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Los materiales avanzados son omnipresentes y juegan un papel central en nuestras vidas: incorporados como componentes o productos nos permiten llevar una vida mejor, más cómoda y más segura. Quizás no hay mejor ejemplo de esto que los teléfonos inteligentes, o smart phones, que utilizamos todo el tiempo y nos permiten hacer muchas cosas con facilidad: desde fotografías, videos y audios hasta mensajes, juegos y la posibilidad de compartir todo esto en internet y redes sociales. Esto es posible gracias a los materiales avanzados que permiten la operación de transistores, cámaras, baterías, pantallas táctiles, etc. La investigación científica en materiales avanzados cobra una mayor relevancia ante la actual pandemia mundial del coronavirus (COVID-19), donde se hace evidente la necesidad de contar con nuevos y mejores materiales para inhibir al virus en diferentes superficies, proporcionar mejores materiales de seguridad en trajes y equipo sanitario de protección, desarrollar sistemas de prueba y diagnóstico que sean portátiles y puedan ser usados en el punto de atención.
A lo largo de estos 20 años de actividades en el IPICYT, los académicos de la División de Materiales Avanzados (DMAv), en conjunto con nuestros estudiantes de posgrado y las demás Divisiones de investigación del IPICYT, trabajamos en el entendimiento y desarrollo de materiales magnéticos, nanoestructurados, moleculares a base de carbono, metales, polímeros, cerámicos orgánicos y biológicos, de importancia para la industria (automotriz, aeroespacial y de construcción), el medio ambiente, la salud, la energía y las telecomunicaciones.
¿Qué es la Nanotecnología?
Dr. José Luis Rodríguez López
La nanotecnología es un nuevo enfoque en la investigación de la Ciencia de Materiales, centrado en la comprensión y el dominio de las propiedades de la materia a escala nanométrica. Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, y es la unidad de medida de átomos y moléculas. En esta escala, la materia ofrece propiedades diferentes y sorprendentes. Ahí, las fronteras entre las disciplinas científicas y técnicas establecidas a menudo se difuminan.
Las principales características de la nanotecnología son: i) Es multidisciplinaria; los problemas que intentamos resolver son tan complejos que es necesario trabajar en equipos científicos de diferentes disciplinas: físicos, químicos, médicos, biólogos, matemáticos, ingenieros, etc. ii) Los objetos de estudio son a escala nanoscópica y molecular, con una jerarquía entre ellos. Esto quiere decir que son ensambles de nanoestructuras con diferente grado de complejidad. iii) El diseño y construcción racional de los materiales y dispositivos se hace desde la perspectiva de cómo trabaja la naturaleza. Es decir, pretende imitar cómo se forman y trabajan los objetos naturales a escalas nano y micro, tales como las moléculas, agregados atómicos, células, etc. Para lograr esto, utiliza las leyes y principios de las ciencias que la definen, como las leyes fundamentales de la mecánica cuántica, la química, la biología, etc. iv) Es potencialmente revolucionaria por sus efectos en los métodos de producción y sus aplicaciones. Es una tecnología que ofrece soluciones a muchos problemas actuales mediante nuevos materiales, componentes y sistemas más pequeños, más ligeros y más rápidos. v) Las investigaciones en nanotecnología son prácticas y pretenden resolver problemas de interés global.
Detengámonos para analizar este último punto que engloba a todos los demás. Cuando sintetizamos un nanomaterial en el laboratorio con alguna propiedad óptica, electrónica o magnética específica (hablamos de la jerarquía y el diseño racional de nanoestructuras y el biomimetismo), podemos colaborar con científicos en diversas áreas y recubrir las nanoestructuras con alguna molécula que las haga biocompatibles. Esto puede ser aplicado a un problema de salud como el tratamiento del cáncer. El trabajo realizado conjuntamente por médicos, químicos, físicos e ingenieros es multidisciplinario y tiene como propósito la búsqueda de soluciones a problemas de importancia social y tecnológica.
Ahora bien, la nanotecnología ¿es una evolución o una revolución? De manera muy general, la principal función de la tecnología es transformar el entorno humano, tanto natural como social, para adaptarlo mejor a las necesidades y deseos de la sociedad, usando en este proceso recursos naturales y personas que proveen la información, mano de obra y mercado para las actividades tecnológicas. Por estas propiedades y las tendencias en investigación que ha generado, concluimos que la nanotecnología presenta las características de ser tanto una evolución como una revolución en la ciencia de materiales, pues impulsa evolución en la tecnología y la forma de hacer la misma.
En casa por la nanotecnología
natural: el caso del virus SARS-CoV-2
Dr. Braulio Gutiérrez Medina
Una parte de las investigaciones que realizamos en la División de Materiales Avanzados del IPICYT tiene como objetivo explorar el mundo biológico en la escala molecular. Para comprender en qué consiste esta labor consideremos un ejemplo que ahora ya nos es familiar: el virus SARS-CoV-2, causante de la enfermedad COVID-19.
En la ilustración que acompaña a este texto se muestra un coronavirus durante el proceso de infección, justo en el área de los pulmones. El objeto de aspecto circular es el virus, que en su superficie tiene una serie de proteínas arregladas en forma de una corona –de ahí el nombre de coronavirus. Las partículas de forma variada que rodean al virus son moléculas que se producen en nuestro organismo y que constituyen una barrera protectora para nuestras células. Aunque es un dibujo, es importante señalar que está hecho en la escala espacial correcta: el virus es una “bolsita” que mide cien nanómetros de diámetro, compuesta de varias proteínas y rodeada de un medio complejo al interior de los pulmones. Para darnos cuenta de la escala, el ancho de un cabello humano es unas quinientas veces más grande que el virus; otra forma de verlo es la siguiente: si imaginamos al virus como un balón de fútbol, el ancho de un cabello sería equivalente al largo de la cancha de juego.
Si los virus son tan pequeños, ¿Cómo sabemos cuál es su forma, su composición y su estructura? Una herramienta poderosa que responde algunas de estas inquietudes es el microscopio electrónico. Con un microscopio de luz (como el que usamos en la secundaria o preparatoria) se pueden distinguir células, pero no virus. En cambio, el microscopio electrónico sí es capaz de informarnos cuál es la estructura y la forma del coronavirus. Con esta información es posible elaborar modelos como el que se muestra en el dibujo.
En la División de Materiales Avanzados contamos con estas herramientas. Nuestros estudiantes de posgrado e investigadores aplican estos métodos para conocer más acerca de las propiedades físicas y químicas del mundo biológico en las escalas más pequeñas. Por “propiedades físicas y químicas” queremos decir cómo responden las células y las moléculas cuando las exponemos a luz, a estímulos magnéticos o eléctricos, a tensión mecánica, a la acción de sustancias contaminantes, etc. Asimismo, estudiamos cómo funcionan las máquinas biológicas que están al interior de nuestras células y diseñamos nuevos materiales que pueden reconocer cierto tipo de célula o material biológico. La importancia de estos avances radica en que nos permiten descubrir en qué consisten los materiales de la vida, lo cual tiene potenciales aplicaciones con fines biomédicos.
Invitamos a estudiantes y público en general a acercarse a la División de Materiales Avanzados del IPICYT, en donde podrán asomarse a una ventana de descubrimiento y desarrollo en ciencia y tecnología.
Dr. Armando Encinas Oropesa es Jefe de la División de Materiales Avanzados del IPICYT, correo: armando.encinas@ipicyt.edu.mx
Dr. Braulio Gutiérrez Medina es Coordinador Académico e investigador de la División de Materiales Avanzados, correo: bgutierrez@ipicyt.edu.mx
Dr. José Luis Rodríguez López es Investigador de Titular C de la División de Materiales Avanzados, correo: jlrdz@ipicyt.edu.mx
Informes: comunicacion@ipicyt.edu.mx