En 1886, el químico británico A.J. Brown descubrió que no solo las plantas producen celulosa: ciertas bacterias también son capaces de generar este compuesto que cuenta con múltiples aplicaciones, como la fabricación de papel. Con ojos de hoy, podemos decir que aquel descubrimiento no solo reveló una nueva fuente para la obtención de celulosa, sino que anticipó el hito de que los seres vivos pueden fabricar nanomateriales.
La celulosa bacteriana posee fibras nanométricas: es decir, al menos una de sus dimensiones ocupa entre 1 y 100 nanómetros. Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, lo que significa que la diferencia de escala entre el grosor de una de estas fibras y una célula es la misma que la de una célula y una pelota de tenis.
La revolución de los nanomateriales
En las últimas décadas, los nanomateriales han adquirido un gran interés en la investigación científica porque su tamaño ofrece nuevas propiedades y mejoras en comparación con materiales de la misma composición, pero de escala mayor. La nanocelulosa, por ejemplo, combina las propiedades inherentes de la celulosa, como su resistencia o su biocompatibilidad, con características únicas que surgen de sus dimensiones a nanoescala, como una mayor porosidad y capacidad de retención de agua. Esto hace que se utilice en el tratamiento de quemaduras o como soporte de catalizadores.
Seguramente el nanomaterial más conocido es el grafeno, una lámina casi transparente de solo un átomo de carbono de espesor que es unas 200 veces más resistente que el acero y que ofrece propiedades eléctricas y mecánicas sin precedentes. Su descubrimiento, por el que Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Nobel de Física en 2010, dio pie a una auténtica revolución en la investigación sobre nanomateriales.
El tamaño importa
Los puntos cuánticos, pequeñas partículas con una gran fluorescencia que se utilizan en LEDs y en televisores de alta calidad y bajo consumo, son otro ejemplo de nanomaterial con múltiples aplicaciones.
Las mejoras o nuevas funcionalidades de los nanomateriales se deben principalmente a dos razones: el aumento del área superficial y los efectos cuánticos.
A medida que reducimos el tamaño de un material, el área superficial aumenta exponencialmente, lo que incrementa los átomos expuestos y afecta a la interacción del material con otras sustancias y a sus propiedades mecánicas. Una forma de visualizar esta propiedad es pensar que la misma cantidad de azúcar tarda más en disolverse si la añadimos al café en forma de terrón que si lo hacemos en granos sueltos. Si fuésemos capaces de dividir esa cantidad en fragmentos nanométricos, el área superficial del azúcar expuesto al café sería equivalente a un campo de fútbol y la disolución sería aun más rápida.
Los efectos cuánticos son más complejos y explican la interacción de los nanomateriales con la electricidad, los campos magnéticos o la luz. En materiales convencionales, los comportamientos cuánticos se promedian y se disipan entre millones de átomos, pero en nanomateriales, formados por pocos átomos, tienen un impacto importante, lo que da lugar a nuevas o mejores propiedades. Estos efectos cuánticos pueden tener consecuencias sobre el color de los nanomateriales, como sucede con las nanopartículas de oro, o aumentar drásticamente su conductividad eléctrica y térmica, como ocurre con el grafeno.
Aprovechar las herramientas de la naturaleza
Un ser vivo produce un nanomaterial mediante el proceso de bionanofabricación. Además de las bacterias productoras de celulosa, un ejemplo fascinante son las bacterias magnetotácticas, que generan imanes nanométricos en su interior para orientarse.
Estos organismos que viven en lodo transforman iones de hierro en nanopartículas de magnetita de manera controlada, en condiciones mucho más suaves que las necesarias en un laboratorio. Cuando se descubrieron en la década de 1970 no se pensó que pudieran tener utilidad, pero en la actualidad se está estudiando su uso en tratamientos contra el cáncer basados en hipertermia magnética. Este es un tratamiento que utiliza nanopartículas magnéticas, que absorben energía de los campos magnéticos y la convierten en calor, para hacer subir la temperatura de los tumores y combatirlos.
La bionanofabricación también puede surgir de forma forzada al exponer seres vivos a distintas sustancias químicas. Por ejemplo, si ponemos en contacto iones metálicos con ciertas bacterias, hongos o plantas, estos organismos oxidarán los iones para defenderse y darán lugar a nanopartículas metálicas con aplicaciones en el tratamiento de enfermedades, la fabricación de dispositivos electrónicos y recubrimientos antibacterianos. Seleccionando el organismo o las condiciones de temperatura, concentración o pH, podemos controlar esta transformación para conseguir la forma o el tamaño de nanopartículas que nos interese.
Otro tipo de bionanofabricación es el uso de nanomateriales para mejorar lo que la naturaleza ya prepara. Esto se ha probado en el caso de la seda: según los nanomateriales que añadamos a la dieta de los gusanos que la producen, podremos obtener una seda más resistente, conductora o incluso fluorescente.
Al aprovechar las herramientas de la naturaleza, la bionanofabricación permite controlar mejor las dimensiones de los nanomateriales y reducir los costos, el impacto medioambiental y los riesgos en su fabricación. Y también nos demuestra que la naturaleza ya lo había hecho antes.
Víctor Calvo Peña es investigador en el Instituto de Carboquímica del CSIC.
