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Cambio Climático

Los nanotubos se ponen de moda

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Los tejidos cubiertos con una capa de nanotubos de carbono son capaces de crear sensores electrónicos con un aspecto y un tacto similar al del algodón convencional.

  • por Katherine Bourzac | traducido por Francisco Reyes (Opinno)
  • 27 Abril, 2009

La elegancia es tan importante en el diseño científico como lo es en el arte y en la arquitectura, y así lo cree el ingeniero químico Nicholas Kotov. Sentado en su austero despacho de la Universidad de Michigan, en Ann Arbor, nos muestra un trozo de tela de algodón negro; al peso y al tacto es similar a una camisa de vestir ligera y suave. Sin embargo, Kotov ha transformado la tela en un biosensor y en un conductor eléctrico simplemente empapándola dentro de una solución de nanotubos de carbono, anticuerpos y un polímero.

Los nanotubos de carbono individuales y bien formados son altamente conductores, lo que hace que resulten muy prometedores para su aplicación como electrodos de batería y microprocesadores. Si anclamos moléculas a su superficie, tales como anticuerpos, dichas moléculas pueden convertirse en detectores químicos de gran sensibilidad: cuando un anticuerpo de une a su objetivo, las propiedades eléctricas del nanotubo se alteran de forma tangible. No obstante, los nanotubos tienen a agruparse, lo que impide que funcionen a nivel individual. Según Kotov, esto provoca que sus propiedades electrónicas acaben por degradarse.

Hay varias formas de solucionar este problema: los nanotubos se pueden colocar uno a uno, de forma laboriosa, utilizando unos métodos que llevan días de proceso en soluciones seguidos de fotolitografía, o los tubos se pueden rociar sobre una superficie plana en capas alternas con un polímero conductor, que evita que se agrupen. Sin embargo Kotov descubrió que este tipo de ensamblaje por capas se puede simplificar aún más para una superficie compleja en tres dimensiones como por ejemplo un hilo de algodón: la maraña de fibras actúa como una plantilla estructural que le permite simplemente empapar en hilo en una solución que contiene tanto el polímero como los tubos. Los nanotubos, pegados al hilo por el polímero, forman una red con buenas propiedades eléctricas, con los tubos montados unos encima de otros pero con una buena distancia entre ellos.

Este método da como resultado una alternativa más elegante, potente y mucho más fácil de llevar puesta que las telas inteligentes que incorporan fibras ópticas gruesas o pesadas, así como cables metálicos propensos a la corrosión. Aunque Kotov está explorando una serie de aplicaciones distintas para estos textiles, según él la más importante sería su utilización como biosensores que ayudaran a mantener la seguridad de la gente. Se podrían usar para detectar pérdidas de sangre en soldados que se encontraran de patrulla en zonas remotas, o para detectar agentes alergénicos o patógenos en el aire como la gripe. Y los hilos son lo suficientemente baratos y sensibles como para que pudieran ser utilizados en fábricas o tiendas, o incluso en casa—por ejemplo, para detectar toxinas en un lote dudoso de manteca de cacahuete.

Un baño rápido
En el laboratorio de Kotov, el estudiante graduado Jian Zhu mezcla un grupo de nanotubos de una sola pared, y actualmente disponibles en el mercado, con un polímero llamado Nafion. Estos dos elementos los mezcla en etanol, lo que hace que no se peguen. El Nafion pega los nanotubos al algodón, pero no se queda ahí. El Nafion, una molécula larga y conductora que se compone básicamente de carbono, actúa como un pequeño muelle, permitiendo que cada nanotubo tenga una cierta independencia. Esta propiedad mecánica, que resulta crítica para los biosensores, también permite que el algodón mantenga su suavidad y elasticidad: lo último que querríamos sería ponernos una camisa recubierta de epoxina endurecida.

Zhu corta un trozo normal de hilo de algodón y usa un par de pinzas para sumergirlo en una solución del color de la tinta negra. Después de dejar que repose ahí durante un par de minutos, repesca el hilo y usa un clip para colgarlo dentro de una cubierta de laboratorio, un proceso que se puede acortar a sólo unos minutos si usamos un secador de pelo. Kotov ha descubierto que la resistencia eléctrica del hilo se optimiza una vez que se pone en remojo alrededor de 10 veces.

En la oficina de estudiantes del grupo, Zhu hace una demostración de las propiedades electrónicas de un hilo de nanotubos, cuyo aspecto no se diferencia de un trozo de algodón negro normal. Utilizando una soldadura corriente, lo une a los contactos eléctricos de un diodo blanco emisor de luz, y después coloca las puntas del hilo a través de los extremos negativo y positivo de una fuente de energía. Después aumenta la electricidad hasta tres voltios, y la luz comienza a brillar.

Una simple suma
Esta pequeña luz no impresiona mucho al principio. Sin embargo, tres voltios es una energía suficiente como para que los hilos lleven a cabo sus funciones como biosensores. Kotov es capaz de transformar las telas de nanotubos en sensores simplemente aplicándoles anticuerpos en el momento de la solución inicial en etanol. Puesto que los anticuerpos son sensibles al calor, los investigadores dejan que el material se seque al aire en vez de usar un secador; por lo demás, el proceso es el mismo. La inclusión de los anticuerpos hace que la resistencia de la fibra varíe según la concentración de la molécula que el anticuerpo tenga como objetivo. Zhu toma un hilo que ha sido tratado con una solución que contenía el anticuerpo de la versión humana de la albúmina, una proteína de la sangre, y lo conecta a un multímetro, que suministra un voltaje continuo al hilo y le permite observar cómo varía su resistencia. Al mojar la fibra en una solución diluída de sangre, la resistencia del hilo baja de 60 kilo-omnios a 20.

Cuando el algodón se empapa en una solución de nanotubos, Nafion y anticuerpos, dichos anticuerpos acaban siendo físicamente atrapados entre las intersecciones de las redes de nanotubos. Cuando las moléculas de sangre se adhieren a los hilos de las telas, estos anticuerpos se unen a la albúmina del plasma. El complejo anticuerpo-albúmina, que resulta muy soluble en agua, se desprende de los nanotubos, permitiendo que se unan más entre ellos. Dado que la corriente viaja entre los nanotubos mediante un tipo de “tunelaje cuántico,” esencialmente saltando de tubo en tubo, un pequeño cambio en la distancia entre ellos “puede provocar grandes cambios en la resistencia,” explica Kotov. Este descenso en la resistencia que se obtiene cuando los anticuerpos se desprenden del hilo es una forma más fiable de medir la concentración de albúmina que un descenso en la conductividad. Un descenso en la conductividad puede ser provocado por la suciedad o por otros contaminantes, pero un descenso en la resistencia es un signo de algo inequívoco: albúmina y, por tanto, sangre derramada. Si se conecta a un PDA que sea capaz de interpretar e incluso de transmitir estos resultados, la ropa que se fabricase a partir de este tipo de hilos podría “generar una señal que avise de que estás en peligro si, por ejemplo, pierdes la consciencia,” señala Kotov.

El uso de anticuerpos también hace que este mecanismo de detección sea muy específico: cuando la tela se expone a sangre bovina, que contiene una forma ligeramente distinta de albúmina, su resistencia no cambia. Si este tipo de telas se tratan con anticuerpos contra otro tipo de proteínas, esto podría ayudar a los doctores a supervisar a los pacientes en los hospitales, y detectar infecciones o avisar a los asmáticos ante la presencia de agentes alergénicos, señala Kotov. Y el método es tan simple, sensible y potencialmente tan económico que es posible que este tipo de sensores de nanotubos basados en fibras incluso acaben reemplazando a los cada vez más extendidos detectores basados en chips a la hora de hacer pruebas de sangre para detectar signos de enfermedades como el cáncer.

Los sensores de Kotov, aunque son de fiar, no se pueden reutilizar: una vez que los anticuerpos de desprenden de los nanotubos, éstos acaban perdiéndose, con lo la tela no se puede volver a utilizar para detectar proteínas. Kotov señala que los tejidos deberían ser lo suficientemente económicos como para que se les pueda dar un solo uso. También está trabajando en el desarrollo de una versión reutilizable, cambiando las propiedades químicas para que los anticuerpos suelten a sus objetivos después de la detección y se mantengan en el tejido.

En la actualidad, Kotov trabaja en colaboración con Nico Technologies para desarrollar un tipo de prenda hecha a partir de estos tejidos y para un uso militar y civil no especificado.  Sin embargo, señala que estas prendas puede que incluyan un tipo distinto de cubierta de hilos, y que cada uno de dichos hilos podría haber sido tratado para una función distinta. “Sólo se necesita un único hilo [tratado con nanotubos] en la prenda,” señala, “y eso es suficiente para contar con todos los avances fundamentales de la nanotecnología.”

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