Menos es más en nanotecnología

Sabemos que el color de los materiales cambia cuando los reducimos a dimensiones nanométricas, pero esa es sólo uno de las muchas variaciones que se dan a esta escala. En el artículo de hoy veremos algunas otras transformaciones interesantes que podemos aprovechar para idear nuevas aplicaciones nanotecnológicas.


Mucha más superficie,  mayor reactividad


La primera consecuencia de dividir un trozo de material en partes muy pequeñas es que aumenta mucho la superficie en relación al volumen. Por ejemplo, al abrir una barra de pan en dos mitades, se duplica, aproximadamente, su superficie. La parte de la miga que antes pertenecía al interior de la barra ahora está en el exterior también. Las dos figuras de la imagen muestran dos cantidades idénticas del mismo material, sin embargo, el de la derecha ha multiplicado su superficie por 8

Cuando cortamos un material en trocitos de tamaño nanométrico el porcentaje de átomos que antes estaban situados en el interior pero ahora forman parte de la superficie aumenta tremendamente.

La primera consecuencia de este aumento de superficie es que el material se vuelve mucho más reactivo. Un átomo del interior está rodeado de otros muchos, sin embargo, uno en la superficie sólo está parcialmente enlazado con otros átomos del material. La otra parte de sus enlaces está libre para reaccionar con los otros átomos del entorno. Por ello, cuando el porcentaje de átomos en la superficie aumenta, también lo hace la reactividad del material. Los molineros han sabido desde siempre que cuando la harina se encuentra suspendida en el aire en forma de partículas muy finas hay riesgo de explosión.

Este hecho, el que los nano-objetos tengan tanta superficie en relación con su volumen, tiene muchas aplicaciones tecnológicas. Los gases provenientes de los tubos de escape de los coches serán menos contaminantes gracias a que ya se están fabricando catalizadores mucho más efectivos por ofrecer más superficie de trabajo. Asimismo, la administración de ciertos fármacos también se verá beneficiada: con más moléculas terapéuticas en la superficie dispuestas a interaccionar los fármacos serán también más eficaces. Otro ejemplo interesante es el que expone Pedro Serena en su reciente libro: con cristales de tamaño nanométrico no necesitaremos tanta cantidad de sal en las comidas para que nuestro sentido del gusto siga apreciando el sabor salado.

La perfección de los nanocristales

Los cristales son materiales cuyos átomos están ordenados en redes tridimensionales. En la realidad, todo cristal de dimensiones mayores presenta defectos en esta red: fallos de construcción, ausencias de átomos, impurezas... Estos errores no están inmóviles, sino que van cambiando de lugar en la red. Cuando el tamaño del material es muy pequeño estos defectos llegan con mucha facilidad a la superficie, lugar donde desaparecen, encontrándonos con redes de gran perfección. Por esta razón la temperatura de fusión de estos materiales es distinta.

Aparecen propiedades cuánticas

A partir de principios del siglo XX, varios físicos, entre los cuales se encuentra Einstein, Plank, De Broglie, Bohr o Heisenberg comenzaron a postular las leyes de lo que hoy se conoce como física cuántica. Este nombre proviene del hecho de que, en un átomo, los electrones no pueden tener cualquier valor de la energía, sino que toman valores específicos, por tramos.Imaginémonos que utilizamos una escalera para saltar desde sus peldaños a la tierra. Cuanto más alto subamos, mayor energía adquirimos. Lo notamos al llegar al suelo cuando nos tiramos. Ahora bien, solo podemos adquirir niveles energéticos por peldaños. O nos tiramos desde el tercero o desde el cuarto, pero no hay ningún escalón intermedio.

Algo similar les ocurre a los electrones en un átomo. Sólo pueden estar a unas distancias determinadas del núcleo. Se dice que la energía está 'cuantizada', es decir, sólo pueden tomar ciertos valores y no otros. Este fenómeno no es algo que podamos observar en nuestra vida cotidiana pero cuando trabajamos en el rango nanométrico comenzamos a tener muy pocos átomos y por tanto nos encontramos con sistemas con esta propiedad.

Empezamos a notar que la energía no tiene valores continuos, sino que va a 'saltos'. Esta es una característica de los puntos cuánticos. Son nanocristales que al ser iluminados, vuelven a emitir luz pero en una longitud de onda muy específica y que depende del tamaño de este. Hoy en día, con los puntos cuánticos se fabrican diodos láser emisores de luz más eficientes, se obtienen imágenes biomédicas de mayor contraste y se experimenta con ellos para obtener la tercera generación de células solares más eficientes.

Otro ejemplo de la visión anti-intuitiva de la física cuántica es que el electrón deja de ser una partícula que gira en una trayectoria definida alrededor del núcleo del átomo, como si de un planeta en miniatura se tratara, para convertirse en una 'nube' de probabilidad. Sólo es posible conocer la probabilidad de que ese electrón esté en una determinada zona. Esta propiedad cuántica tan curiosa es, por ejemplo, el principio de funcionamiento de un microscopio llamado 'de efecto túnel' (STM) el cual ha sido el primero en permitirnos ver y manipular átomos, como los que se muestran en la imagen, obtenida por el grupo de investigación del profesor Jose María Gómez Rodríguez (UAM). En ella se muestran los átomos de la superficie del silicio. El tamaño de la imagen es 5.3 x 5.3 nm.

En esta segunda imagen, obtenida por el mismo grupo de investigación, se observan los orbitales moleculares de la molécula (PTCDA) que en este caso está depositada sobre los átomos de silicio.

Parafraseando al premio Nobel R. Feyman, efectivamente "hay un gran espacio al final". Tenemos ante nosotros un universo de tamaño diminuto que justo ahora estamos comenzando a explorar, un lugar en donde los materiales se comportan de diferente manera y cuyas extrañas propiedades podemos aprovechar para desarrollar una mejor tecnología.

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