La naturaleza ense?a a dise?ar estructuras microsc¨®picas Los cient¨ªficos intentan reproducir los procesos de autoorganizaci¨®n naturales

?reas como la electr¨®nica, la industria del petr¨®leo o la farmac¨¦utica tienen una necesidad creciente de materiales con una estructura microsc¨®pica regular, cuya fabricaci¨®n presenta grandes dificultades; sin embargo, estas estructuras son comunes en la naturaleza y los investigadores intentan reproducir en los laboratorios los procesos que llevan a la edificaci¨®n de estas maravillas naturales.

Muchos materiales y estructuras ¨²tiles para la tecnolog¨ªa tienen patrones regulares. Por ejemplo, la pantalla del monitor de un ordenador contiene una parrilla regular de diminutos puntos de f¨®sforo que brillan cuando son torpedeados por un haz de electrones. Detr¨¢s de los puntos hay una malla que protege a los puntos de los electrones destinados a sus vecinos. Y en las profundidades del circuito del ordenador hay componentes electr¨®nicos organizados regularmente en un microprocesador, como memoria activa de la m¨¢quina.Todos los elementos individuales de estas formaciones geom¨¦tricas han sido concienzudamente colocados uno por uno: todos los agujeros de la malla se han marcado separadamente. Pero, a medida que los aparatos y estructuras tecnol¨®gicas se vuelven cada vez m¨¢s peque?os, hacer modelos de esta manera se vuelve complicado y dif¨ªcil y, por consiguiente, caro.

Tambi¨¦n la naturaleza tiene parrillas regulares de agujeros y puntos: por ejemplo, la malla de la concha de una diatomea y las manchas sensibles a la luz del ojo compuesto de un insecto. Algunas de las escamas que cubren las alas de una mariposa est¨¢n bordeadas de protuberancias microsc¨®picas que dispersan la luz y dan al ala una apariencia coloreada e iridiscente. Estos dibujos no son producto de un trabajo laborioso: se crean a s¨ª mismos. Los expertos en tecnolog¨ªa est¨¢n deseando aprender algunos de los trucos de la naturaleza para desarrollar m¨¦todos baratos y f¨¢ciles de dise?o microsc¨®pico.

Las ventajas de los modelos regulares son bien conocidas en el sector petroqu¨ªmico. Los minerales naturales llamados ceolitas tienen armazones de tama?o at¨®mico en los que los ¨¢tomos de aluminio, silicio y ox¨ªgeno se organizan en andamios unidos por t¨²neles y salpicados de cavidades.

Estas aberturas forman parrillas regulares con agujeros que son justo del tama?o adecuado para admitir mol¨¦culas individuales de hidrocarburos en la madriguera. Una vez dentro, las mol¨¦culas reaccionan con las paredes minerales, que rompen las mol¨¦culas o reorganizan sus ¨¢tomos. As¨ª, las ceolitas se utilizan como tamices moleculares: si los hidrocarburos se ajustan a los canales, se transforman, mientras que, si son demasiado grandes, se dejan intactos. Este tipo de transformaci¨®n selectiva se utiliza para aumentar el octanaje de los combustibles de petr¨®leo.

Desde los a?os treinta, los ingenieros qu¨ªmicos han encontrado formas de producir ceolitas sint¨¦ticas. En los a?os sesenta descubrieron unas peque?as mol¨¦culas org¨¢nicas llamadas tensoactivas, que act¨²an como plantillas alrededor de las cuales puede cristalizar el mineral. Una ceolita sint¨¦tica llamada ZSM-5 es ahora uno de los catalizadores del sector petroqu¨ªmico.

Luego se consigui¨® producir ceolitas con poros mayores para filtrar grandes mol¨¦culas o incluso bacterias. Tambi¨¦n se podr¨ªa encontrar un uso m¨¢s ex¨®tico: como material que captase y encerrase la luz. Durante la pasada d¨¦cada, los f¨ªsicos se dieron cuenta de que materiales perforados con agujeros separados por un espacio regular pueden actuar como cristales fot¨®nicos a trav¨¦s de los cuales no puede penetrar la luz. Si los agujeros tienen m¨¢s o menos el mismo tama?o y separaci¨®n que la longitud de onda de la luz, entonces pueden dispersar la luz. Esta dispersi¨®n impide que la luz pase siquiera de la primera fila de agujeros.

Un aislante de luz de este tipo podr¨ªa ser ¨²til en las telecomunicaciones; por ejemplo, para fabricar fibras ¨®pticas con una capa herm¨¦tica exterior que hiciera innecesaria la amplificaci¨®n de la se?al a lo largo de la l¨ªnea. Los cristales fot¨®nicos tambi¨¦n se podr¨ªan utilizar para permitir hacer circuitos que funcionen con luz en lugar de electricidad. Y podr¨ªan dar lugar a nuevos l¨¢seres con un consumo el¨¦ctrico muy reducido. Pero la trampa es que la malla debe ser microsc¨®pica. Es muy dif¨ªcil hacer agujeros de este tama?o.

En los ¨²ltimos a?os, los cient¨ªficos expertos en materiales han aprendido a explotar el truco de la naturaleza de hacer plantillas para fabricar cristales fot¨®nicos. Una t¨¦cnica es permitir que diminutas esferas de silicio o poliestireno de una suspensi¨®n se depositen como se deposita el barro del agua de un r¨ªo. Si todas las esferas son del mismo tama?o, se acumular¨¢n en una formaci¨®n ordenada como la fruta de un puesto de verduras. Esto se llama cristal coloidal. Luego, un material s¨®lido se puede cristalizar en los espacios que quedan entre las esferas, y las esferas se pueden disolver qu¨ªmicamente o quemar para que quede la malla regular. Un ejemplo es el que publican en Nature un equipo de investigadores de Canad¨¢ y Espa?a [ver p¨¢gina siguiente].

Un proceso diferente permite formaciones de diminutos puntos o rayas de material semiconductor, de s¨®lo unos cuantos nan¨®metros (milmillon¨¦simas de un metro) de tama?o en una superficie. Estos puntos cu¨¢nticos son tan peque?os que sus propiedades (como su forma de reaccionar a la luz) se rigen por las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Los puntos cu¨¢nticos podr¨ªan proporcionar las neuronas de un aparato de memoria capaz de almacenar datos con una densidad mucho mayor que los ordenadores existentes.

La investigaci¨®n sobre materiales que se autoorganizan no ha hecho m¨¢s que empezar, pero quiz¨¢ alg¨²n d¨ªa estos procesos nos permitan hacer dise?os microsc¨®picos tan bonitos como los que la naturaleza crea desde hace millones de a?os.