Hallan un novedoso fenómeno nanofluídico integrable en tecnologías para diferentes aplicaciones

La nanofluídica es el estudio del comportamiento, manipulación y control de fluidos que por estar confinados en estructuras de dimensiones nanométricas (un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro) exhiben comportamientos físicos y propiedades novedosas que pueden ser base para el desarrollo de tecnologías innovadoras en salud, informática, energía, biotecnología y muchas otras áreas.

Ahora, investigadores del CONICET descubrieron que en el interior de una red artificial de nanoporos interconectados se producen distintivas y novedosas interacciones entre el transporte de fluidos y el flujo de iones (átomos cargados eléctricamente) cuyo conocimiento y regulación podría servir para múltiples aplicaciones. El hallazgo se describe en la prestigiosa revista ACS Nano.

“Descubrimos algo inusual, que una interrelación entre el transporte de fluidos y el flujo de iones se produce espontáneamente (sin necesidad de invertir energía) en una red artificial de nanoporos”, afirma Martín G. Bellino, director del trabajo e investigador del CONICET en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, CONICET- CNEA). Y continúa: “Lo novedoso no es en sí el nanomaterial, sino el fenómeno observado. Los iones pasan de ser simplemente transportados por el fluido a ser los pilotos que lo conducen, además autorregulan su transporte y localización espacio-temporal según el tipo y la cantidad. También vimos procesos donde ciertos iones ponen en tiempo en espera al fluido que los contiene para luego avanzar abruptamente. Resulta sorprendente ver procesos tan complejos en sistemas tan simples”.

Para Bellino, una de las virtudes más importantes de los fenómenos descritos en el estudio es que además de ser espontáneos, son reconfigurables, es decir, se pueden predecir y controlar. “Uno puede, según la cantidad y el tipo de iones que elija (ion sodio, potasio, calcio u otro), definir el avance del fluido, es decir, programarlo. Por ejemplo, la selección del tipo de ion funciona como la señal de entrada (input) que determina la localización espacio-temporal de los flujos (output). La elección de la cantidad en cambio funciona como controlador de la dinámica del transporte (como frena y acelera). Encontrar procesos espontáneos y a la vez controlables a partir de variables del sistema permite su aplicación e integración como unidades modulares autónomas de tamaño nanométrico para realizar tareas programadas para muchas aplicaciones”, puntualiza el investigador.

Según Agustín Pizarro, primer autor del trabajo e investigador del Instituto de Nanosistemas, Escuela de Bio y Nanotecnologías, (INS-UNSAM-CONICET), “manipular la materia desde lo atómico y molecular, abre la posibilidad de construir redes artificiales de nanoporos con propiedades a medida ajustadas a la aplicación en la que se las quiera integrar”.

Además de descubrir que los fenómenos de transporte ion-fluido en películas delgadas nanoporosas no son simplemente flujos a través del espacio poroso, “sino que presentan una interacción cruzada, también pudimos entender físico-químicamente la génesis del fenómeno para lograr programarlo. En el futuro apuntaremos a evaluar el tránsito a nivel molecular donde efectos más marcados de confinamiento conlleven a nuevos comportamientos de trasporte inteligente”, puntualiza Bellino.

Aplicaciones potenciales de la nanofluídica

Se podría decir que la nanofluídica es uno de los lenguajes de la naturaleza, indica Pizarro. Y continúa: “Muchos de los procesos que ocurren en organismos vivos implican comunicación a través del transporte de fluidos. Por ejemplo, una célula es experta en enviar información a través del flujo de iones, mensajes que son enviados desde cavidades de tamaño nanométrico en su membrana, para que luego sea interpretada y se disparen acciones. Este fenómeno ocurre en las sinapsis cuando las neuronas se comunican”.

Precisamente, una de las principales motivaciones del trabajo del equipo del CONICET es desarrollar plataformas donde puedan tener lugar procesos bioinspirados: una red de nanoporos interconectados por donde se envíen iones que desempeñen diferentes funciones.

“Hace ya varios años que estamos interesados en la nanofluídica, y en los maravillosos fenómenos que ocurren en esas escalas”, señala Galo Soler-Illia, codirector del estudio e investigador del CONICET y director del INS. Y agrega: “Lo que nuestro trabajo demuestra es que cuando hay sales disueltas cargadas de iones en agua confinada, se producen cambios muy importantes en la movilidad del líquido, que son una compleja combinación de efectos de mojado de las paredes, evaporación y adsorción de iones”.

Cada sal tiene su “personalidad” y eso cambia la velocidad a la que el líquido circula. “Esto es muy novedoso e interesante, por sus relaciones con los procesos biológicos, y también para el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en líquidos confinados, desde sensores a membranas de desalinización, a neuronas artificiales o incluso a ‘computación líquida’”, explica Soler-Illia quien junto a Bellino y otros colegas fundaron en 2017 Hybridon, una empresa de base tecnológica que nació bajo el patrocinio del CONICET, la UNSAM, la CNEA y la UBA y que desarrolla productos y tecnologías basadas en nanotecnología para diferentes sectores.

En esa línea, Pizarro menciona la iontrónica, “una tecnología que nació hace pocos años e implica el uso de iones como información, conformando circuitos que funcionan en un medio líquido y que permitiría desarrollar procesos similares a los que hoy conocemos en informática, pero bioinspirados: así como hoy un circuito electrónico opera a través del envío de electrones, la iontrónica ofrece la posibilidad de expandir eso y usar una librería enorme de especies iónicas para el envío y procesamiento de la información. En mi opinión la iontrónica va a tener un rol clave en la computación del futuro”.

“La iontrónica surgió a partir de la fusión de conceptos de la electrónica y la biología. La idea central era la de entender cómo los iones pueden llevar información en líquidos, a la manera de los sistemas biológicos, desde las membranas celulares a las neuronas. Fue evolucionando hacia la creación de verdaderos circuitos lógicos líquidos, en donde uno pueda usar esas propiedades de la físicoquímica de soluciones para enviar señales y almacenar información”, explica Soler-Illia. Y agrega: “En el futuro, se espera poder integrar estos ‘circuitos líquidos’ con la electrónica tradicional, para hacer verdaderas interfaces, por ejemplo, en implantes, visión artificial, músculos artificiales, y otros dispositivos que conecten personas y máquinas. Como dijo Arthur Clarke, ‘la tecnología avanzada es indistinguible de la magia’. Allá vamos”.

“Todo lo que estamos aprendiendo en estos medios nanoscópicos es muy útil para diseñar transportes espontáneos, pero que además puedan cumplir con alguna premisa, por ejemplo, llevar un determinado compuesto a un lugar preciso y ejecutar una función, en un lapso de tiempo definido, sin consumo de energía y sin ninguna manipulación externa”, destaca Claudio Berli, codirector del estudio, investigador del CONICET y director del Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (INTEC, CONICET- UNL).

El transporte espontáneo de agua y iones en membranas nanoporosas también es el corazón de un problema de enorme interés actual: la generación de electricidad a partir de la evaporación del agua. “Uno se las puede arreglar para colectar la pequeña corriente eléctrica del agua que circula en circuitos nanofluídicos. Suena demasiado fácil, pero funciona. Ya hay prototipos que pueden cargar el celular, sin consumo de energía, solo impulsado por moléculas de agua que se evaporan desde los nanoporos”, afirma Berli, consultor de start-ups de bio y nanotecnología, como Lipomize, una empresa especializada en el desarrollo y producción de formulaciones para la industria farmacéutica, dermocosmética y nutracéutica.

“El desarrollo de estrategias para el manejo preciso de líquidos a pequeñas escalas también es un objetivo primordial para logar herramientas de control y manipulación en dispositivos de diagnóstico biomédico miniaturizados”, señala Bellino. Y concluye: “Los novedosos fenómenos que pudimos observar en nuestro trabajo tienen claras perspectivas de aplicación en estas áreas de frontera incorporando la interacción ion-flujo como un principio distintivo de operación”.