Los nanotubos se ponen de moda

La elegancia es tan importante en el diseño científico como en el arte y la arquitectura, cree el ingeniero químico Nicholas Kotov. Sentado en su austera oficina de la Universidad de Michigan, en Ann Arbor, luce una muestra de algodón negro; en peso y se siente similar a una camisa de vestir suave y liviana. Pero Kotov ha transformado el tejido en un biosensor y un conductor eléctrico simplemente sumergiéndolo en una solución de nanotubos de carbono, anticuerpos y un polímero.

Nicholas Kotov en su laboratorio de la Universidad de Michigan, donde fabrica textiles tratados con nanotubos de carbono como el que tiene en su mano derecha.

Los nanotubos de carbono individuales bien formados son altamente conductores, lo que los hace prometedores para aplicaciones como microprocesadores y electrodos de batería. Si moléculas como los anticuerpos están ancladas a su superficie, también pueden servir como detectores químicos muy sensibles: cuando un anticuerpo se une a su objetivo, las propiedades eléctricas de la nanutobe se alteran de forma apreciable. Pero los nanotubos tienden a agruparse, lo que les impide funcionar individualmente. Eso degrada seriamente sus propiedades electrónicas, dice Kotov.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2009

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Hay formas de solucionar este problema: los nanotubos se pueden colocar minuciosamente, uno por uno, utilizando métodos que implican días de procesamiento de solución seguido de fotolitografía, o los tubos se pueden rociar sobre una superficie plana en capas alternas con un polímero conductor, lo que evita aglutinando. Pero Kotov descubrió que este tipo de ensamblaje capa por capa se puede simplificar aún más para una superficie tridimensional compleja, como un hilo de algodón: la maraña de fibras proporciona una plantilla estructural que le permite simplemente sumergir el hilo en una solución que contiene tanto el polímero como los tubos. Pegados al hilo por el polímero, los nanotubos forman una red con buenas propiedades eléctricas, los tubos superpuestos pero bien espaciados.

El método da como resultado una alternativa elegante, potente y mucho más fácil de llevar a los complejos textiles inteligentes que incorporan fibras ópticas pesadas y voluminosas o cables metálicos propensos a la corrosión. Si bien Kotov está explorando una serie de posibles aplicaciones para estos textiles, la más importante, dice, sería como biosensores para mantener a las personas seguras. Podrían usarse para detectar la pérdida de sangre en soldados en patrullas remotas o para detectar alérgenos o patógenos en el aire, como la influenza. Y los hilos son lo suficientemente baratos y sensibles para su posible uso en fábricas o tiendas, o incluso en el hogar, por ejemplo, para analizar un lote dudoso de mantequilla de maní en busca de toxinas.

Un chapuzón rápido
En el laboratorio de Kotov, el estudiante graduado Jian Zhu mezcla nanotubos de pared simple disponibles comercialmente y un polímero llamado Nafion en etanol, que evita que los componentes se peguen entre sí. El Nafion pega los nanotubos al algodón, pero eso no es todo lo que hace. Nafion, una molécula conductora larga compuesta principalmente de carbono, actúa como un resorte diminuto, permitiendo a cada nanotubo cierta medida de movimiento independiente. Esta propiedad mecánica, que es crítica para la biodetección, también permite que el algodón mantenga su suavidad y ceda: no querrás usar una camisa cubierta con epoxi rígido.

Zhu corta un trozo de hilo de algodón ordinario de un carrete y usa un par de pinzas para sumergirlo en la solución negra como la tinta. Después de reposar durante dos minutos, saca el hilo y usa un clip de carpeta para colgarlo y secarlo dentro de una campana de laboratorio, un proceso que se puede acortar a solo unos minutos con un secador de pelo. La resistencia eléctrica del hilo se optimiza, según ha descubierto Kotov, cuando se ha sumergido unas 10 veces.

En la oficina de estudiantes del grupo, Zhu demuestra las propiedades electrónicas de un hilo de nanotubos terminado, que es indistinguible del algodón negro ordinario. Lo conecta a los contactos eléctricos en un diodo emisor de luz blanca usando soldadura ordinaria, luego dibuja los extremos del hilo a través de los clips positivos y negativos de una fuente de energía. Gira la fuente de alimentación a tres voltios y la luz brilla intensamente.

Adición simple
La pequeña luz no es, a primera vista, muy impresionante. Pero tres voltios es suficiente energía para que los hilos lleven a cabo funciones como la biosección. Kotov puede convertir los tejidos de nanotubos en sensores simplemente incluyendo anticuerpos en la solución de etanol inicial. Debido a que los anticuerpos son sensibles al calor, los investigadores dejaron que el material se seque al aire en lugar de usar un secador de pelo; de lo contrario, el proceso es el mismo. La adición de los anticuerpos hace que la resistencia de la fibra varíe con la concentración de la molécula diana del anticuerpo. Zhu toma un hilo tratado con una solución que contiene el anticuerpo contra la versión humana de la proteína sanguínea albúmina y lo conecta a un multímetro, que suministra voltaje constante al hilo y le permite observar cómo cambia su resistencia. A medida que sumerge la fibra en una solución diluida de sangre, la resistencia del hilo cae de 60 kiloohmios a 20.

Cuando el algodón se sumerge en una solución de nanotubos, Nafion y anticuerpos, los anticuerpos quedan atrapados físicamente en las intersecciones de las redes de nanotubos. Cuando las moléculas de sangre se adhieren al tejido tratado, estos anticuerpos se unen a la albúmina en el plasma. El complejo de albúmina-anticuerpo, que es muy soluble en sangre, se desprende de los nanotubos, lo que les permite acercarse. Debido a que la corriente viaja entre los nanotubos por medio de un túnel cuántico, esencialmente saltando de un tubo a otro, un pequeño cambio en la distancia entre ellos puede provocar cambios tremendos en la resistencia, explica Kotov. La disminución de la resistencia que resulta cuando los anticuerpos se desprenden del hilo es una medida más confiable de la concentración de albúmina que una disminución de la conductividad. La conductividad reducida puede ser causada por suciedad u otros contaminantes, pero una disminución en la resistencia es un signo de una sola cosa: la albúmina y, por lo tanto, la sangre derramada. Conectada a una PDA capaz de interpretar e incluso transmitir los resultados, la ropa hecha con tela tratada de esta manera podría generar una señal de socorro si, por ejemplo, estás inconsciente, dice Kotov.

El uso de anticuerpos también hace que este mecanismo de detección sea muy específico: cuando el tejido se expone a sangre bovina, que contiene una forma de albúmina ligeramente diferente, su resistencia no cambia. Tratados con anticuerpos contra otras proteínas, estos tejidos podrían ayudar a los médicos a controlar a los pacientes del hospital en busca de infecciones o advertir a los asmáticos de los alérgenos, dice Kotov. Y el método es tan simple, sensible y potencialmente económico que incluso se podrían usar sensores de nanotubos basados ​​en fibra en lugar de detectores emergentes basados ​​en chips para analizar muestras de sangre en busca de signos de enfermedades como el cáncer.

Los sensores de Kotov, aunque son muy fiables, no son reutilizables: una vez que los anticuerpos se desprenden de los nanotubos, se eliminan por lavado, por lo que la tela no puede detectar proteínas por segunda vez. Kotov dice que las telas deberían ser lo suficientemente económicas para un solo uso. También está trabajando en versiones reutilizables, cambiando la química para que los anticuerpos liberen sus objetivos después de la detección y permanezcan en la tela.

Kotov ya está trabajando con Nico Technologies para desarrollar prendas hechas de textiles para aplicaciones militares y civiles no reveladas. Sin embargo, señala, las prendas futuras podrían incluir diferentes tipos de hilo recubierto, cada uno tratado para una función diferente. Solo necesitas un hilo [tratado con nanotubos] en una prenda, dice, y todos los avances fundamentales de la nanotecnología están ahí.

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