Los puntos cu¨¢nticos salen del laboratorio

Los puntos cu¨¢nticos o ¨¢tomos artificiales son nanoestructuras creadas en el laboratorio que miden millon¨¦simas de mil¨ªmetro -nan¨®metros-. Inventadas hace casi dos d¨¦cadas, tienen un sinf¨ªn de aplicaciones en ¨¢reas tan variadas como las telecomunicaciones, la computaci¨®n cu¨¢ntica, la seguridad o la biomedicina.

En el mundo macrosc¨®pico, los puntos cu¨¢nticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana, o estar disueltos en un l¨ªquido. Nadie sospechar¨ªa que esa sustancia ha sido construida en el laboratorio partiendo de unos pocos ¨¢tomos, con t¨¦cnicas que manipulan la materia a escalas de nan¨®metros. A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras, como pir¨¢mides o monta?as, formadas por unos pocos cientos o miles de ¨¢tomos. Esas estructuras son los puntos cu¨¢nticos. Lo especial es que, en ellos, los electrones est¨¢n obligados a permanecer atrapados, confinados en las tres dimensiones, y eso genera curiosos fen¨®menos cu¨¢nticos. En concreto, los electrones se disponen en el punto como en un ¨²nico ¨¢tomo, de ah¨ª el apodo ¨¢tomos artificiales. Y de ah¨ª, tambi¨¦n, el que la materia estructurada en puntos cu¨¢nticos tenga propiedades que pueden ser controladas a voluntad.

El mercado global de nanoestructuras superar¨¢ en 2009 los 500 millones de d¨®lares

Las im¨¢genes de los capilares de un rat¨®n vivo captan incluso su vibraci¨®n

Una de ellas es que, al ser iluminados, los puntos cu¨¢nticos reemiten luz en una longitud de onda muy espec¨ªfica y que depende del tama?o del punto cu¨¢ntico. Cuanto m¨¢s peque?os sean los puntos, menor es la longitud de onda y m¨¢s acusadas las propiedades cu¨¢nticas de la luz que emiten. El resultado es que "puedes dise?ar de antemano un punto cu¨¢ntico para la longitud de onda que desees", explica Carlos Tejedor, del Departamento de F¨ªsica Te¨®rica de la Materia Condensada de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM). Es una propiedad que los laboratorios llevan queriendo aprovechar desde principios de los noventa, "pero s¨®lo ahora la tecnolog¨ªa de fabricaci¨®n ha alcanzado un grado de calidad aceptable para las aplicaciones comerciales", se?ala Tejedor. "Ahora, el campo est¨¢ en pleno auge". Fernando Briones, del Centro Nacional de Microelectr¨®nica (CNM), del CSIC, lo corrobora: "S¨ª, ¨²ltimamente hay ya una variada fauna de puntos cu¨¢nticos. Los hay de muchos tipos, para aplicaciones muy diferentes".

Un informe de este a?o de la compa?¨ªa Business Communications Company aseguraba que para el 2009, el mercado global de puntos cu¨¢nticos, contando todas las aplicaciones, superar¨ªa los 500 millones de d¨®lares (unos 400,64 millones de euros). Hay una aplicaci¨®n obvia: la optoelectr¨®nica. Con los puntos cu¨¢nticos de materiales semiconductores, como arseniuro de indio y fosfuro de indio, se fabrican diodos l¨¢ser emisores de luz m¨¢s eficientes que los usados hoy en lectores de CD, de c¨®digos de barras y dem¨¢s. As¨ª que se espera que acaben sustituy¨¦ndolos a corto o medio plazo. Pero adem¨¢s se abren muchas m¨¢s posibilidades: en c¨¦lulas fotovoltaicas, en telecomunicaciones, en seguridad -en billetes o documentos, en los que se embeben puntos cu¨¢nticos invisibles a simple vista-, en criptograf¨ªa cu¨¢ntica, o en computaci¨®n cu¨¢ntica, en la que los puntos cu¨¢nticos proporcionar¨ªan las unidades de informaci¨®n, los qubits, de los a¨²n hipot¨¦ticos ordenadores cu¨¢nticos de enorme capacidad de c¨¢lculo. El a?o pasado, dos grupos consiguieron demostrar independientemente que es posible crear un v¨ªnculo cu¨¢ntico -un entrelazamiento- entre dos puntos cu¨¢nticos, de forma que lo que le ocurra al uno afecte al otro y viceversa, un principio b¨¢sico de los ordenadores cu¨¢nticos.

La investigaci¨®n con puntos cu¨¢nticos en la UAM y en el CNM se orienta a su uso como componentes materiales para la informaci¨®n cu¨¢ntica. Los grupos de Luisa Gonz¨¢lez, Jorge Garc¨ªa y Fernando Briones en el CNM fabrican ya diodos l¨¢ser de altas prestaciones en los que se integran puntos cu¨¢nticos de semiconductor con t¨¦cnicas de autoensamblado por epitaxia de haces moleculares.

Sin embargo, las aplicaciones que parecen llevar la delantera en cuanto a comercializaci¨®n son las de biomedicina. En este caso, los puntos cu¨¢nticos no est¨¢n embebidos en una matriz, sino que son cristales independientes, pero su fundamento y sus propiedades f¨ªsicas son las mismas. Xavier Michelet, de la Universidad de California, coautor de una revisi¨®n sobre usos de puntos cu¨¢nticos en biolog¨ªa publicada en Science, explica por correo electr¨®nico: "Los puntos cu¨¢nticos emiten luz brillante y muy estable. Con ellos se obtienen im¨¢genes de mucho contraste usando l¨¢seres menos potentes, y no existe el temor de que se apaguen". Adem¨¢s, la longitud de onda tan espec¨ªfica a la que brillan evita las superposiciones, y permite te?ir a la vez muchas m¨¢s estructuras que con los m¨¦todos de tinci¨®n tradicionales.

El primer uso de los puntos cu¨¢nticos en biolog¨ªa fue en un embri¨®n de rana, hace tres a?os. Los investigadores envolvieron los puntos cu¨¢nticos en micelas -mol¨¦culas que forman esferas solubles en agua- para poderlos sumergir en un medio h¨²medo, e inyectaron miles de millones de ellos en embriones de rana; despu¨¦s, con t¨¦cnicas de imagen en vivo pudieron seguir a las c¨¦lulas fluorescentes y a sus descendientes a medida que se iban diferenciando, durante varios d¨ªas. En 2003, otro grupo obtuvo im¨¢genes de los capilares de un rat¨®n vivo al que se le hab¨ªan inyectado los puntos cu¨¢nticos bajo la piel. Las im¨¢genes ten¨ªan mil veces m¨¢s resoluci¨®n que las obtenidas con t¨¦cnicas convencionales, hasta el punto de que se detectaba la vibraci¨®n de los capilares al ritmo de los latidos cardiacos.

Pero, adem¨¢s, a los puntos cu¨¢nticos, que tienen m¨¢s o menos el tama?o de las prote¨ªnas, se les puede pegar anticuerpos capaces de reconocer compuestos, c¨¦lulas o virus. Muchos investigadores planean usarlos como marcadores de c¨¦lulas cancerosas, a las que se podr¨ªa seguir a medida que se multiplican o migran. Varios grupos han logrado ya que se adhieran a prote¨ªnas que flotan en la membrana de la c¨¦lula -receptores-. Por ejemplo, el a?o pasado un grupo los us¨® para se?alar la localizaci¨®n de n¨®dulos linf¨¢ticos durante la propia operaci¨®n para eliminarlos -en cerdos y ratones-. Y en abril de este a?o se public¨® el uso de puntos cu¨¢nticos para detectar el virus respiratorio sincitial apenas una hora despu¨¦s de que infectara a c¨¦lulas. Tambi¨¦n han sido usados en plantas, adheridos a una prote¨ªna que a su vez se pega al polen.

?Se podr¨ªan, adem¨¢s, usar los puntos cu¨¢nticos como transportadores de f¨¢rmacos hasta c¨¦lulas espec¨ªficas, por ejemplo? Responde Michelet: "La idea de los nanorrobots patrullando por la sangre es seductora (o temible, seg¨²n el punto de vista), pero a¨²n est¨¢ lejos del estado actual del arte en nanotecnolog¨ªa. Sin embargo, hace tiempo que se piensa en una sonda molecular multimodal y los puntos cu¨¢nticos s¨ª que pueden ser equipados con funciones suplementarias. Nosotros ya estamos haciendo algo as¨ª, poniendo en cada punto cu¨¢ntico unos pocos p¨¦ptidos con propiedades de solubilizaci¨®n; otros, para evitar que el punto cu¨¢ntico se adhiera con otros tejidos; otros, para llegar al objetivo deseado... La lista de posibles a?adidos al punto cu¨¢ntico es interminable, y se les podr¨ªa a?adir mol¨¦culas con acci¨®n terap¨¦utica".

Otra posibilidad ante la que los bi¨®logos se frotan las manos es la de usar los puntos cu¨¢nticos como sondas moleculares que penetren dentro de la c¨¦lula. Ser¨ªa un campo del todo nuevo. En la tinci¨®n de c¨¦lulas en vivo ya hay m¨¦todos muy buenos y, por tanto, los puntos cu¨¢nticos son una mejora o un m¨¦todo complementario, pero nunca antes se ha aspirado a "marcar unas pocas prote¨ªnas, cada una con su punto cu¨¢ntico, y observarlas en el microscopio mientras realizan sus tareas en la c¨¦lula", se?ala Michelet. "Ser¨ªa como tener una c¨¢mara en miniatura dentro de la c¨¦lula, un gran paso para la biolog¨ªa celular". Hasta ahora, sin embargo, los intentos en esta direcci¨®n no han dado buenos resultados porque la mayor¨ªa de las veces los puntos cu¨¢nticos acaban "en la maquinaria de reciclado de la c¨¦lula", pero Michelet cree que es cuesti¨®n de tiempo.

Pero antes hay que resolver una cuesti¨®n clave: la toxicidad. Los puntos cu¨¢nticos usados en biolog¨ªa se hacen con cadmio y otros elementos t¨®xicos, pero eso no implica necesariamente que los puntos cu¨¢nticos deban serlo. "No hay datos a¨²n para estimar la toxicidad de los nanocristales", escrib¨ªan en Nature Biotechnology los autores del marcaje de los n¨®dulos linf¨¢ticos. Recabar estos datos no es nada f¨¢cil debido a la gran diversidad de puntos cu¨¢nticos sintetizados por laboratorios que usan m¨¦todos y materiales distintos. Los institutos nacionales de salud estadounidenses han creado un Laboratorio de Caracterizaci¨®n en Nanotecnolog¨ªa que probar¨¢ las muestras que env¨ªen los grupos y decidir¨¢ si cumplen las normas de toxicidad establecidas por la Food and Drug Administration (FDA).