En un centímetro cúbico de materia se tiene un número inmensamente grande de átomos (aproximadamente 1023); sin embargo, en los nanomateriales, es decir, en la materia cuyo tamaño está entre uno y 10 nanómetros (un nanómetro es igual a la millonésima parte de un milímetro), el número de átomos presente es mucho menor, entre 10 y un millón. A estos materiales de tamaño nanométrico les llamamos nanoestructuras o nanopartículas y forman un puente de enlace entre los átomos y moléculas, y la materia macroscópica. No obstante, las nanoestructuras no sólo se distinguen por su tamaño y el número de átomos que la componen, si no por sus propiedades físicas y químicas que son muy distintas a las que presentarían los mismos materiales a escalas mayores, de micrómetros o milímetros. Por ejemplo, mientras que el color de un pedazo grande de plata es el mismo si éste se corta en distintos tamaños y tiene diferentes formas, ya sea una esfera, un prisma o un cubo; el color de las nanopartículas de plata depende totalmente de su tamaño y su forma. Esto significa que la respuesta de las nanopartículas a los estímulos externos tiene que ver no sólo con su tamaño, sino con su forma; mientras que la forma es resultado de diversas variables externas, tales como el proceso de formación de las partículas, la temperatura, el ambiente, etc. Otra cualidad importante de las nanopartículas es que cuando se reduce su tamaño la relación entre superficie y volumen cambia drásticamente, dominando, en algunos casos, la superficie sobre el volumen, como sucede con los nanotubos, los fulerenos y nanopartículas de alrededor de 1 nm. Este hecho potencia algunas reacciones, como la catálisis, ya que la superficie expuesta es mucho mayor. En la figura 2 se muestran varios tipos de nanopartículas de oro y plata, de diferentes tamaños y formas, como se observan en los microscopios de transmisión electrónica (tomada de M. J. Yacamán, J Comp Theo Nanosci, 4, 2007, p. 195).
Figura 2. Nanopartículas de oro y plata.
El estudio y control de estas nuevas propiedades, así como la comprensión de los nuevos fenómenos físicos que suceden en los nanomateriales es una de las tareas más interesantes y retadoras que tiene la física y, en general, la nanociencia en este siglo. Además, la nanotecnología se encarga de utilizar los conocimientos generados por la nanociencia para diseñar y fabricar dispositivos con diversas aplicaciones tecnológicas. Actualmente se prevén avances tecnológicos basados en nanociencia en las industrias química, electrónica, óptica, y, a más largo plazo, en biotecnología y medicina.
En nanociencia y nanotecnología, la generación de ideas y de dispositivos contempla al menos cuatro etapas que van aumentando en complejidad y, por lo tanto, también en potencial de aplicación. La primera etapa considera la fabricación y manipulación de nanoestructuras sencillas, como nanopartículas metálicas, de óxidos y semiconductoras, con el fin de construir nuevos polímeros, cerámicas, recubrimientos, catalizadores, entre otros, o mejorar los ya existentes. Esta etapa también se caracteriza por el uso de nanopartículas poco complejas en aplicaciones simples en medicina, cosmetología, en la industria textil, como los famosos bactericidas a base de nanopartículas de plata (conocido como nano-silver), en los que lo único que se hace es potenciar las muy conocidas propiedades antimicrobianas de la plata que se conocen desde hace miles de años y que impiden el crecimiento de los microorganismos. Otra aplicación en medicina es el calentamiento de nanopartículas metálicas por medio de fuentes electromagnéticas de relativa baja intensidad, con el fin de que quemen las células de los tejidos en donde previamente se administraron.
La segunda etapa contempla la fabricación de nanoestructuras llamadas “activas”, es decir, nanoestructuras funcionalizadas con moléculas para realizar tareas específicas, como transistores tridimensionales, amplificadores, para administrar medicamentos, en terapias, como marcadores y etiquetadores biológicos, es decir, estructuras adaptadas. En esta etapa, las nanopartículas funcionalizadas tienen como objetivo el reconocer otras moléculas y efectuar tareas específicas al recibir un estímulo externo. Por ejemplo, se ha observado que en la vecindad de una nanopartícula metálica la respuesta óptica de una molécula se amplifica, mejorando así la sensibilidad de las espectroscopias ópticas de manera significativa.
La primera observación de este tipo se hizo a principios de los años setenta, cuando se midió que la radiación Raman de moléculas se veía fuertemente favorecida si éstas se encontraban sobre una superficie metálica; a este efecto se le llamó aumento de la espectroscopia Raman por medio de la superficie o sers (surface enhanced raman spectroscopy). Poco después se vio que este aumento se debía a los plasmones de superficie de los metales, que son las oscilaciones colectivas de los electrones del metal en presencia de un campo electromagnético externo. Una propiedad particular de las nanopartículas metálicas es que muestran diferentes plasmones de superficie en función de su tamaño, forma y el ambiente en donde se encuentran. Es decir, podemos controlar la frecuencia y la amplitud de acoplamiento de los plasmones de superficie con el campo electromagnético externo, y así encontrar la nanoestructura más adecuada para caracterizar una molécula particular, ya sea por espectroscopia Raman, fluorescencia o alguna otra espectroscopia óptica. El aumento en la respuesta óptica de la molécula en presencia de nanopartículas metálicas llega a ser de incluso 1012, lo cual permite pensar en muchas aplicaciones de este fenómeno. Dentro de estas aplicaciones se encuentra el poder utilizar estas espectroscopias dentro de medios poco transparentes, así como la caracterización de moléculas individuales o en concentraciones muy pequeñas. De esta forma, en ciertas nanoestructuras se adsorben moléculas que a su vez reconocen otras moléculas, y finalmente se puede hacer una imagen al iluminar con luz las nanoestructuras para hacer reconocimiento molecular y así identificar tumores. En la figura 3 se muestra una tomografía computarizada de nodos linfáticos en un ratón por medio de rayos X de baja intensidad, usando como medio de contraste nanopartículas de sulfito de bismuto (tomada de O. Rabin, J. M. Perez, J. Grimm, G. Wojtkiewicz y R. Weissleder, An X-ray computed tomography imaging agent based on long-circulating bismuth sulphite nanoparticles, Nature Materials 5, 2006, pp. 118-122).
Figura 3. Tomografía computarizada de rayos X usando nanopartículas de sulfito de bismuto.
La tercera etapa considera el desarrollo de estructuras mucho más complejas que se puedan ensamblar y autoensamblar creando redes en una, dos y tres dimensiones, así como nuevas arquitecturas jerárquicas. Un proceso de autoensamblado se describe como un proceso por el cual un sistema de componentes desordenados se organiza en una estructura o patrón debido a interacciones específicas entre los mismos componentes y el medio en donde se encuentran. La idea principal es crear superestructuras basadas en los mismos conceptos que se utilizan para estudiar los cristales en la física del estado sólido, en donde las interacciones entre los enlaces atómicos a lo largo de diferentes direcciones crean estructuras con simetrías únicas, resultando así en diversos cristales con una gran variedad de propiedades. En este caso, en lugar de átomos se utilizan nanopartículas y en lugar de enlaces atómicos se utiliza el concepto de ligandos, es decir, diversas moléculas y macromoléculas unidas a las nanopartículas, cuya interacción entre ellas nos da la misma función que los enlaces. La direccionalidad, en este caso, puede estar dada por los mismos ligandos o por la anisotropía de las mismas nanopartículas. La interacción entre los bloques que se necesitan autoensamblar está dictada por diferentes factores: el solvente, el tamaño, forma y propiedades de las nanopartículas, así como el tamaño, forma y propiedades de los ligandos. Nuevamente un concepto importante aquí es el reconocimiento molecular y la funcionalización de las nanopartículas. Entre los ligandos más comunes utilizados hasta ahora se encuentra el adn, ctab (bromuro cetiltrimetil amonio) y los tioles, ya que con estos es posible controlar fácilmente la longitud de los ligandos y, por lo tanto, la simetría de las superestructuras. Sin embargo, las propiedades e ingeniería de estas superestructuras y el entendimiento de las principales interacciones involucradas y las propiedades físicas y químicas de estas nuevas superestructuras son un reto para la ciencia. En la figura 4 se muestra la representación esquemática de algunas estructuras autoensambladas en dos, una y tres dimensiones (de izquierda a
