CIENCIA y ARTE: FERROFLUIDOS

Un ferrofluido es un líquido que se polariza en presencia de un campo magnético. Se componen de nanopartículas ferromagnéticas (magnetita, hematita) suspendidas en un fluido portador, que puede ser un solvente orgánico o simplemente agua. Para lograr la fluidez de las nanopartículas, estas deben de estar recubiertas de un surfactante (tensioactivo) que impida su aglomeración debido a la tensión superficial. Los ferrofluidos no mantienen su magnetización en ausencia de un campo externo. Son difíciles de conseguir, pues se necesita elevadas temperaturas y levitación electromagnética.



Sus aplicaciones son muy diversas, desde la refrigeración de altavoces de gran potencia, pasando por el sellado de las flechas giratorias de los discos duros, o su aplicación medica como agente contrastante para la detección del cáncer en las resonancias magnéticas. También son utilizados en la pintura absorbente de ondas de radio en los bombarderos invisibles de los Estados Unidos.

Creación de un ferrofluido, en la parte inferior encontramos
el imán que crea el campo magnético.

Aunque también sirve para realizar bellas composiciones artísticas que fluctúan con los cambios del campo magnético, como las que nos presenta a continuación Shawn Knol:

Ferrofluid from Shawn Knol on Vimeo.

NANOMATERIALES: BIOCERÁMICAS

La manipulación de la materia a escalas nanométricas no solo se utiliza para la construcción de nuevos materiales en el sector industrial, el sector de la salud se podría beneficiar de los nanomateriales de manera especial.

Reconstruir un tejido óseo es ahora posible gracias a los biomateriales. Al principio se utilizaban para sustituir al tejido dañado; ahora se ha cambiado el enfoque y se buscan materiales bioactivos y biodegradables que ayuden a la regeneración de los propios tejidos dentro del organismo. Las biocerámicas están contribuyendo a ese nuevo enfoque del tratamiento.

Conforme la esperanza de vida de la población aumenta, se hace cada vez más necesario hallar un modo de reemplazar tejidos dañados de nuestro cuerpo tales como dientes, huesos, piel, riñones, hígado, etc. El problema que presenta cualquier material artificial que utilicemos en implantes es que, tiene que ser biológicamente compatible con el cuerpo humano, además debe de ser duradero y no permitir las infecciones. Uno de los campos con mayor demanda de las biocerámicas es el de las prótesis para sustituir huesos dañados. Las biocerámicas están resultando un éxito en este campo por tres factores:

Los implantes artificiales comunes suelen traer problemas secundarios. En los implantes de prótesis articulares de cadera comunes, existe hasta un 4% de infecciones óseas, y hasta un 45% en el caso de los clavos que se utilizan en fijadores externos. Las infecciones óseas resultan especialmente difíciles de tratar cuando se presentan, pues hay que encontrar el modo de acceder a la zona de hueso infectado para suministrar el antibiótico adecuado. Si el propio implante lo llevará agregado sería una ventaja añadida. La posibilidad de incorporar fármacos a los biomateriales del implante supondrían una gran ayuda en cirugía. Las biocerámicas permiten ese pequeño milagro al incorporar estructuras porosas y de elevada superficie. Esto permite la incorporación de antibióticos, antiinflamatorios, anticancerígenos, directamente en la zona a tratar. El siguiente paso es adecuar el tamaño de los poros para que la liberación del fármaco se gradual y controlada. En general las moléculas activas de los fármacos presentan un tamaño del orden del nanómetro, por lo que cualquier poro de mayores dimensiones resultará adecuado para su liberación. Pero para la adsorción y posterior liberación de los fármacos no basta con diseñar la porosidad, también hay que controlar factores como la solubilidad del fármaco, con el fin de ajustar la cinética en la liberación del fármaco.

La segunda gran ventaja de los nuevos compuestos biocerámicos es que se pueden cargar con sustancias que tengan efectos regenerativos, de tal modo que ayuden a regenerar los tejidos in situ, sin la necesidad de intervenciones quirúrgicas invasivas. En ese sentido los biomateriales porosos fabricados con fosfato de calcio, vidrios o vitrocerámicas, actuarían a modo de vectores para la inyección de hormonas, factores de crecimiento, péptidos o ácidos nucleícos sobre las zonas dañadas.

Las biocerámicas también pueden resultar muy útiles para la nanomedicina del tratamiento del cáncer. La liberación de fármacos de forma inteligente (pequeñas dosis en los tejidos objetivo) puede eliminar muchos de los efectos secundarios en los actuales tratamientos del cáncer. Se trataría de inocular biocerámicas cargadas de fármacos que los liberarían solo en la zona deseada tras aplicar un estímulo externo, como un cambio de calor, pH, luz o tras la aplicación de un campo magnético.

GRAFENO

Descubierto en la década de 1930, no se le bautizó con el nombre de “grafeno” hasta 1994. El estudio detallado de su estructura y sorprendentes propiedades por Andre Geim y Konstantine Novoselov les valió el premio Nobel de Física en 2010.

El grafeno no es más que una de las estructuras alotrópicas del carbono, que presenta un teselado hexagonal plano. Su aspecto recuerda vagamente el de la superficie de un panal de abejas. Algunos elementos químicos, como es el caso del carbono, tienden a presentarse con características físicas diferentes que nos lleva a observarlo como grafito, diamante, grafeno o fullereno.

El grafito de nuestros lápices realmente está compuesto por monocapas de grafeno superpuestas. Pero esas capas individuales tienen unas propiedades que las hacen únicas: gran conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza, con una resistencia 200 veces superior al acero. Muy ligero y flexible, como la fibra de carbono.

En dispositivos electrónicos, consume menos electricidad que el silicio para una misma tarea y se calienta menos. Esto los convierte en los materiales ideales para los dispositivos electrónicos con circuitos integrados. IBM ha logrado fabricar transistores que operan a 300 GHz, esto es, 100 veces más rápidos que los transistores de silicio de su ordenador. El problema estriba en que el grafeno no tiene una banda de resistividad, no es capaz de dejar de conducir la corriente, a diferencia del silicio, lo que complica mucho su implantación generalizada en los circuitos integrados. Al ser un material conductor y transparente lo hace ideal para crear pantallas flexibles y delgadas de múltiples usos. Ya se está utilizando para la creación de nuevas pantallas OLEDs. Su facilidad para conducir la corriente eléctrica sin sobrecalentarse es lo que puede convertirlo en el elemento central de una nueva generación de baterías. (ver entrada ¡Revolución en Baterías!)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN:

Para hacer posible la comercialización a gran escala, se hace imprescindible un método de obtención económico. Para ello hay que concebir procedimientos industriales que permitan fabricar láminas grandes y uniformes de grafeno monocapa y sin impurezas. El caso es que, la producción de pequeñas cantidades de grafeno resulta sorprendentemente fácil, como afirma el Nobel Andre K. Geim. De hecho, todos producimos un poco de grafeno cada vez que deslizamos la punta del lápiz sobre una superficie de papel. La mina del lápiz esta compuesta por una apilación vertical de láminas de grafeno. El procedimiento de laboratorio para obtener grafeno era similar, simplemente se raspaba la superficie del grafito, y con un microscopio se examinaban los restos en busca de las muestras idóneas o se separaban las escamas con una cinta adhesiva.

Para mejorar el procedimiento de laboratorio, se utilizan ultrasonidos para fragmentar el grafeno en capas individuales que se dispersan en un líquido. Posteriormente la suspensión se deseca sobre una superficie. El resultado es que obtenemos una película de láminas parcialmente superpuestas de cristales de grafeno. Al no darse una separación completa de las láminas con este procedimiento, se desconoce todavía si los efectos de borde de cada uno de los copos alterarán las propiedades fundamentales.

La exfoliación química podría lograr muestras de mayor tamaño. Se ha comprobado la solubilidad del grafeno en ciertos disolventes orgánicos. Una vez retirado el disolvente, la sustancia gris que se obtiene es grafeno puro. La empresa Graphene Solutions, confía poder convertir ese grafeno en láminas uniformes y monocristalinas para su comercialización.

Técnicas alternativas de exfoliación química, han demostrado que si se añada ácido a uno solución acuosa de grafito, se obtiene un óxido de grafito que puede emplearse posteriormente para obtener grafeno. Los copos de óxido suspendidos en líquido se depositan por decantación en un sustrato, donde terminan formando una película. Aumentando la temperatura y añadiendo otros compuestos, se elimina el oxígeno obteniéndose grafeno puro.

Uno de los métodos que está logrando superficies mayores de grafeno (muestras de 2 a 3 centímetros cuadrados) es el que se estudia en el Instituto de Tecnología de Masachusetts (MIT) entre otros centros. Se trata de la formación de grafeno mediante disposición química de vapor (DQV). Es un proceso que podría resultar idóneo para la fabricación de  microchips. El método DQV consiste en la creación de elementos volátiles que reaccionan y quedan depositados sobre un sustrato, formando un recubrimiento muy fino. Para lograr la volatilización se utiliza calor procedente de un horno tubular en el que se depositan sustratos con níquel que actúan a modo de catalizadores de la reacción. En un extremo del horno se hace fluir un hidrocarburo gaseoso, que al calentarse, se descompone. Los átomos de carbono terminan depositándose sobre la superficie de níquel formando las películas de grafeno. La calidad del grafeno obtenido depende directamente del sustrato de níquel. Si este es monocristalino (el más costoso) se consiguen los mejores resultados.

El equipo de investigación que logre el procedimiento idóneo para la obtención de grafeno en cantidades industriales se llevará el premio gordo. Por desgracia, ninguno de los equipos de investigación ha querido explicarnos con precisión cómo funcionan sus procedimientos, ¡serán desconfiados los tíos!