Nanomateriales: el tamaño si importa

Hace más de 2400 años el filósofo griego Demócrito postuló la existencia de los átomos. Razonó que si partimos un objeto cualquiera en dos y una de las dos partes resultantes la dividimos a su vez en dos, y así de manera sucesiva, llegará un momento en que obtengamos un pedazo tan pequeño que no lo podamos dividir más. A este pedazo último lo llamó átomo, o indivisible en griego. Para Demócrito, todos los objetos estaban formados por átomos, agrupados en el vacío siguiendo un cierto patrón; además, las propiedades físicas y químicas del objeto eran determinadas tanto por el tipo de átomos que lo forman -su composición química- como por su ordenamiento. Si bien el procedimiento seguido por Demócrito para alcanzar sus conclusiones no se apega a los métodos de la Ciencia moderna, dichas conclusiones concuerdan sorprendentemente bien con nuestra visión actual de la materia. No por nada la imagen de Demócrito aparecía en billetes griegos hasta hace no mucho tiempo.

Hoy en día la existencia de los átomos es aceptada universalmente. Se sabe que los materiales están formados de átomos y que existe un número limitado de clases de estos –alrededor de cien, como nos lo enseña la Tabla Periódica que se estudia en los cursos de Química de la escuela preparatoria-. Sabemos también que, tanto la clase de átomos de que está formado un material como la manera en que se ordenan en el interior del mismo, determinan sus propiedades físicas y químicas.

Por otro lado, si bien Demócrito anticipó por más de dos mil años gran parte de nuestras ideas actuales sobre los materiales, hubo un aspecto que inevitablemente se le escapó. Este tiene que ver con un hecho sorprendente: las propiedades físicas de un material dependen no solamente de su composición química, sino también de su tamaño, si éste es lo suficientemente pequeño. Por ejemplo, una esfera de oro de 1 milímetro de diámetro tornaría su color amarillo característico a rojo rubí si su radio disminuyera unas 40,000 veces. Otras propiedades de los materiales como la maleabilidad y la conducción de electricidad muestran una dependencia similar con el tamaño.

Las propiedades de los materiales son sensibles al tamaño cuando este alcanza el rango de los nanómetros. Un nanómetro es un millonésimo de milímetro, una cantidad extremadamente pequeña. Para tener una idea, el diámetro de un cabello humano es aproximadamente 100,000 nanómetros, mientras la bacteria E. coli, causante de enfermedades intestinales, mide aproximadamente 1000 nanómetros y puede ser observada solamente a través de un microscopio. Las partículas con tamaños que se miden en nanómetros reciben el nombre de nanopartículas.

Existen aplicaciones de las nanopartículas desde tiempos remotos. Durante la edad media, los artesanos fabricantes de vitrales para iglesias aprendieron a colorear vidrio mezclándole cloruro de oro, lo que produce esferas de oro de tamaño nanométrico embebidas en vidrio, adquiriendo éste un color rojo rubí. Los vidrieros en esas épocas no entendían, por supuesto, como en detalle se coloreaba el vidrio. De hecho, fue hasta el Siglo XIX que Michael Faraday comprendió que el efecto estaba asociado al pequeño tamaño de las partículas de oro involucradas. Es, sin embargo, sólo hasta la época actual que se ha alcanzado una amplia comprensión sobre cómo el tamaño de un material afecta sus propiedades físicas y químicas, comprensión que ha contribuido a crear el campo de la Nanotecnología, que se ocupa de la fabricación y aplicación de objetos y materiales de dimensiones nanométricas.

El avance del conocimiento científico en el Siglo XX permitió el mejoramiento de las propiedades de algunos materiales naturales, e incluso el desarrollo de materiales artificiales no existentes en la naturaleza, algunos con propiedades novedosas. Un ejemplo de esto son las fibras sintéticas como el nailon, que sustituyeron a las fibras naturales en muchas aplicaciones. Otro ejemplo notable de material artificial es el silicio, que es la base de buena parte de la industria electrónica, en particular de las memorias y los microprocesadores para computadoras.

No obstante todo lo anterior, los avances tecnológicos del Siglo XX serán sin duda ampliamente superados por lo que se verá en el futuro. En la actualidad, los científicos e ingenieros tienen a su disposición toda una serie de nuevos nanomateriales para ser empleados en aplicaciones sorprendentes, tanto por su número como por su variedad. Entre estas aplicaciones, demostradas o potenciales, se incluyen: aprovechamiento de la energía solar, fabricación de nuevas clases de computadoras, terapia de pacientes cancerosos, fabricación de láseres, aceleración de reacciones químicas en la industria, fabricación de materiales ultra duros, entre muchas otras. Sin duda alguna, dadas las maravillas futuras que nos prometen los nanomateriales, podemos afirmar que, efectivamente, el tamaño si importa.