Big Nano, el tamaño no lo es todo

29/08/2014 0 comentarios
Menear

Estos son mis dos mensajes de hoy. Primero: al hablar de nanopartículas, el tamaño efectivamente importa, pero no lo es todo. Segundo mensaje: las nanopartículas no son un invento del ser humano. Como casi siempre, la naturaleza va un paso por delante, es decir, las nanopartículas han estado siempre ahí.

 

El tamaño importa…

Una definición común de nanopartículas es la siguiente: objetos con tamaños entre 1 y 100 nm. Efectivamente, en la nanotecnología el tamaño importa, ya que las propiedades de la materia cambian de forma sorprendente. Como explicaré más tarde, al cambiar el tamaño podemos seleccionar, por ejemplo, el color de algunas nanopartículas. Pero hay aún más que eso. Les voy a poner tres ejemplos desde el fascinante campo de los coloides:

- Primero: cuando están dispersos en un fluído, los objetos muy pequeños se mueven más rápido que los más grandes. Imagínense diminutas nanopartículas “nadando” en nuestra sangre, ¡llegan extremadamente rápido a cualquier lugar!.

- Segundo: los objetos muy pequeños (especialmente las nanopartículas) tienen un superficie específica muy grande (ver figura). Para que me entiendan: si ustedes cogen un terrón de azúcar y lo pintan completamente con un pincel, necesitarán una cantidad determinada de pintura. Ahora bien, si ustedes cogen otro terrón exactamente igual al primero y lo muelen con un mortero de cocina, necesitarán una cantidad muchísimo mayor de pintura para colorear los trocitos resultantes (imagino que si alguien intentase esto de verdad  necesitaría un pincel muy fino y muchísima paciencia). Piensen ahora que las nanopartículas son mil veces más pequeñas que los granitos de azúcar, y que la pintura no es pintura sino residuos indeseables en el agua. ¿No se imaginan que podríamos purificar el agua de manera muy eficiente con nanopartículas? Pues así es, el hecho de que las nanopartículas tengan una superficie específica tan grande, las convierte en extremadamente interesantes para un buen número de aplicaciones tecnológicas, entre ellas el tratamiento y purificación del agua.

- Tercero: el hecho de que los objetos nanoscópicos sean tan pequeños, les permite pasar a través de barreras biológicas que, objetos de mayor tamaño de ninguna manera podrían traspasar. Ya se pueden imaginar que esto es deseable para muchas terapias en medicina. Por ejemplo, ya se ha demostrado que hay nanopartículas de oro que son capaces de traspasar la barrera hematoencefálica, algo necesario si se quiere, por ejemplo, llegar hasta un tumor cerebral inoperable.

  tamano nano.jpg

Rango de tamaños donde se encuentran las nanopartículas, según la definición clásica (arriba). Su pequeño tamaño hace que tengan unas áreas superficiales enormes (abajo, izquierda) y se muevan muy rápidamente, también a través de barreras biológicas naturales (abajo, derecha). Figura obra de GOG a partir de los artículos de Goesmann et al. y Orts-Gil et al.

pero el tamaño no lo es todo

La Comisión Europea publicó en 2011 una sugerencia que ocupa todo un párrafo para definir lo que es un nanomaterial. Pero, ¿por qué hace falta una definición tan compleja de nanomaterial si la definición de nanopartícula (1-100 nm) es tan sencilla? Pues porque, dejando aparte cuestiones de nomenclatura (como la diferencia entre nanopartícula y nanomaterial), el tamaño de las nanopartículas importa, pero no lo es todo. Me explico: las nanopartículas individuales pueden ser, efectivamente, muy pequeñas, pero esto no es necesariamente válido para el conjunto resultante de ellas. En otras palabras, las nanopartículas están, a veces, aglomeradas o agregadas (empaquetadas juntas), no son todas del mismo tamaño (son polidispersas), o son solo nanométricas en una dimensión (grafeno: un átomo de espesor pero de longitud muchísimo mayor).

Todo esto puede parecer algo complicado pero en el fondo no lo es. Sobre todo, si utilizamos una definición diferente para nanopartículas: objetos con propiedades modulables (ópticas, magnéticas, de conductividad eléctrica, etc.). Para que me entiendan mejor, voy a volver al ejemplo del oro. Efectivamente, podemos obtener nanopartículas de oro de diferentes colores si somos capaces de controlar su tamaño dentro de la escala nanométrica, pero también podemos conseguir lo mismo al sintetizarlas con formas diferentes (esférica, de estrella, de cilindro). Y esto es posible gracias a las fascinantes propiedades del nanomundo y las poco intuitivas leyes de la mecánica cuántica.

Pero es que, aparte del tamaño y de la forma, las propiedades de las nanopartículas pueden depender de muchos otros factores como: la carga superficial, la porosidad, pureza, etc. En el caso concreto de su uso para biomedicina, lo que también importa (y mucho) es el “abrigo de proteínas y sales” (también conocida como corona de proteínas) que se forma en su superficie, al entrar a la corriente sanguínea. Como dice mi colega Kenneth Dawson, las nanopartículas nunca están desnudas (“naked nanoparticles do not exist”). En otras palabras, lo que realmente les importa a las células, a la hora de interaccionar con las nanopartículas, es lo que “ven” encima de ellas.

Y así podría seguir. Pero lo que me gustaría, como ya dije al principio, es dar un mensaje claro: el tamaño no lo es todo.

 

estrella.jpgCambio en el color de suspensiones de oro a medida que cambia el tamaño de las partículas (izquierda, fuente Wikipedia). Nanoestrella de oro (centro, fuente Wikipedia y NIST). Vidriera de Notre-Dame (derecha, fuente Wikipedia). Los diferentes colores se deben a nanopartículas de oro. 

Las nanopartículas han estado siempre allí

Parece una tendencia muy humana pensar que, muchas de las cosas que ahora conocemos, no existían antes de que nosotros apareciéramos.  Con las nanopartículas podría pasar algo parecido, nos parece que es algo de lo más nuevo. La realidad es, sin embargo, otra bien distinta. Como me contaba Víctor Puntés hace poco en una entrevista, existen muchos tipos de nanopartículas diferentes, algunas de ellas (cosmogénicas, geogénicas, biogénicas) resultado de fenómenos naturales mucho más antiguos a la aparición del ser humano. En resumen, en el campo de las nanopartículas no hacemos más que inspirarnos, o simplemente tratar de imitar, a la naturaleza. Pero es que además, ¡las nanopartículas se encuentran por todas partes! De hecho, el ser humano ha estado produciéndolas desde hace milenios sin ser consciente de ello, como al encender una vela, donde se generan millones de nanodiamantes de carbono. Si quieren saber más sobre este apasionante tema les invito a leer la entrevista a Víctor Puntés, así como también el documento Nanoparticles Before Nanotechnology.

La gran diferencia (y este es el factor innovador) es que, desde hace relativamente poco, somos capaces de “ver” las nanopartículas (por ejemplo, con microscopía electrónica), así como de producirlas de forma intencionada y controlada. Al resultado de esto último se le llama nanopartículas de ingeniería y será el objeto de mi próximo post.

Nota: mis más sinceros agradecimientos para Miguel Ruiz Osés, del grupo de Scanning Probe Microscopy del Instituto Fritz Haber en Berlín, por las correcciones y comentarios.