El uso de la química orgánica en la nanociencia y nanotecnología
Miguel Ángel Méndez Rojas
Un querido colega en proceso de formación me pidió desde Tijuana reflexionar sobre la utilidad de la química orgánica en la nanociencia y la nanotecnología (NyN). El tema en sí es fascinante, debido a que es muy común considerar a la NyN como un área más cercana a la Física y a la Ingeniería que a la Química, cuando la realidad es muy distinta. Un dominio de los conceptos fundamentales y las técnicas experimentales de la química (orgánica, inorgánica, analítica, fisicoquímica) es vital para poder ser competitivo en el ámbito de las nanoestructuras. Sin embargo, al hablar de nanomateriales por lo regular pensamos en óxidos metálicos semiconductores, metales nobles como el oro o la plata o cerámicos del tipo de la hidroxiapatita o la sílica. ¿Qué hay de las moléculas orgánicas? Me permito repasar un poco la historia de esta disciplina, porque en su conocimiento nos ayudará a comprender el profundo impacto que tiene (y seguirá teniendo) en las NyN. Era el año de 1873 y el mundo de las moléculas basadas en carbono (e hidrógeno) se estremecería hasta sus cimientos con las propuestas innovadoras de Van’t Hoff y Le Bell sobre la estructura tetraédrica y TRIDIMENSIONAL de los compuestos de carbono tetravalentes. ¡Todo un hito para la época! Lo común era imaginar a los hidrocarburos como entidades lineales y a lo mucho, bidimensionales, pero (contra toda intuición y lógica) no se les visualizaba como entes en tres dimensiones. Este choque cultural, que técnicamente incremento en una dimensión la percepción de las moléculas que forman los materiales que nos rodean, es comparable al que generaron, en sus respectivos momentos, otras dos importantes aportaciones en la Química Orgánica: la quiralidad (propuesta por Lord Kelvin en 1904) y la aromaticidad (propuesta por Kekule en 1865.
Los conceptos anteriores son importantes para racionalizar el diseño de nuevos materiales (y en particular, materiales nanoestructurados) que sean capaces de presentar tanto conformaciones especiales en el espacio tridimensional, como propiedades electrónicas y ópticas únicas que puedan explotarse tecnológicamente. En este sentido, las herramientas de la síntesis orgánica nos han permitido no solo ser capaces de diseñar moléculas diversas que pueden emplearse como bloques básicos de construcción de sistemas moleculares complejos (algunos de los cuáles incluso pueden auto-ensamblarse en patrones de mayor complejidad, generando estructuras con distintos órdenes de jerarquía), que pueden incluso imitar los patrones estructurales de sistemas biológicos (plantas y animales). Esta área de aplicación de bloques básicos de construcción (como si fueran bloques de Lego® molecular) fue imaginada por varios químicos entre 1960 y 1984 y finalmente tres de ellos, Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn y Charles J. Pedersen fueron reconocidos con el Premio Nobel de Química en 1987 por sus aportaciones al desarrollo de la “Química Supramolecular” (más allá de las moléculas).
El auto-ensamblaje de moléculas sencillas para dar lugar a formas más complejas solo puede entenderse a partir de un estricto control en el diseño de los bloques básicos de construcción y en la comprensión de las interacciones que pueden generarse entre los grupos funcionales presentes en dichas moléculas (puentes de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo, ión-dipolo o fuerzas de Van der Waals). Aunque estamos limitados al día de hoy en el grado de control y complejidad que podemos lograr con este tipo de sistemas supramoleculares, muchos investigadores (entre los que se cuenta Jean-Marie Lehn) son optimistas sobre los alcances que pueden lograrse. El ejemplo más fehaciente del grado de complejidad que puede conseguirse con sistemas supramoleculares está a nuestro alrededor: los sistemas biológicos. Nosotros mismos somos una entidad muy compleja, que se formó a partir de bloques muy básicos de construcción (aminoácidos, carbohidratos, lípidos…) y que tenemos (aunque parezca tétrico) consciencia sobre nosotros mismos y somos capaces de hacernos elaboradas preguntas sobre el Universo que nos rodea. Somos, en otras palabras, átomos y moléculas que nos estudiamos a nosotros mismos.
Regresando a nuestro tema de hoy, no solo son conceptos útiles con los que la Química Orgánica ha nutrido a las NyN, sino también con herramientas sintéticas. El desarrollo de procedimientos muy elaborados y cuidadosos para preparar moléculas complejas con precisión y en buenos rendimientos, nos permite preparar en cantidades suficientes para aplicaciones tecnológicas la materia prima con la que los nuevos materiales avanzados del futuro impactarán nuestra vida cotidiana. Pinturas y recubrimientos hechos con polímeros auto-reparables, que son capaces de cambiar su tonalidad a partir de un interruptor eléctrico, que evitan el crecimiento de bacterias, moho u hongos; plásticos auto-degradables o con memoria de forma; materiales para almacenamiento de información o de energía livianos, de bajo costo y hechos con moléculas orgánicas. Desde materiales para electrónica molecular (moletrónica) hasta sensores moleculares, pasando por materiales de construcción orgánicos, el futuro de los nuevos materiales nanoestructurados apunta a una cosa: hay que desempolvar esos libros de Química Orgánica y repasarlos, porque nos van a hacer falta.
