Fabricar materiales con capacidades antinaturales a partir de recursos naturales

JUSTIN ZOPPE. Investigador del grupo de investigación Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) y profesor lector Serra Húnter del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC).

La capacidad de manipular la luz y controlar su interacción con la materia es fundamental en ciencia, tecnología e ingeniería. En la novela de Herbert George Wells de 1897, «El hombre invisible», el protagonista exploraba una posibilidad extraordinaria: «…un método por el que sería posible, sin cambiar ninguna otra propiedad de la materia (excepto, en algunos casos, los colores) – para bajar el índice de refracción de una sustancia, sólida o líquida, al del aire – en lo que se refiere a todos los propósitos prácticos». En este caso, el protagonista propone cambiar la forma en la que la materia curva la luz para hacerla invisible. En el siglo XXI, conceptos como la invisibilidad, que antes se consideraban ciencia ficción, se acercan poco a poco a la realidad, en parte gracias al desarrollo de materiales con capacidades antinaturales, también conocidos como metamateriales

Los metamateriales se diseñan para que presenten propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Suelen estar compuestos por patrones repetitivos, o matrices, de subunidades mucho más pequeñas. De hecho, es la estructura con patrones del metamaterial, y no el material en sí, lo que da lugar a sus propiedades no naturales. Entre los distintos tipos de metamateriales, los metamateriales electromagnéticos interactúan con la luz de formas que dan lugar a características extraordinarias, como la refracción negativa y el magnetismo artificial. Para que un metamaterial interactúe con la luz ultravioleta o visible, la escala de los patrones repetitivos debe ser del orden de cientos de nanómetros o menos, lo que resulta extremadamente difícil y costoso de fabricar con las tecnologías disponibles en la actualidad. Este es especialmente el caso de los llamados metamateriales quirales, que están formados por subunidades no simétricas, como las hélices. Esto representa un importante reto para la ingeniería de materiales de los futuros dispositivos ópticos.

El proyecto CELICOIDS, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC, European Research Council), responde a esta creciente necesidad de tecnologías de fabricación de metamateriales más sencillas y propone el desarrollo de nuevas tipologías de nanoestructuras quirales para controlar las interacciones luz-materia. El proyecto se centra en el autoensamblaje de nanopartículas, que es una técnica de fabricación ascendente que se basa simplemente en las interacciones físicas entre partículas para formar el patrón deseado, sin necesidad de equipos complejos y costosos.

Un gran ejemplo de metamaterial quiral es un conjunto de nanohélices. Se puede imaginar como una superficie plana con un patrón de muelles dispuestos con precisión, como en un colchón de muelles, a escala nanométrica. Este tipo de disposición periódica de nanoestructuras quirales interactúa fuertemente con la luz polarizada circularmente, un tipo de onda luminosa que se propaga siguiendo una trayectoria helicoidal. La luz polarizada circularmente puede ser diestra o zurda, es decir, girar en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, y se utiliza habitualmente en dispositivos ópticos. Por ejemplo, el dicroísmo circular, la absorción diferencial de luz polarizada circularmente a derecha e izquierda, es una potente herramienta analítica en química y bioquímica para caracterizar la estructura química tridimensional de las moléculas. El principal problema es que las respuestas ópticas de las moléculas quirales son muy débiles y los metamateriales quirales son una de las soluciones más prometedoras para mejorar la detección de la quiralidad molecular. Aquí es donde CELICOIDS entra de nuevo en juego. 

El grupo de investigación Polyfunctional Polymeric Materials (POLY2) de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC) lidera el proyecto CELICOIDS, cuyo objetivo es investigar el autoensamblaje ascendente de nanorods modificados para fabricar una nueva clase de metamateriales, los nanohelicoides metálicos. Los nanorods se obtienen a partir de celulosa, un polisacárido natural extraído del papel, el algodón u otras fibras vegetales. Cuando se vierte una suspensión de nanorods de celulosa modificada sobre una superficie, se autoensamblan para formar estructuras helicoidales mientras se secan. Una vez impregnadas estas estructuras con metales como el oro, guiarán la formación de nanohelicoides metálicos. Tras cristalizar el metal y retirar la plantilla de celulosa modificada, el objetivo final es conseguir matrices de nuevas estructuras helicoidales metálicas, similares a tornillos de Arquímedes a nanoescala. Dichas estructuras, cuando se combinan en una solución de moléculas quirales, probablemente amplificarán la señal global de detección en espectroscopia de dicroísmo circular gracias a sus propiedades electromagnéticas antinaturales. Estas propiedades abrirán nuevas perspectivas para los instrumentos ópticos utilizados habitualmente en química, bioquímica y farmacología. Por ejemplo, podrían facilitar la detección de biomarcadores quirales presentes en concentraciones muy bajas para el diagnóstico de enfermedades, el pronóstico, la monitorización de efectos adversos de fármacos y la medicina personalizada. También se prevén nuevas funcionalidades, aplicables a futuros dispositivos de camuflaje de la invisibilidad e imágenes de superresolución en medicina, observación de la Tierra y exploración espacial.


Imagen: representación gráfica que ejemplifica la propiedad de quiralidad.

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