cuyo descubrimiento Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Nobel de Física en 2010, o los puntos cuánticos (quantum dots en inglés), pequeñas partículas con una gran fluorescencia.
El origen de estas mejoras se debe a dos principales razones: el aumento del área superficial y a los efectos cuánticos. El área superficial aumenta exponencialmente a medida que el tamaño se reduce. De este modo, aumenta la cantidad de átomos expuestos al exterior aumenta, permitiendo así una mayor interacción con otras sustancias. Por ejemplo, imaginad lo que sucede cuando si rompiérais un dado o una piedra. A medida que se fragmentan, su tamaño se reduce aunque, a la vez, este área superficial incrementa. Si consiguiésemos llegar a dimensiones nanométricas, algo del tamaño de un simple dado tendría el mismo área superficial que un campo de fútbol. Por otra parte, los efectos cuánticos son algo más complejos de entender, aunque explican la interacción de los nanomateriales con electricidad, campos magnéticos o luz. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, en materiales normales, nosotros observamos comportamientos derivados de la cuántica que se deriva de millones de átomos. Dicho de otra manera: el impacto final no es significante. En cambio, los nanomateriales tienen muy pocos átomos y el peso de distintos estados cuánticos sobre las propiedades finales acaba incrementándose. Estos efectos cuánticos provocan que los nanomateriales o bien cambien de color respecto al material originario o bien que materiales aislantes pasen a ser conductores.
Hasta ahora, no hay duda de que estamos siendo partícipes de una gran revolución con multitud de avances y aplicaciones. Eso sí, aún hay que lidiar con desafíos en este campo de investigación ya que, para lograr una mayor implantación, se deben cumplir varios requisitos económicos y medioambientales. Por ahora, los principales problemas a solventar son la complejidad de su producción, la falta de estabilidad, el coste tanto de producción y caracterización de los materiales finales y los riesgos asociados al medio ambiente y toxicidad. Ante cualquier problema, la ciencia siempre va a tratar de encontrar una solución y, a raíz de esta búsqueda, una nueva técnica parece estar emergiendo: la búsqueda de herramientas en la naturaleza para preparar y procesar nanomateriales de un modo más eficiente, más barato y más seguro. Éste es el proceso denominado bionanofabricación o microfábricas naturales para nanocosas. La bionanofabricación ofrece distintas ventajas sobre otros métodos tales como la producción de nanomateriales biocompatibles, el uso de reactivos respetuosos con el medioambiente e incrementar la seguridad de las condiciones de trabajo. Varios organismos como algas, hongos, gusanos de seda o bacterias son los potenciales candidatos que van a utilizarse para dar forma y procesar estos nanomateriales.
Un ejemplo de este proceso es la preparación de nanopartículas metálicas, las cuales se producen espontáneamente en cuanto iones metálicos entran en contacto con ciertas bacterias, hongos y plantas. Dichos organismos controlar su transformación mediante procesos bioquímicos como modo de protección, un sistema biológico que ofrece un control preciso sobre el tamaño y forma de las partículas. De este modo, si se cambia el organismo, la concentración o la temperatura, los resultados que se obtienen serán distintos. Actualmente, las nanopartículas preparadas se están probando en áreas como el tratamiento de enfermedades o la electrónica.
Otro ejemplo fascinante, aunque algo diferente al anterior, es la síntesis de nanoimanes mediante bacterias magnetotácticas. Hay que tener en cuenta que este proceso no se lleva a cabo mediante la exposición forzada a una sal. En este caso, se utilizan un tipo de bacterias cuyo metabolismo genera nanopartículas magnéticas de hierro para poder orientarse. La síntesis sucede dentro de las bacterias, transformando iones de hierro en partículas de magnetita. Una vez este proceso finaliza, los nanoimanes se pueden extraer y utilizar en varios ámbitos de la salud como, por ejemplo, en tratamientos contra el cáncer basados en hipertermia magnética.
La nanocelulosa bacteriana es otro ejemplo más que ilustra cómo la naturaleza puede usarse para nanociencia. Así como con las plantas, algunas bacterias pueden producir celulosa a partir de azúcares como la glucosa o la fructosa. Sin embargo, esta celulosa tiene fibras nanométricas mucho más estrechas que las de las plantas y con una mayor pureza producida sin la presencia de otros biopolímeros. Las mejoras que ofrece este proceso han hecho que la nanocelulosa bacteriana se esté utilizando en apósitos para quemaduras por su gran capacidad de retención de agua o como soporte de catalizadores por su área superficial.
La bionanofabricación también incluye el uso de nanomateriales para reforzar y mejorar biopolímeros preparados por seres vivos tales como la propia nanocelulosa bacteriana o la seda. La idea es simple: añadir nanomateriales en la dieta de gusanos de seda para que los incorporen en la seda que van a producir. Dependiendo del nanomaterial con el que se les alimente, se puede obtener una seda más resistente, más conductora, o incluso fluorescente.
En resumen, estas microfábricas naturales tienen el potencial de ampliar el uso de los nanomateriales, ofreciendo un mayor control de sus dimensiones y, a la vez, reduciendo su coste y riesgos asociados a su producción. La bionanofabricación nos permite aprovechar las herramientas de la naturaleza para crear materiales avanzados. Si queréis aprender más sobre este proceso, os invito a leer la minirevisión que publicamos este año en la revista Angewandte Chemie [1]. ¡Disfrutad!
Por Víctor Calvo Peña. Investigador predoctoral en el Instituto de Carboquímica (ICB-CSIC).
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