Grandes retos del siglo XXI

EFECTOS POTENCIALES EN LA SALUD Y EL AMBIENTE

Como en el desarrollo de toda tecnología emergente, aparecen en primer lugar los productos novedosos con implicaciones en muchos casos sorprendentes, y después viene el descubrimiento o predicción de efectos no intencionados, que en algunos casos se convierten en potenciales riesgos para la salud humana o para el ambiente. Mientras que los nanomateriales presentan posibilidades aparentemente ilimitadas, éstos tienen un nuevo reto para entender, predecir y administrar los riesgos potenciales a la salud y la seguridad para los trabajadores en las plantas de producción que ocupan nanomateriales.

Parece lógico que las economías den preferencia al desarrollo de productos novedosos que incrementan su competitividad y mejoren así sus economías, y después lleven a cabo lo necesario para evaluar los efectos indeseados de dichos productos, cuyo valor comercial no se expresa, pero repercute en la calidad de vida de la población.

No es tarea sencilla determinar con nitidez los efectos de los nanomateriales manufacturados; sin embargo, hay tendencias identificadas en algunos casos:

 El National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) ha desarrollado una plan estratégico para investigar sobre varios aspectos de las nanotecnologías en salud y seguridad ocupacional. Después de un extenso estudio que se prolongó por varios años sobre los efectos del TiO2 —material usado ampliamente en las industrias de pinturas y barnices, cosméticos, plásticos, papel y alimentos (como agente blanqueador)—, el NIOSH ha considerado otros estudios sobre los efectos observados en los pulmones de las ratas que fueron dosificadas con dióxido de titanio ultrafino, concluyendo que debe considerarse el potencial carcinogénico de nanopartículas de TiO2 cuando los trabajadores están expuestos por inhalación a concentraciones promedio de 0.3 mg/m3 durante 10 horas al día en jornadas de trabajo de 40 horas semanales¹⁵ . Estos riesgos no se presentan cuando se trata de partículas de tamaños mayores, denominadas también partículas finas, lo que implica que el potencial carcinogénico no radica en la naturaleza química del material, sino en su tamaño, y más específicamente en la alta área superficial que presentan como nanopartículas.

 Las nanopartículas de plata tienen efectos nocivos al exponer embriones de ciertas especies de peces a concentraciones de 0.5 mg/L por algunos días,¹⁶ hallazgo no sorpresivo en vista de su uso como biocida en desinfectantes.

Este asunto ha tomado muy alta relevancia para algunos gobiernos. A partir de la información confiable disponible, el de Dinamarca auspició un estudio amplio sobre los riesgos potenciales para la salud y el ambiente de nanomateriales con impacto potencial en la salud o ambiente en términos de la amplitud de su utilización en el país, la exposición de las personas a ellos, su potencial descarga directa al ambiente y su perfil toxicológico.¹⁷ Este estudio incluye fullerenos, dióxido de titanio, hierro cero-valente, dióxido de cerio, plata, nanoarcillas y dióxido de silicio. El estudio reconoce las limitaciones en general de la información disponible, sin embargo da cuenta de altos potenciales de exposición al ambiente y a las personas de fullerenos, nanopartículas de plata, de dióxido de titanio y de dióxido de silicio, cuando se utilizan como componentes de cosméticos y productos de cuidado personal.

Si bien en México no existe un esquema formal de la regulación sobre los riesgos de los productos nanotecnológicos para la salud y la seguridad, el marco legislativo prescribe como sujetas a regulación:¹⁸

 Las características y/o especificaciones que deban reunir los productos y procesos cuando éstos puedan constituir un riesgo para la seguridad de las personas o dañar la salud humana, animal, vegetal, el medio ambiente general y laboral, o para la preservación de recursos naturales.

 Las condiciones de salud, seguridad e higiene que deberán observarse en los centros de trabajo y otros centros públicos de reunión.

PRODUCCIÓN. MANEJO DE NANOMATERIALES EN AMBIENTES LABORALES

De particular importancia son los efectos en los operarios de los procesos de manufactura expuestos a nanomateriales manufacturados. En general, están sometidos a exposiciones mayores que el resto de la población, y dada la tendencia evidente a la expansión de las nanotecnologías, se esperaría un incremento sustantivo del número de operarios expuestos a los nanomateriales en pocos años.

El riesgo potencial a la salud de un nanomaterial manufacturado depende de múltiples factores que incluyen la toxicidad inherente de éste, su persistencia en el organismo, la magnitud y duración de la exposición y la vía de exposición. Tomando en cuenta estos factores, es claro que los riesgos asociados a un nanomaterial manufacturado no pueden estimarse como extrapolaciones de materiales de la misma naturaleza en cantidades macroscópicas.¹⁹

En cuanto a la persistencia, debe subrayarse que en algunos casos el organismo no tiene mecanismos para enfrentar la presencia de nanomateriales manufacturados y destruirlos o desecharlos, por lo que se acumulan y sus efectos se hacen evidentes a largo plazo.

Como se mencionó, los efectos de los nanomateriales son aún muy pobremente conocidos. En ambientes laborales la inhalación de nanoobjetos como vía de exposición es una de las más probables y frecuentes, por lo que su estudio ha propiciado algunos trabajos cuyos resultados indican que algunas nanopartículas pueden atravesar diversas barreras del organismo y acumularse en órganos como los pulmones, el cerebro, el hígado, la médula espinal y los huesos, causando efectos tóxicos de naturaleza pulmonar, cardiaca, reproductiva o renal.²⁰

Tampoco hay claridad sobre el origen de la toxicidad de los nanomateriales manufacturados. En algunos casos puede deberse simplemente a su morfología; los nanotubos de carbono muestran efectos similares a las fibras de asbesto simplemente por la similitud de sus formas. En otros casos, los efectos se deben a las propiedades químicas de sus superficies, cuya actividad es proporcional a la superficie que el nanoobjeto presenta para posibles interacciones. En estos casos, la “intensidad” de la presencia de nanopartículas no depende directamente de la masa o del volumen de éstas sino de su “área superficial” entendida como la magnitud de la superficie que presenta el nanoobjeto en cuanto a su reactividad. Un nanoobjeto poroso tiene una mayor área superficial que uno con superficie lisa, por lo cual esta porosidad le confiere un alto potencial para la actividad química.

Con la finalidad de afrontar de manera armonizada el reto de la seguridad de nanomateriales manufacturados en el ámbito global, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico ha establecido el grupo de trabajo Working Party for the Manufactured Nanomaterials (WPMN) dedicado al desarrollo de documentos sobre el tema con la contribución de expertos de los países miembros.

Como parámetros fisicoquímicos importantes para la seguridad de los nanomateriales manufacturados, este grupo ha identificado los siguientes: tamaño y distribución de tamaño, área superficial, estado de agregación o aglomeración y reactividad superficial. Debe notarse que estos parámetros inciden de forma directa sobre la toxicidad intrínseca de los nanomateriales manufacturados; sin embargo, aún no está madura alguna metodología general que relacione sus propiedades fisicoquímicas con su toxicidad. Una tendencia es apoyar esta relación con la cantidad de especies reactivas de oxígeno (ROS, siglas en inglés de Radical Oxygen Species), pero los resultados aún no son concluyentes.

Entonces, con información sobre la toxicidad intrínseca de los nanoobjetos, el siguiente paso es la determinación de valores máximos aceptables de concentración de cada especie de nanomaterial manufacturado en los ambientes laborales y las condiciones sobre la vía de exposición. Ante la insuficiencia de información sólida sobre los efectos de los nanomateriales, aún no se ha podido determinar de manera consensuada, armonizada, los valores mencionados.

La salud es un componente esencial de un programa efectivo de salud y seguridad ocupacionales. Las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales, el crecimiento de las nanotecnologías en los lugares de trabajo y la información actual sugieren que la exposición a algunos materiales nanomanufacturados puede ocasionar efectos adversos a la salud en los animales de laboratorio, lo que puede extrapolarse a los trabajadores potencialmente expuestos a estos materiales. De aquí que es importante generar un sistema que recopile los datos de los estudios que se realicen sobre los efectos de los nanomateriales y sirva como guía para elaborar las regulaciones apropiadas para establecer los límites permitidos.

MEDICIONES CONFIABLES PARA TOMAR DECISIONES

En concordancia con la prioridad del wpmn-ocde acerca de los parámetros fisicoquímicos de nanomateriales manufacturados por determinar, hay avances considerables en la determinación de tamaño de la nanopartícula y su distribución. México está desarrollando una infraestructura para ello en el Centro Nacional de Metrología, cuyos resultados obtenidos hasta ahora se han expuesto a variados ejercicios internacionales de comparación entre laboratorios organizados en el contexto del Programa Asia Pacífico para la Metrologia (APMP, siglas en inglés de Asia-Pacific Metrology Program) y del Proyecto Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS).

Conceptualmente, la medición en la nanoescala no es diferente de las mediciones en la escala macroscópica: se obtienen experimentalmente valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud. A fin de lograr que las mediciones sean uniformes, esos valores deben ser consistentes con una referencia convenida para esa magnitud.

En este caso, se identifica a la magnitud con el tamaño de las nanopartículas, esto es, alguna de sus dimensiones, en cuyo caso la referencia es la definición de metro como la unidad de longitud acordada en el sistema internacional de unidades.²¹

Por tanto, el acto de medir implica hacer un experimento cuyo resultado sea el valor de la longitud que razonablemente pueda atribuirse al tamaño de la nanopartícula, con referencia al metro. La dificultad estriba en las ocho o nueve órdenes de magnitud que existen entre el tamaño del metro y el tamaño de las nanopartículas. La dificultad se agrava cuando se requiere que tales mediciones sean hechas en el ámbito industrial, en donde es necesario medir de manera expedita y a bajo costo.

Una manera de superar esta dificultad, al menos parcialmente, es que la relación con la referencia se haga a través de varias etapas, que conforman lo denominado como cadena de trazabilidad, esta última definida como²² propiedad de un resultado de medida por la cual el resultado puede relacionarse con una referencia mediante una cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones, cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de medida.

Figura 2. Cadena de trazabilidad de mediciones de longitud.

La figura 2 ilustra la cadena de trazabilidad para mediciones de longitud, cuyo origen o referencia es la definición de metro, implementada mediante un patrón nacional y tantos otros como sean necesarios en un instituto nacional de metrología con responsabilidades para el efecto; en el caso mexicano, es el Centro Nacional de Metrología. Éste, a su vez, disemina las características metrológicas a laboratorios para que finalmente las mediciones realizadas con las industrias estén relacionadas a la definición del metro. Los patrones pueden tomar diversas formas incluida la de materiales de referencia certificados.²³

No es asunto sencillo implementar cadenas de trazabilidad cuando las mediciones de longitud en la industria están en la nanoescala. Por ejemplo, para fines regulatorios sobre nanomateriales manufacturados, la Unión Europea ha recomendado la siguiente definición:²⁴ “Nanomaterial: material natural, incidental o manufacturado que contiene partículas libres, o como agregados o aglomerados, que contribuyan por lo menos con 50% de la distribución de tamaño en número, y con una o más dimensiones en el intervalo de 1 nm a 100 nm”.

De hecho, la referencia citada contiene una amplia discusión sobre las dificultades para implementar la definición recomendada por los retos que plantea para los sistemas de medición y la interpretación de los resultados, entre los que incluye la dificultad de convertir resultados experimentales a distribuciones de tamaño de partículas de materiales polidispersos con suficiente exactitud, y la de contar partículas en el extremo inferior del intervalo, de 1 nm a 10 nm, con las técnicas de medición validadas disponibles.

Aunque de mayor complejidad, las otras propiedades fisicoquímicas también requieren de consideraciones similares con el mismo fin: obtener mediciones confiables en las cuales se apoyen las normas y regulaciones para las nanotecnologías.

Por tanto, es comprensible la problemática en la que está inmersa la emisión de regulaciones para las nanotecnologías:

 Un compromiso entre el cuidado de la competitividad del país con la protección de la salud de su sociedad y el cuidado del ambiente.

 La insuficiencia de información sólidamente fundada sobre los efectos de los nanomateriales en la salud y el ambiente.

 La imprecisión en la identificación de las propiedades fisicoquímicas incidentes en la salud y el ambiente.

 La falta de información para determinar objetivamente los niveles máximos aceptables de concentración de nanomateriales en ambientes de importancia particular, como los laborales.

 Las dificultades para implementar una evaluación de la conformidad con tales valores máximos aceptables sustentada en mediciones confiables.

 

REFLEXIONES FINALES

 Los productos con base nanotecnológica ya se encuentran en México, y su número aumenta de manera acelerada.

 También se encuentran plantas de manufactura que utilizan nanomateriales en sus procesos.

 Desde hace años, en México más de 50 organizaciones de investigación y desarrollo trabajan en la materia, y más industrias se suman a las interesadas en el tema; sin embargo, aún sus vínculos son débiles.

 Como tecnología emergente, aún no se tiene información suficiente de los efectos de los nanomateriales en la salud y el ambiente.

 La metrología para soportar los ciclos de vida de estos nanomateriales está en desarrollo en México, de manera similar a otras economías.

 México está en la ruta de las actividades de normalización nacional e internacional.

 La armonización de regulaciones sobre el tema es un compromiso del más alto nivel.

La posición prevalente entre las autoridades y las industrias es que la legislación existente puede ser adaptada para productos nanotecnológicos y encargarse de tratar lo referente a los riesgos potencialmente asociados con ellos. La evolución de las regulaciones para las nanotecnologías puede influenciar la ruta de los desarrollos de los productos y los procesos, y el establecimiento de estas regulaciones será un gran reto para este siglo en México.

Uno de los grandes retos para el siglo XXI es aprovechar los beneficios de las nanotecnologías para mejorar la calidad de vida de la población, de manera sustentable.

AGRADECIMIENTOS

A los organizadores del coloquio Grandes retos para el siglo xxi por la oportunidad para presentar este trabajo con los auspicios de la Universidad Nacional Autónoma de México.

^*Centro Nacional de Metrología.[regresar]

¹H. Liu et al., Nanotechnology, 19, 2008; N. Farkas et al., Meas. Sci. Technol., 22, 2011.[regresar]

²M. P. Prabhakaran et al., Nanotechnology, 19, 2008.[regresar]

³M. H. Fulekar, Nanotechnology: Importance and Applications, Nueva Delhi, I. K. International Publishing House Pvt. Ltd., 2010, p. 150.[regresar]

⁴Cientifica Ltd (2007), Halfway to the trillion dollar market?, http://cientifica.eu.; Lux Research Inc. (2009): “Nanomaterials of the Market Q1 2009: Cleantech’s Dollar Investments, Penny Returns”.[regresar]

⁵Report to the President and Congress of the Third Assessment of the National Nanotechnology Initiative, marzo, 2010.[regresar]

⁶Diagnóstico y prospectiva de la nanotecnología en México, CIMAV por encargo de la se, 2007.[regresar]

⁷http://www.iso.org/iso/home/standards.htm.[regresar]

⁸The OECD Report on Regulatory Reform: Synthesis, París, citado en Diplomado en Regulación, Módulo I, Cofemer, 1997.[regresar]

⁹Ley Federal sobre Metrología y Normalización, artículo 3, México, 2011.[regresar]

¹⁰Lineamientos para regulaciones sobre nanotecnologías, México, Secretaría de Economía, 2012.[regresar]

¹¹ISO TS 27687 Nanotechnologies — Terminology and definitions for nano-objects — Nanoparticle, nanofibre and nanoplate.[regresar]

¹²ISO TS 80004-1 Nanotechnologies – Vocabulary – Part 1: Core terms.[regresar]

¹³Ley Federal de Protección al Consumidor, artículo 1, México, 2013.[regresar]

¹⁴Ley Federal sobre Metrología y Normalización, artículo 40, México, 2011.[regresar]

¹⁵NIOSH Current Intelligence Bulletin 63, Occupational Exposure to Titanium Dioxide, DHHS (NIOSH) Publication núm. 2011–160, abril de 2011.[regresar]

¹⁶T. Sabo-Attwood et al., 10th. International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements, Chihuahua, México, 2009.[regresar]

¹⁷S. H. Mikkelsen et al., Survey on Basic Knowledge about Exposure and Potential Environmental and Health Risks for Selected Nanomaterials, Environmental Project núm. 1370, 2011.[regresar]

¹⁸Ley Federal sobre Metrología y Normalización, op. cit.[regresar]

¹⁹ISO/TR 12885 Nanotechnologies – Health and Safety Practices in Occupational Settings Relevant to Nanotecnologies, 2008.[regresar]

²⁰Ostiguy et al., Health Effects of Nanoparticles, Report R-451, Institut de recherche Robert- Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST), 2007.[regresar]

²¹The International System of Units, BIPM, 2006, disponible en www.bipm.org[regresar]

²²NMX-Z055-IMNC-2009, Vocabulario internacional de metrología – Conceptos fundamentales y generales, y términos asociados (VIM), 2009.[regresar]

²³N. González et al., “Nanociencia y nanotecnología. Panorama actual en México”, Noboru Takeuchi (ed.), Nanometrología, México, UNAM, 2011.[regresar]

²⁴T. Linsinger et al., Requirements on Measurements for the Implementation of the European Commission Definition of the Term “Nanomaterial”, Joint Research Centre, 2012.[regresar]

CUANDO EL FUTURO DE LA NANOTECNOLOGÍA NOS ALCANCE

Ana Cecilia Noguez Garrido^*

Uno de los temas de investigación más recurrentes en la ciencia en la última década son la nanociencia y la nanotecnología, que sin duda ha tenido un gran impacto y relevancia en la física actual. Es evidente que a nivel mundial la nanociencia y la nanotecnología son áreas de investigación de mucho interés no sólo para los físicos sino también para especialistas de otras disciplinas científicas como química, biología, ingeniería, ciencia de materiales, biotecnología y medicina. Este interés global se traduce en políticas de apoyo financiero prioritario por parte de los gobiernos de países como Estados Unidos, Japón, Corea del Sur y China, así como de la Unión Europea, principalmente. Mientras que en nuestro país, a pesar de haberse formado un red temática nacional, la inversión sigue siendo muy escasa, como sucede con la ciencia en general; de tal manera que cada año perdemos presencia en el ámbito internacional, como indica la figura 1 que muestra el número de artículos y el porcentaje con que contribuyeron México y otros países a la producción mundial en 2005 y en 2010. Los países sombreados en azul no aparecían inicialmente dentro de los primeros 30 lugares. México cayó del lugar 26 al 31 en 2010. En 2000, tuvo su máxima participación y desde entonces ha estado cayendo en la producción de artículos respecto a los demás países, a pesar de haber aumentado su número total. Es de notar que Irán, Turquía, Rumania y Portugal desplazaron a varios países, incluido México.

Figura 1. Posición de México respecto a otros países en la producción de artículos científicos en nanociencia y nanotecnología. Datos obtenidos en el web of Science el 30 de septiembre del 2011.

La nanociencia tiene como objetivos el estudio y control de la materia a escala nanométrica utilizando las herramientas de la física, la química y la biología. La materia es todo aquello que nos rodea; ocupa un lugar en el espacio y está compuesta de átomos. En un centímetro cúbico de materia se tiene un número inmensamente grande de átomos (aproximadamente 10²³); sin embargo, en los nanomateriales, es decir, en la materia cuyo tamaño está entre uno y 10 nanómetros (un nanómetro es igual a la millonésima parte de un milímetro), el número de átomos presente es mucho menor, entre 10 y un millón. A estos materiales de tamaño nanométrico les llamamos nanoestructuras o nanopartículas y forman un puente de enlace entre los átomos y moléculas, y la materia macroscópica. No obstante, las nanoestructuras no sólo se distinguen por su tamaño y el número de átomos que la componen, si no por sus propiedades físicas y químicas que son muy distintas a las que presentarían los mismos materiales a escalas mayores, de micrómetros o milímetros. Por ejemplo, mientras que el color de un pedazo grande de plata es el mismo si éste se corta en distintos tamaños y tiene diferentes formas, ya sea una esfera, un prisma o un cubo; el color de las nanopartículas de plata depende totalmente de su tamaño y su forma. Esto significa que la respuesta de las nanopartículas a los estímulos externos tiene que ver no sólo con su tamaño, sino con su forma; mientras que la forma es resultado de diversas variables externas, tales como el proceso de formación de las partículas, la temperatura, el ambiente, etc. Otra cualidad importante de las nanopartículas es que cuando se reduce su tamaño la relación entre superficie y volumen cambia drásticamente, dominando, en algunos casos, la superficie sobre el volumen, como sucede con los nanotubos, los fulerenos y nanopartículas de alrededor de 1 nm. Este hecho potencia algunas reacciones, como la catálisis, ya que la superficie expuesta es mucho mayor. En la figura 2 se muestran varios tipos de nanopartículas de oro y plata, de diferentes tamaños y formas, como se observan en los microscopios de transmisión electrónica (tomada de M. J. Yacamán, J Comp Theo Nanosci, 4, 2007, p. 195).

Figura 2. Nanopartículas de oro y plata.

El estudio y control de estas nuevas propiedades, así como la comprensión de los nuevos fenómenos físicos que suceden en los nanomateriales es una de las tareas más interesantes y retadoras que tiene la física y, en general, la nanociencia en este siglo. Además, la nanotecnología se encarga de utilizar los conocimientos generados por la nanociencia para diseñar y fabricar dispositivos con diversas aplicaciones tecnológicas. Actualmente se prevén avances tecnológicos basados en nanociencia en las industrias química, electrónica, óptica, y, a más largo plazo, en biotecnología y medicina.

En nanociencia y nanotecnología, la generación de ideas y de dispositivos contempla al menos cuatro etapas que van aumentando en complejidad y, por lo tanto, también en potencial de aplicación. La primera etapa considera la fabricación y manipulación de nanoestructuras sencillas, como nanopartículas metálicas, de óxidos y semiconductoras, con el fin de construir nuevos polímeros, cerámicas, recubrimientos, catalizadores, entre otros, o mejorar los ya existentes. Esta etapa también se caracteriza por el uso de nanopartículas poco complejas en aplicaciones simples en medicina, cosmetología, en la industria textil, como los famosos bactericidas a base de nanopartículas de plata (conocido como nano-silver), en los que lo único que se hace es potenciar las muy conocidas propiedades antimicrobianas de la plata que se conocen desde hace miles de años y que impiden el crecimiento de los microorganismos. Otra aplicación en medicina es el calentamiento de nanopartículas metálicas por medio de fuentes electromagnéticas de relativa baja intensidad, con el fin de que quemen las células de los tejidos en donde previamente se administraron.

La segunda etapa contempla la fabricación de nanoestructuras llamadas “activas”, es decir, nanoestructuras funcionalizadas con moléculas para realizar tareas específicas, como transistores tridimensionales, amplificadores, para administrar medicamentos, en terapias, como marcadores y etiquetadores biológicos, es decir, estructuras adaptadas. En esta etapa, las nanopartículas funcionalizadas tienen como objetivo el reconocer otras moléculas y efectuar tareas específicas al recibir un estímulo externo. Por ejemplo, se ha observado que en la vecindad de una nanopartícula metálica la respuesta óptica de una molécula se amplifica, mejorando así la sensibilidad de las espectroscopias ópticas de manera significativa.

La primera observación de este tipo se hizo a principios de los años setenta, cuando se midió que la radiación Raman de moléculas se veía fuertemente favorecida si éstas se encontraban sobre una superficie metálica; a este efecto se le llamó aumento de la espectroscopia Raman por medio de la superficie o sers (surface enhanced raman spectroscopy). Poco después se vio que este aumento se debía a los plasmones de superficie de los metales, que son las oscilaciones colectivas de los electrones del metal en presencia de un campo electromagnético externo. Una propiedad particular de las nanopartículas metálicas es que muestran diferentes plasmones de superficie en función de su tamaño, forma y el ambiente en donde se encuentran. Es decir, podemos controlar la frecuencia y la amplitud de acoplamiento de los plasmones de superficie con el campo electromagnético externo, y así encontrar la nanoestructura más adecuada para caracterizar una molécula particular, ya sea por espectroscopia Raman, fluorescencia o alguna otra espectroscopia óptica. El aumento en la respuesta óptica de la molécula en presencia de nanopartículas metálicas llega a ser de incluso 1012, lo cual permite pensar en muchas aplicaciones de este fenómeno. Dentro de estas aplicaciones se encuentra el poder utilizar estas espectroscopias dentro de medios poco transparentes, así como la caracterización de moléculas individuales o en concentraciones muy pequeñas. De esta forma, en ciertas nanoestructuras se adsorben moléculas que a su vez reconocen otras moléculas, y finalmente se puede hacer una imagen al iluminar con luz las nanoestructuras para hacer reconocimiento molecular y así identificar tumores. En la figura 3 se muestra una tomografía computarizada de nodos linfáticos en un ratón por medio de rayos X de baja intensidad, usando como medio de contraste nanopartículas de sulfito de bismuto (tomada de O. Rabin, J. M. Perez, J. Grimm, G. Wojtkiewicz y R. Weissleder, An X-ray computed tomography imaging agent based on long-circulating bismuth sulphite nanoparticles, Nature Materials 5, 2006, pp. 118-122).

Figura 3. Tomografía computarizada de rayos X usando nanopartículas de sulfito de bismuto.

La tercera etapa considera el desarrollo de estructuras mucho más complejas que se puedan ensamblar y autoensamblar creando redes en una, dos y tres dimensiones, así como nuevas arquitecturas jerárquicas. Un proceso de autoensamblado se describe como un proceso por el cual un sistema de componentes desordenados se organiza en una estructura o patrón debido a interacciones específicas entre los mismos componentes y el medio en donde se encuentran. La idea principal es crear superestructuras basadas en los mismos conceptos que se utilizan para estudiar los cristales en la física del estado sólido, en donde las interacciones entre los enlaces atómicos a lo largo de diferentes direcciones crean estructuras con simetrías únicas, resultando así en diversos cristales con una gran variedad de propiedades. En este caso, en lugar de átomos se utilizan nanopartículas y en lugar de enlaces atómicos se utiliza el concepto de ligandos, es decir, diversas moléculas y macromoléculas unidas a las nanopartículas, cuya interacción entre ellas nos da la misma función que los enlaces. La direccionalidad, en este caso, puede estar dada por los mismos ligandos o por la anisotropía de las mismas nanopartículas. La interacción entre los bloques que se necesitan autoensamblar está dictada por diferentes factores: el solvente, el tamaño, forma y propiedades de las nanopartículas, así como el tamaño, forma y propiedades de los ligandos. Nuevamente un concepto importante aquí es el reconocimiento molecular y la funcionalización de las nanopartículas. Entre los ligandos más comunes utilizados hasta ahora se encuentra el adn, ctab (bromuro cetiltrimetil amonio) y los tioles, ya que con estos es posible controlar fácilmente la longitud de los ligandos y, por lo tanto, la simetría de las superestructuras. Sin embargo, las propiedades e ingeniería de estas superestructuras y el entendimiento de las principales interacciones involucradas y las propiedades físicas y químicas de estas nuevas superestructuras son un reto para la ciencia. En la figura 4 se muestra la representación esquemática de algunas estructuras autoensambladas en dos, una y tres dimensiones (de izquierda a derecha). La estructura bidimensional tiene simetría hexagonal y se autoensambló utilizando nanobarras de oro (izquierda); mientras que la estructura unidimensional (en el centro) se autoensambló utilizando nanoprismas de oro. Finalmente, la estructura tridimensional (derecha) se obtuvo usando nanopartículas dodecaedrales de oro. Las gráficas debajo de cada estructura muestran los espectros correspondientes de dispersión de rayos X a ángulos pequeños (tomada de M. R. Jones, R. J. Macfarlane, B. Lee, J. Zhang, K. L. Young, A. J. Senesi y C. A. Mirkin, Nature Materials 9, 2010, pp. 913-917).