Grandes retos del siglo XXI. ОтÑутÑтвует
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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 derecha). La estructura bidimensional tiene simetría hexagonal y se autoensambló utilizando nanobarras de oro (izquierda); mientras que la estructura unidimensional (en el centro) se autoensambló utilizando nanoprismas de oro. Finalmente, la estructura tridimensional (derecha) se obtuvo usando nanopartículas dodecaedrales de oro. Las gráficas debajo de cada estructura muestran los espectros correspondientes de dispersión de rayos X a ángulos pequeños (tomada de M. R. Jones, R. J. Macfarlane, B. Lee, J. Zhang, K. L. Young, A. J. Senesi y C. A. Mirkin, Nature Materials 9, 2010, pp. 913-917).
Figura 4. Superestructuras autoensambladas utilizando nanopartículas de oro y ligandos de ADN.
Finalmente, una cuarta etapa contempla el desarrollo de dispositivos moleculares “bajo pedido” diseñados atómicamente, con funciones emergentes. En la actualidad la investigación y desarrollo se encuentran en la segunda etapa y en los albores de la tercera, por lo que la mayor parte de estas estructuras complejas se desarrollarán en los próximos 20 años, con una muy alta proyección de impacto social y económico, ya que existe un notable interés mundial en el estudio de esta clase de sistemas.
Con el fin ampliar la versatilidad de los nuevos dispositivos diseñados, gracias a la diversidad de sus propiedades físicas, químicas y biológicas, actualmente se fabrican estructuras nanométricas bien definidas de una gran variedad de materiales y formas. Entre éstas se encuentran las llamadas nanoestructuras quirales. El ejemplo más conocido de estructuras quirales a escala nanométrica es el de los nanotubos (NTs) de carbono, cuya estructura atómica es similar a una hoja de grafeno enrollada, la cual está formada por arreglos hexagonales de átomos de carbono. Esta hoja de grafeno se puede enrollar de diferentes formas, de manera que los nanotubos con el mismo diámetro tendrán una quiralidad diferente y, por lo tanto, propiedades físicas radicalmente diferentes. Otras nanopartículas quirales que recientemente han alcanzado notoriedad son las formadas por átomos de metales nobles, como plata y oro. Se ha observado que tales nanopartículas metálicas presentan propiedades extremadamente diferentes dependiendo de su composición, forma y tamaño. Estos sistemas, debido a su reciente descubrimiento, se han estudiado menos y el origen de su quiralidad es aún desconocido.
Figura 5. Ejemplos de nanotubos de carbono en donde la hoja de grafeno se enrolló de forma diferente.
La quiralidad es una propiedad geométrica existente en cualquier arreglo estructural, sean moléculas, nanoestructuras, cristales o simplemente en un conjunto de puntos. Esta propiedad consiste en que la imagen especular del arreglo no coincide de ninguna forma con el arreglo original. El ejemplo más sencillo de un arreglo quiral resulta ser nuestras manos: nuestra mano derecha es la imagen especular de nuestra mano izquierda y no existe manera de hacerlas coincidir. Bajo este esquema, siempre es posible denominar a un arreglo, “izquierdo” y a otro “derecho”, como enantiómeros. A pesar de lo simple de su definición, la quiralidad es una propiedad fundamental en física, química y biología. Los seres vivos estamos formados por aminoácidos y péptidos que son enantiómeros izquierdos únicamente, y producimos azúcares derechos de manera natural. De hecho, casi todos los productos naturales como las proteínas, lípidos, ácidos nucleicos, vitaminas, antibióticos, hormonas y muchas sustancias activas en los fármacos son quirales. Además, las sustancias quirales reaccionan de manera diferente a otras sustancias que también lo son. Es bien sabido que la sustancia activa de un fármaco puede tener efectos contraproducentes, y en ocasiones terribles, cuando no se utiliza el enantiómero correcto. Es decir, aunque molecular y estructuralmente un par de enantiómeros son iguales, al ser uno la imagen especular del otro, químicamente no lo son. En el laboratorio, al sintetizar un compuesto quiral, siempre se obtienen ambos enantiómeros, lo que se conoce como muestras racémicas; sin embargo, en la industria farmacéutica sólo se utiliza uno de ellos para elaborar medicamentos, lo que plantea el enorme problema de la separación de enantiómeros.
Por esta razón, el estudio de la quiralidad a escala nanométrica tiene un papel fundamental en bioquímica, farmacología y medicina, y está comenzando a ser un campo de investigación de frontera en nanotecnología. De hecho, estructuras nanométricas como los nanotubos, fulerenos y nanopartículas metálicas son convertidas en sensores, etiquetadores, o como medio para transportar medicamentos con diferentes moléculas quirales. Además, cada día se utilizan más nanoestructuras para separar o sintetizar los componentes izquierdos y derechos de diferentes sustancias quirales en procesos llamados de selectividad enantiomérica. Las diversas nanoestructuras no sólo sirven para separar o sintetizar sustancias quirales, sino también para explotar sus propiedades que son fuertemente selectivas y así poder ensamblarlas, como ya se hace con nanoestructuras funcionalizadas con adn, o en la llamada catálisis asimétrica. La utilización de nanoestructuras para explotar las propiedades de las sustancias quirales no es algo fortuito, sino se debe al hecho de que las propias nanopartículas presentan el fenómeno de quiralidad, como los nanotubos y fulerenos, así como algunas nanopartículas metálicas o semiconductoras. Sin embargo, este fenómeno y sobre todo sus implicaciones, han sido muy poco estudiados a escala nanométrica, a pesar de su impacto en ciencia básica y aplicada. Sin duda, éste será un campo de investigación muy importante en nanociencia conforme vayan avanzando las aplicaciones en biotecnología y medicina.
En México existen varios grupos dedicados a realizar investigación científica en el tema de nanociencia y nanotecnología. Desde el año 2002 ha habido varias iniciativas para fomentar y organizar la investigación en este tema. La primera iniciativa fue de varios investigadores del Instituto de Física de la UNAM cuando se fundó en 2002 la Red de Grupos de Investigación en Nanociencia (Regina). Los objetivos de Regina son promover la colaboración multidisciplinaria para generar proyectos de investigación en nanociencia, optimizando el uso de recursos humanos y materiales, y organizar eventos académicos (seminarios, conferencias, cursos) para informar y difundir los avances de las investigaciones realizadas por los grupos de Regina. La información detallada de Regina-UNAM puede consultarse en la dirección de internet www.nano.unam.mx. Posteriormente, las autoridades de la UNAM crearon el Proyecto Universitario de Nanotecnología Ambiental (Punta) que comenzó en el 2005. Posteriormente, otras universidades, como la UAM y el IPN también organizaron redes institucionales, casi al mismo tiempo en que se creó la División de Nanociencia y Nanotecnología (Dinano) de la Sociedad Mexicana de Física. Finalmente en 2008, el Conacyt creó las redes temáticas, siendo una de ellas la de nanociencia y nanotecnología (http://www.nanored.org.mx/).
Han sido muchos los esfuerzos individuales, institucionales y gubernamentales que se han efectuado alrededor de la nanociencia y la nanotecnología en México, en donde se puede comprobar que varios centros y universidades que antes no cultivaban esta disciplina ahora lo hacen. Sin embargo, el carácter multidisciplinario de la nanociencia y la nanotecnología, cada vez más demandante en cada una de sus etapas, no se ha hecho patente en México, por lo que nos hemos quedado estancados en la primera etapa y poco hemos avanzado en la segunda y mucho menos en la tercera. Mas allá de la escasa inversión en ciencia, existen otras barreras que impiden a México ser líder en nanotecnología, a pesar de contar con grupos de investigadores altamente calificados en fabricación, caracterización y teoría de modelación de nanomateriales. Algunas de estas barreras son la falta de un liderazgo claro que identifique los principales