El CONICET y la Comisión de Investigaciones Científicas y un laboratorio platense trabajan con nanopartículas para combatir virus, bacterias y plagas

Las partículas de tamaño extremadamente pequeño tienen propiedades ópticas, magnéticas y eléctricas muy diferentes de las que muestran partículas de dimensiones micrométricas. Por ejemplo, las partículas de oro de dimensiones cercanas a los 10 nanómetros (un nanómetro equivale a una millonésima parte de 1 milímetro), presentan un color bordó al suspenderlas en agua, mientras que en las mismas condiciones las de plata poseen un color amarillento. Estas características contrastan con los típicos colores dorado y plateado de piezas de oro y plata de mayor tamaño, como es el caso de anillos, pulseras o collares.

Hace varios siglos, orfebres del imperio romano y posteriormente constructores medievales utilizaban compuestos que contenían nanopartículas de oro, plata y cobre, entre otros metales, para colorear los vidrios que se usaban en los ventanales de grandes construcciones como catedrales, monasterios y palacios, como así también en piezas decorativas (que aún están expuestas en museos actuales). La fabricación de estos vidrios era un secreto muy bien guardado que pasaba de generación en generación.

Hacia fines del siglo XIX, el investigador inglés Michael Faraday observó que las suspensiones de partículas muy finas de oro poseían diversos colores según el tamaño del granulado. En 1908 el científico alemán Gustav Mie explicó teóricamente el principio que gobernaba el comportamiento de las partículas cuando eran iluminadas. En particular, logró interpretar los diferentes colores tan atractivos que observó Faraday un tiempo antes, cuando se trabajaba con nanopartículas metálicas de dimensiones de unos pocos nanómetros.

En las últimas décadas, la aparición de computadoras veloces facilitó la realización, en pocos minutos, de los cálculos matemáticos necesarios para estudiar teóricamente sus propiedades. El gran avance en las técnicas de síntesis químicas y físicas permitió fabricar nanopartículas de diferentes tamaños y propiedades.

INVESTIGACIONES EN LA PLATA¨

En el Centro de Investigaciones Ópticas (CIOp, que depende de la CIC, del CONICET y de la UNLP) trabaja un grupo de Plasmónica, conformado por investigadores y tesistas doctorales liderados por la doctora Lucía Scafardi y el Dr. Daniel C. Schinca.

El grupo estudia la síntesis y propiedades de nanopartículas de plata, cobre, hierro, níquel, aluminio, cadmio y cinc, entre otros metales. Para obtenerlas, se sumerge un disco del material a estudiar en un recipiente con agua de muy alta pureza u otro tipo de solvente. Al hacer incidir un láser de pulsos ultracortos sobre el material, se genera un plasma dentro del líquido. El plasma está constituido por átomos e iones que comienzan a chocar y a unirse entre sí, formando nano estructuras esféricas cuyas dimensiones son de algunas millonésimas de milímetro, alrededor de la zona de impacto.

“Al cabo de unos 15 minutos de ablación de un disco de plata, el líquido se torna de un color amarillento por el incremento de nanopartículas en solución. El color varía según el tipo, tamaño y cantidad de nanomaterial obtenido por ablación. Estos colores se relacionan con la absorción en el espectro visible que presentan estas suspensiones. A partir de la medición de los máximos de absorción, es posible determinar el tamaño de las partículas generadas”, explica Scaffardi.

“El número de átomos que integra una nanopartícula varía, según el tamaño y el metal, pueden ser cientos, miles o decenas de miles”, explica Schinca. “Su tamaño puede regularse aproximadamente, ajustando las variables del experimento: la energía del láser, la duración del pulso, el medio en que se encuentra el material, el enfoque, etc. Se puede jugar con distintas variables para tratar de generar la mayor cantidad de partículas de tamaño semejante”. Añade que según los diversos metales utilizados y a partir de las medidas de absorción, es posible obtener información del tamaño, estructura y conformación de las partículas generadas (por ejemplo si son simples o si tienen una capa de óxido que las cubre). Los resultados obtenidos indican que, en general, se obtienen típicamente partículas de 3 ó 4 nanómetros de diámetro, llegando algunas hasta 15 nanómetros.

“La ablación láser tiene una gran ventaja respecto de otros métodos, como la de obtener las partículas directamente en agua, que es un medio biocompatible”, subraya Scafardi. “Buscamos caracterizar estas partículas para después incluirlas en diversos materiales, a fin de lograr distintos tipos de aplicaciones tecnológicas para la industria agrícola, textil y otras. Con el láser ablacionamos la muestra en una celda que contiene almidón disuelto en agua, que es biocompatible y puede ser incorporado en un film destinado a cobertura de alimentos. Las nanopartículas de plata quedan rodeadas por moléculas de almidón disuelto y por esta razón desarrollan tamaños y espesores de óxido estables”.

Los investigadores del CIOp añaden que las nanopartículas de plata tienen gran número de usos biológicos por sus propiedades antibacterianas, antivirósicas y antifúnguicas. Por ello podrían emplearse en la industria de la pintura para generar ambientes limpios, en la industria agrícola a través de la inclusión en elementos usados para combatir plagas, etc.

Actualmente el grupo está estudiando la estabilidad a largo plazo de nanopartículas de plata con el fin de utilizarlas en la industria alimenticia. Encontraron que las nanopartículas fabricadas a partir de procesos químicos son menos estables que las obtenidas por ablación láser, probablemente por estar estas últimas recubiertas por una delgada capa de óxido. El ion oxígeno del óxido (O2) es el que permite atrapar virus o bacterias y así neutralizarlas. Se estima que el óxido puede liberar electrones al medio, desequilibrando la carga eléctrica del virus o de la bacteria, produciendo así su destrucción.

OBSERVACIÓN Y MEDICIÓN DE TAMAÑO DE LAS NANOPARTÍCULAS

Los investigadores del CIOp utilizan distintos métodos para la observación y medición de tamaño de las nanopartículas fabricadas por ablación láser en su laboratorio. Uno de los métodos de medición que desarrolló el grupo de Plasmónica del CIOp se denomina “Espectroscopía de extinción óptica” y permite determinar el tamaño de las nanoestructuras formadas. Con ello se orienta el tipo de sus aplicaciones, ya que las propiedades también dependen del tamaño.

Cuando un haz de luz incide sobre un recipiente con partículas en suspensión líquida, su intensidad disminuye a medida que lo atraviesa, ya que las partículas “desparraman” parte de la luz en otras direcciones (proceso de “scattering”) y también absorben parte de la misma. Estos dos procesos sumados producen la “extinción” del haz incidente. Esta extinción depende no solo del tamaño de las nanopartículas ,sino de su estructura y también del tipo de material ablacionado.

Un espectrofotómetro mide esta extinción en función de la longitud de onda (o color) del haz incidente. El equipo posee dos lámparas, una que emite luz en rango ultravioleta y la otra que emite en el espectro visible hasta el infrarrojo cercano. Cuando la solución coloidal es colocada en una celda para su análisis con el espectrofotómetro, la intensidad del haz transmitido presenta un máximo de absorción en ciertas longitudes de onda. La posición de este pico de absorción varía dependiendo del metal, pero también del entorno en que están las partículas y de su tamaño. Además, si las partículas están recubiertas por una capa de óxido, el pico se corre de posición. Se puede entonces evaluar el tamaño del núcleo y cuál es el espesor de la capa que recubre la partícula.

Después de obtener estas curvas de extinción los investigadores pasan a la etapa de “ajuste” del espectro experimental en base a algoritmos teóricos que tienen como parámetro de ajuste el diámetro de las nanoestructuras. Se desarrollaron métodos en los que se colocan el radio de la partícula y el espesor del óxido como incógnitas y los varían hasta obtener el espectro teórico que mejor coincida con el experimental. Al obtener el mejor ajuste se determina la cantidad de partículas peladas, la cantidad de las que tienen núcleo y capa de óxido y también se calcula aproximadamente el espesor de esas partículas. Con estos datos determinan cuál es el tamaño de esas partículas y si son, o no, estables.

Para complementar estos resultados, el grupo del CIOp utiliza los métodos tradicionales de observación de nanopartículas, dentro de los que se encuentra el de “microscopía electrónica de transmisión” (TEM por sus siglas en inglés). El TEM permite observar directamente las nanopartículas cuando una muestra apropiadamente diluida es previamente depositada y secada en una grilla especial. Esta técnica permite ver la forma de las partículas y realizar una estadística para medir su tamaño. En este sentido el grupo del CIOp trabaja en colaboración con grupos de microscopía electrónica del país (Y-TEC) y del exterior (de la Universidad de Campinas, Brasil.

Otro método de observación es el de “microscopía de fuerza atómica” (AFM por su sigla en inglés), que se realiza a través de una colaboración con la Dra. Marcela Fernández van Raap, del Instituto de Física La Plata (IFLP), de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNLP. Con este equipo se mide la fuerza de atracción que existe entre los átomos de una muestra diluida, depositada sobre la superficie de una mica, y una punta metálica muy delgada que ejecuta barridos horizontales sobre áreas determinadas de la muestra. La variación de dicha fuerza de atracción produce una deflexión en la punta, que es monitoreada por circuitos opto-electrónicos específicos. De este modo se obtiene la morfología de las partículas y se determina su tamaño. Esto permite medir cientos de partículas y hacer una estadística confiable de sus características.

LOS COLORES DE LAS NANOPARTÍCULAS

¿Por qué los materiales cambian de color cuando tienen dimensiones nanométricas? Los investigadores explican que las nanopartículas de plata absorben radiación incidente con longitudes de onda que están en la región del espectro de los 400 nanómetros, que corresponde a la zona del violeta – azul. Al quitar por absorción esas radiaciones, la suspensión de partículas transmite radiaciones visibles que están en la zona del amarillo. Con el oro sucede algo semejante, pero su pico de absorción está en la zona del verde, con longitudes de onda entre los 520 a los 550 nanómetros. Entonces, al desaparecer el verde, predomina el rojo en la radiación visible.

En el laboratorio también se fabricaron, por ablación láser, nanopartículas de hierro. Sus picos de absorción están en la región del ultravioleta y la radiación en el espectro visible se transmite toda. La coloración del líquido está afectada sólo por el granulado del material suspendido en él, que le da un color grisáceo. Por otra parte, aún con sus dimensiones tan pequeñas las nanopartículas tienen un comportamiento magnético, ya que responden a los campos magnéticos externos (son atraídas por un imán colocado en las proximidades de la celda que contiene la muestra). Estas propiedades son estudiadas por otros grupos para ser utilizadas en estudios médicos, recubriendo las partículas con un material bio-compatible y usándolas como material de contraste para resonancias magnéticas.

El grupo de Plasmónica del CIOp está conformado además por la Dra. Jesica M.J. Santillán (investigadora CONICET), la Dra. Valeria B. Arce (investigadora CIC), Ing. Luis J. Mendoza Herrera (becario doctoral CONICET), Físico David Muñetón Arboleda (becario doctoral CONICET), Lic. Jesica Kobashigawa (becaria doctoral CONICET), Dr. Ignacio Bruvera (becario postdoctoral CONICET) y Dr. Héctor García (Becario postdoctoral CONICET).

El grupo mantiene colaboraciones profesionales con otros grupos del país: IFAS (Tandil), Universidad Nacional de Quilmes, IFLP (La Plata), y del exterior, como la Universidad de Salamanca (España) y la Universidad de Pádova (Italia), entre otros .

Fuente: Irene Maier (Divulgadora de la Dirección de Comunicación Científica de la CIC) /Info Blanco sobre Negro

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