Desarrollo de circuitos moleculares en la PUCV demuestra que es posible generar investigación regional de impacto mundial

Investigador del Instituto de Química de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Dr. Patricio Leyton, desarrolla junto a su equipo, circuitos eléctricos con moléculas que se comportan como resistencias o alambres moleculares, al igual que los que encontramos en los circuitos eléctricos convencionales, pero a una escala mucho menor.

Cada día es más frecuente ver cómo la realidad supera a la ficción y, en este sentido, los límites de la imaginación se expanden a una velocidad impensada. Esta frase simboliza de forma concreta una investigación impulsada por el académico y jefe de investigación del Instituto de Química de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Dr. Patricio Leyton, quien trabaja en la actualidad en este proyecto Fondecyt, cuyo principal objetivo es construir circuitos eléctricos con moléculas para diversos usos.

Estos prototipos tienen una gran proyección, pueden ser usados en el desarrollo tecnológico en nanotecnología; en la elaboración de sensores capaces de medir radiación solar y contaminación; y en la aplicación de sistemas para detectar y tratar el cáncer, entre muchos otros.

De esta forma, el salto cualitativo entre la clase de Química en etapa escolar, donde se nos enseñaba que las moléculas eran conjuntos de átomos de propiedades químicas específicas y las actuales investigaciones relacionadas con avances en electrónica molecular, que buscan desarrollar circuitos o dispositivos a través de moléculas, es enorme y difícil de dimensionar.

Estos prometedores descubrimientos, relacionados con reemplazar los circuitos eléctricos convencionales por circuitos moleculares, poseen infinita proyección y múltiples posibilidades de mejora, como son la velocidad asociada a los procesos, el gasto energético y la duración. Esta línea de investigación aplicada de la PUCV, en una primera etapa está pensada para desarrollar circuitos pequeños aplicados a paneles solares y sensores.

Sobre esta innovadora línea de investigación y las proyecciones de estos circuitos moleculares, el profesor Dr. Patricio Leyton, quien en su vasta trayectoria ha impulsado proyectos Fondecyt y Fondequip para adquirir tecnología de punta, nos concedió una extensa entrevista, donde explicó el gran potencial de su trabajo basado en el desarrollo de circuitos moleculares.

En la actualidad trabaja en proyecto FONDECYT Nº 1140810: “Supramolecular structure and organization of cruciform pi-systems on metal surfaces. A Reflection-Absorption IR and Surface Enhanced IR Spectroscopy study of future prospects in molecular sensor devices” del Grupo de Espectroscopia Vibracional y Materiales Moleculares”.

¿Cómo nace la idea de trabajar con moléculas para desarrollar circuitos?

A partir de las investigaciones realizadas por unos premios nobel de Japón y Estados Unidos, quienes hace bastantes años, comenzaron a estudiar un conjunto de moléculas las cuales tienen un comportamiento electrónico similar a los alambres metálicos empleados en circuitos convencionales y que fueron denominadas como alambres moleculares. Luego, convirtieron los alambres moleculares en polímeros (macromoléculas), que por sus características son conductores y tienen múltiples aplicaciones, por ejemplo, en láser y televisores LED.

¿De qué manera se puede observar su comportamiento?

Se puede ver macroscópicamente, no es necesario el uso del microscopio. Así, cuando uno sintetiza la molécula y la disuelve en algún solvente, coloca su estructura bajo la luz y ésta reacciona emitiendo distintos colores. Estas propiedades ópticas, están muy relacionadas a los electrones que son partículas que se encuentran alrededor del núcleo del átomo y que tienen carga eléctrica negativa.

¿Cómo se relaciona esto a su línea de investigación?

Nosotros investigamos ciertas moléculas que tienen un comportamiento muy parecido a los circuitos eléctricos. El primer paso consiste en clasificarlas, con el objeto de determinar cuáles actúan como resistencia, conductores o capacitores. Para que la gente entienda lo difícil que es este trabajo, les contamos que en un circuito eléctrico físico a escala normal, nosotros somos capaces de ver sus componentes, pero en este caso estamos hablando de una escala molecular que ni siquiera es observable a través de un microscopio óptico común.

En síntesis, la idea central del proyecto consiste en primero sintetizar moléculas con distintas propiedades, para luego ver si actúan como resistencia, alambre o conductores moleculares, sobre una superficie metálica que hace el rol de contacto y, de esta manera, poder diseñar un circuito a partir de moléculas y llevarlo a escala atómica-molecular.

¿Cómo se pueden manipular a este nivel atómico?

Para llegar a la molécula final cruciforme, trabajamos bajo un protocolo que tiene pasos bien definidos en las reacciones químicas a seguir y que considera un inicio y un resultado esperable. Luego, avanzamos hacia una etapa más compleja que incluye disolver las moléculas resultantes en un solvente a concentración baja, generando baterías de concentraciones en el laboratorio, a través de un método que se llama “por depósito”, que consiste en tomar una pequeña cantidad de la muestra (microlitro) y depositarla en una superficie metálica. Cuando el solvente se evapora, estos sistemas moleculares tienden a ordenarse.

Hay que considerar que trabajamos con sistemas que poseen cientos de millones de moléculas, ya que hacerlo de manera unitaria es casi imposible en las actuales condiciones en nuestro país. Por ello, optamos por estudiar en el laboratorio, macrosistemas compuestos por una alta concentración de moléculas, con el objetivo de medir sus propiedades y hacer extrapolaciones.

¿De qué manera se ordenan las moléculas sobre el metal?

Nosotros hacemos una clasificación previa, con simulaciones computacionales o analizamos las propiedades físicas de las moléculas para anticiparnos a lo que va a ocurrir. Así, por ejemplo, podemos determinar cuáles tienen propiedades conductoras y cuáles de resistencia.

Para este trabajo, contamos con un Espectrométro Raman, instrumento de alta tecnología que nos permite someter la molécula adsorbida sobre el metal a la luz, observando cómo cada uno de los sistemas sintetizados interactúa de forma distinta con ella. A modo de ejemplo, cuando uno mira un plástico rojo y otro azul, lo que estamos observando es que ambos materiales, están conformados por moléculas que interactúan de forma distinta con la luz.

¿Podría explicarnos la diferencia entre adsorción y absorción?

Claro, la adsorción puede definirse como la tendencia de un componente del sistema a concentrarse en una superficie, es decir, en la interfase, donde la composición interfacial es diferente a las composiciones correspondientes al seno de las fases. En cambio en el fenómeno de absorción, existe una penetración física de una fase en otra. No obstante la diferencia, es factible que ambos sucedan simultáneamente. Para que la gente comprenda de mejor manera, me gustaría compartir con ustedes la siguiente caricatura que explica la diferencia de forma más didáctica.

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Teniendo claro el concepto ¿Cómo se ordenan en el marco de este proceso de adsorción las moléculas que tienen unas u otras propiedades?

Generamos un registro que se llama espectro, que es una especie de cédula de identidad de la molécula. Dicho esto, dos moléculas iguales tienen el mismo espectro y esos espectros se modifican también dependiendo de cómo se adsorben, en este caso en el metal.

Al momento de sintetizar estos sistemas moleculares, la interacción molécula-metal es garantizada mediante algunos elementos como azufre, nitrógeno y oxígeno presentes en la estructura molecular. Por lo tanto el ordenamiento no es aleatorio, es direccionado porque necesitamos que las uniones entre las moléculas y la superficie sean fuertes.

Explicado de una forma más simple, las moléculas tienen muchas formas de interaccionar con su entorno y, una de ellas, es el cambio de color al colocarla sobre un metal. En la actualidad, sus propiedades son utilizadas para generar sensores y/o biosensores, muy útiles en sistemas de biodiagnóstico, ya sea para detectar cáncer, diabetes o para realizar inmunoensayos, para enfermedades como el VIH.

¿Ustedes trabajarían en esta línea de biodiagnóstico?

Nuestra orientación es más aplicada a la química básica. De esta forma, trabajamos con moléculas que presentan comportamientos ópticos reactivos a la luz y que, además, son conductoras. Éstas, pueden ser muy útiles, por ejemplo, para el desarrollo de celdas solares.

Para ello y a partir de datos aislados que se conocen hasta hoy, sobre las propiedades de unas u otras moléculas, nos hemos puesto como primer objetivo, realizar un trazado de éstas, para clasificarlas en grupos según sus características, para luego estudiar su comportamiento al ser adsorbidas en superficies metálicas, siempre pensando emular un contacto como parte integrante de un circuito.

¿Es muy importante el orden?

Por supuesto, porque la corriente eléctrica es un vector y cuando los vectores están desordenados no hay conducción. A modo de ejemplo, en el campo del biodiagnóstico, las moléculas ordenadas en una superficie o placas, poseen una resistencia mecánica que genera cambios al estar en contacto con alguna sustancia. De esta manera, una placa puede ponerse en contacto con agua y, según el cambio de coloración, determinar si existe contaminación en ella.

En nuestro caso, trabajamos para ordenar y clasificar moléculas según sus propiedades, aportando los antecedentes para que las nuevas generaciones sean capaces, en un tiempo no muy lejano, de construir circuitos de moléculas, aplicables a la nanotecnología y, por supuesto, traspasando el límite físico y llevarlo a la escala molecular.

¿Cuál sería la principal ventaja de estos circuitos?

En la actualidad, el gran desafío de la tecnología, es entregar productos de mayores prestaciones y menor tamaño para facilitar su portabilidad. Para ello, es necesario trabajar en la miniaturización de aparatos tecnológicos como computadores o teléfonos móviles, lo que implica también disminuir el tamaño de los sistemas que en la actualidad son macroscópicos, es decir, uno los puede mirar.

En síntesis, nuestra idea es ir más allá, desarrollando circuitos eléctricos con moléculas que se comportan como resistencias o alambres moleculares, al igual que los que encontramos en los circuitos eléctricos convencionales, pero a una escala mucho menor. Una de las miles de ventajas que podríamos enumerar, se relacionan con el desarrollo de estos circuitos a escala molecular para computadores, lo que disminuiría el sobrecalentamiento. Además, un circuito molecular funcionaría mucho más rápido que los que hoy encontramos físicamente en la tecnología.  

¿Quiénes trabajan en el proyecto?

Trabajo con estudiantes de pre y postgrado, quienes sintetizan moléculas derivadas del benceno y que se conocen como ‘conjugadas’, porque tienen un sistema de anillos aromáticos. A partir de ellas, construimos moléculas más grandes cruciformes, con las que desarrollamos esta investigación.

¿Al no ser moléculas naturales cuál es el procedimiento que siguen?

En el laboratorio, realizamos una serie de reacciones químicas, a partir de una estructura fundamental base. Así, comenzamos a modificarla hasta obtener las moléculas antes descritas y que tienen las características propias para conformar un circuito eléctrico. Este proceso es lento, dura aproximadamente dos meses o más y para optimizar los resultados, hay que tener mucho cuidado con el manejo de temperatura y solventes, ya que un pequeño descuido, podría hacernos perder meses de trabajo.

Por lo tanto, ¿Cuál sería la aplicación práctica de esta innovación?

Este trabajo de investigación, tiene múltiples aplicaciones. En el área de la salud, podríamos fomentar que los pacientes con cáncer dejen de tomar grandes cantidades de remedios y los utilicen de forma localizada a través de moléculas que reaccionen, por ejemplo, frente a cierta proteína específica.

En la actualidad, hay gente trabajando con nanotubos de carbono que son la última frontera de la tecnología y que se utilizan para la detección y el tratamiento del cáncer, actuando sobre ciertos antígenos o anticuerpos específicos para un determinado tipo de enfermedad.

Entre otras aplicaciones, podríamos mencionar la antigua práctica de los egipcios y romanos, que utilizaban las propiedades de los coloides metálicos para colorear la fabricación del vidrio. Actualmente también se utilizan para mantener alimentos, cuando son aplicados por ejemplo a los refrigeradores construidos con nanotecnología.

¿Cuáles son las etapas que vienen?

Aprovechar la nueva infraestructura que tenemos en los laboratorios y trascender de la observación y caracterización, hacia el desarrollo aplicado en sensores de metales, para que actúen detectando sustancias contaminantes como plomo o mercurio en ciertos territorios, muchos de ellos habitados.

¿En cuánto tiempo esperan tener un dispositivo como el que mencionas?

Estamos muy cerca. Creo que en uno o dos años más tendremos un sensor fabricado en la PUCV, que será nuestro primer switch molecular, cuya principal característica es su capacidad de reaccionar con cantidades mínimas, frente a los cambios del entorno. De esta manera, podríamos medir al instante niveles de contaminación, emisiones mineras y radiación solar, entre otras.

¿De qué manera actuaría este prototipo?

Supongamos a una persona que va a la playa y no sabe si es adecuado tomar sol por la radiación. En este punto, utilizamos una especie de vidrios, que se llaman dosímetros, los que cambian de color según la cantidad de radiación que emite el sol. En la misma línea, también podríamos encontrar sensores para determinar si el agua está contaminada. Estos son solo unos ejemplos, de las infinitas posibilidades que nos entregan estos circuitos y que están explicadas con más detalle técnico en la página web www.gev.ucv.cl

Finalmente, ¿Cuál es el valor que le otorgas a la investigación en la universidad, desde tu perspectiva de académico?

Muy alto para quienes estudiamos desde la ciencia básica, hacia algo más aplicado y tecnológico. Desde esta perspectiva, diseñar prototipos de sistemas desde la PUCV, es un significativo avance que debe ser apoyado en etapas posteriores, con mayores recursos provenientes de una política nacional.

Lamentablemente, hay una visión inmediatista de la investigación científica, que no considera que la ciencia tiene sus propios tiempos, que en algunos casos pueden ser años o décadas. En este sentido, las autoridades deberían entender que las investigaciones del presente, son las que generarán mejoras para el futuro, a través de nuevos conocimientos puestos al servicio de la sociedad y del desarrollo.

Por Marcelo Vásquez

VRIEA