Top-Down y Bottom-Up

Nanotecnología II

Para completar lo explicado en nanotecnología I, me propuse armar una segunda parte de este tema tan novedoso y emergente. Este nuevo artículo tiene como objetivo ahondar un poco más en las técnicas de fabricación de las nanopartículas.

Espero que les resulte interesante para entender un poco más las novedades de la ciencia de los últimos tiempos.

Nanotecnología: nano-estructuras

Podemos definir a la Nanotecnología como el campo de la ciencia enfocado en el diseño, fabricación y aplicación de nanomateriales o nano-estructuras. 

Al reducir el tamaño, se modifican o aparecen nuevas propiedades físicas tales como una menor temperatura de fusión o un menor parámetro de red. Estas partículas de tamaños tan pequeños pueden tener efectos biológicos diversos. 

Por ejemplo, en nanomedicina, una droga transformada en nanopartícula, puede alcanzar los órganos diana con mayor eficiencia o, pueden “decorarse” con moléculas determinadas para que interactúen con componentes de las células.

Se han desarrollado tecnologías dedicadas a la obtención de nanomateriales o nanopartículas que utilizan diferentes estrategias que veremos a continuación. Hay muchas más, esto solo es un ejemplo de algunas. Si buscamos en la literatura vamos a encontrar un campo en plena expansión que abarca muchas áreas académicas e industriales. 

Veamos entonces dos enfoques de fabricación y las aplicaciones que tienen.

Nanotecnología Top-Down

La construcción de los nanomateriales mediante la técnica Top-Down, se realiza desde lo macroscópico hacia lo microscópico, basándose principalmente en métodos y materiales heredados de la industria microelectrónica (tecnología del Silicio). Generalmente la fabricación es abordada desde la ingeniería o física del sólido.

Para explicarlo de forma breve, se utiliza una lámina de silicio que se comercializa en forma de una oblea monocristalina. Estas obleas tienen un diámetro entre 10 y 30 cm y un espesor de aproximadamente 1 mm.

¿Qué utilidad tienen? 

En microelectrónica, el silicio se utiliza como material semiconductor, construyendo microcircuitos mediante técnicas de dopado, grabado químico y deposición de varios materiales. Una metodología para “tallar” o modificar este material es la Fotolitografía.

Durante este proceso, en cada paso, una cierta área del chip se enmascara utilizando una máscara óptica apropiada, de modo que el paso de procesamiento deseado pueda ser aplicado de manera selectiva a las regiones restantes.

Los pasos de procesamiento pueden ser: oxidación, grabación, deposición de metal, deposición de polisilicio, implantación de iones. Ahora tenemos una superficie modificada con circuitos integrados (Figura 1).

Figura 1. Ejemplos de micro y nanocircuitos.

Nanotecnología Bottom-Up

Con esta tecnología se sintetizan las nanopartículas, es decir, se ensamblan moléculas utilizando, generalmente, procedimientos químicos para su ensamblado. Posteriormente, se realiza un secado para obtener el material nanométrico.

Las fuerzas electromagnéticas de los átomos y de las moléculas originan y favorecen su autoensamblado. El proceso de síntesis debe ser controlado par evitar que las nanopartículas se aglutinen o agreguen y pierdan sus propiedades.

En comparación con las técnicas Top-Down; el método Bottom-Up (o construcción de abajo hacia arriba) puede controlar mejor el tamaño de las nanopartículas, su uniformidad y su forma, reduciendo la cantidad de impurezas (Figura 2).

Figura 2. Morfología de las nanopartículas.

Un ejemplo de esta tecnología que se utiliza actualmente en los laboratorios de investigación es el nanosecado por aspersión (Nano-Spray Drying). Esta técnica de fabricación de nanopartículas comienza con una solución en la que se disuelven homogéneamente las moléculas que se desea que interactúen. 

Esta solución, luego debe secarse con la intención de obtener partículas nanométricas. Para ello, el equipo consta de un calefactor que calienta el aire. El aire caliente seca a la muestra que luego pasa por una membrana que posee una serie de orificios del tamaño de 1µm. 

Esta membrana es un dispositivo piezoeléctrico que vibra a frecuencias ultrasónicas (80-140 kHz) expulsando así una gran cantidad de nanogotas de tamaño preciso a alta velocidad (Figura 3).

Figura 3. Esquema del nano secado por aspersión.

¿Cómo se ven y como se miden las nanopartículas?

Para ver y medir estas nanogotas se utilizan técnicas de microscopía como la microscopía electrónica de transmisión (Transmission Electron Microscopy, TEM) y microscopía electrónica de barrido (Scanning Electron Microscopy, SEM). 

Estas técnicas no sólo permiten ver la morfología de las nanopartículas sino que permiten medir el tamaño mediante la calibración del equipo. Esta calibración se logra mediante el uso de escalas conocidas o softwares que midan el radio, el diámetro y el perímetro de los nanomateriales (Figura 3). En la figura podemos ver una fotografía de SEM del virus COVID-19. Sí, ¡un virus es una Nanopartícula!.

Figura 3. Izquierda. Las líneas representan una escala de 100 nm. 500 nm es la medida del diámetro del virus. Derecha. Imagen con mayor aumento. Las líneas representan una escala de 100 nm. 200 nm es la medida de la corona de las nanopartículas. 

Existen equipos que no son visuales pero realizan cálculos estadísticos para dar un promedio de tamaño de las nanopartículas. Estos equipos son analizadores de partículas siendo uno de los más conocidos los llamados equipos DSL (Dynamic Light Scattering) o medida de la dispersión dinámica de la luz. 

La medida de la dispersión de luz dinámica es una técnica no invasiva y bien establecida para medir el tamaño y la distribución de tamaño de  nanopartículas, típicamente en la región submicrométrica, y con la tecnología más reciente, pueden llegar a medir partículas con tamaños inferiores a 1 nm (Figura 4).