08/Sep/05

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Puntos cuánticos o 'átomos artificiales' emergen a la realidad cotidiana

(El País) - Los puntos cuánticos (qdots o quantum dots en inglés) o átomos artificiales son nanoestructuras creadas en el laboratorio que miden millonésimas de milímetro —nanómetros—. Inventadas hace casi dos décadas, tienen un sinfín de aplicaciones en áreas tan variadas como las telecomunicaciones, la computación cuántica, la seguridad o la biomedicina.

En el mundo macroscópico, los puntos cuánticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana, o estar disueltos en un líquido. Nadie sospecharía que esa sustancia ha sido construida en el laboratorio partiendo de unos pocos átomos, con técnicas que manipulan la materia a escalas de nanómetros. A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras, como pirámides o montañas, formadas por unos pocos cientos o miles de átomos. Esas estructuras son los puntos cuánticos.

Lo especial es que, en ellos, los electrones están obligados a permanecer atrapados, confinados en las tres dimensiones, y eso genera curiosos fenómenos cuánticos. En concreto, los electrones se disponen en el punto como en un único átomo, de ahí el apodo átomos artificiales. Y de ahí, también, el que la materia estructurada en puntos cuánticos tenga propiedades que pueden ser controladas a voluntad.

Una de ellas es que, al ser iluminados, los puntos cuánticos reemiten luz en una longitud de onda muy específica y que depende del tamaño del punto cuántico. Cuanto más pequeños sean los puntos, menor es la longitud de onda y más acusadas las propiedades cuánticas de la luz que emiten. El resultado es que "puedes diseñar de antemano un punto cuántico para la longitud de onda que desees", explica Carlos Tejedor, del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

Esta una propiedad que los laboratorios llevan queriendo aprovechar desde principios de los noventa, "pero sólo ahora la tecnología de fabricación ha alcanzado un grado de calidad aceptable para las aplicaciones comerciales", señala Tejedor. "Ahora, el campo está en pleno auge". Fernando Briones, del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM), del CSIC, lo corrobora: "Sí, últimamente hay ya una variada fauna de puntos cuánticos. Los hay de muchos tipos, para aplicaciones muy diferentes".

Un informe de este año de la compañía Business Communications Company aseguraba que para el 2009, el mercado global de puntos cuánticos, contando todas las aplicaciones, superaría los 500 millones de dólares (unos 400,64 millones de euros). Hay una aplicación obvia: la optoelectrónica. Con los puntos cuánticos de materiales semiconductores, como arseniuro de indio y fosfuro de indio, se fabrican diodos láser emisores de luz más eficientes que los usados hoy en lectores de CD, de códigos de barras y demás. Así que se espera que acaben sustituyéndolos a corto o medio plazo.

Pero además se abren muchas más posibilidades: en células fotovoltaicas, en telecomunicaciones, en seguridad —en billetes o documentos, en los que se embeben puntos cuánticos invisibles a simple vista—, en criptografía cuántica, o en computación cuántica, en la que los puntos cuánticos proporcionarían las unidades de información, los qubits, de los aún hipotéticos ordenadores cuánticos de enorme capacidad de cálculo. El año pasado, dos grupos consiguieron demostrar independientemente que es posible crear un vínculo cuántico —un entrelazamiento— entre dos puntos cuánticos, de forma que lo que le ocurra al uno afecte al otro y viceversa, un principio básico de los ordenadores cuánticos.

La investigación con puntos cuánticos en la UAM y en el CNM se orienta a su uso como componentes materiales para la información cuántica. Los grupos de Luisa González, Jorge García y Fernando Briones en el CNM fabrican ya diodos láser de altas prestaciones en los que se integran puntos cuánticos de semiconductor con técnicas de autoensamblado por epitaxia de haces moleculares.

Sin embargo, las aplicaciones que parecen llevar la delantera en cuanto a comercialización son las de biomedicina. En este caso, los puntos cuánticos no están embebidos en una matriz, sino que son cristales independientes, pero su fundamento y sus propiedades físicas son las mismas. Xavier Michelet, de la Universidad de California, coautor de una revisión sobre usos de puntos cuánticos en biología publicada en Science, explica por correo electrónico: "Los puntos cuánticos emiten luz brillante y muy estable. Con ellos se obtienen imágenes de mucho contraste usando láseres menos potentes, y no existe el temor de que se apaguen". Además, la longitud de onda tan específica a la que brillan evita las superposiciones, y permite teñir a la vez muchas más estructuras que con los métodos de tinción tradicionales.

El primer uso de los puntos cuánticos en biología fue en un embrión de rana, hace tres años. Los investigadores envolvieron los puntos cuánticos en micelas —moléculas que forman esferas solubles en agua— para poderlos sumergir en un medio húmedo, e inyectaron miles de millones de ellos en embriones de rana; después, con técnicas de imagen en vivo pudieron seguir a las células fluorescentes y a sus descendientes a medida que se iban diferenciando, durante varios días. En 2003, otro grupo obtuvo imágenes de los capilares de un ratón vivo al que se le habían inyectado los puntos cuánticos bajo la piel. Las imágenes tenían mil veces más resolución que las obtenidas con técnicas convencionales, hasta el punto de que se detectaba la vibración de los capilares al ritmo de los latidos cardiacos.

Pero, además, a los puntos cuánticos, que tienen más o menos el tamaño de las proteínas, se les puede pegar anticuerpos capaces de reconocer compuestos, células o virus. Muchos investigadores planean usarlos como marcadores de células cancerosas, a las que se podría seguir a medida que se multiplican o migran. Varios grupos han logrado ya que se adhieran a proteínas que flotan en la membrana de la célula —receptores—. Por ejemplo, el año pasado un grupo los usó para señalar la localización de nódulos linfáticos durante la propia operación para eliminarlos —en cerdos y ratones—. Y en abril de este año se publicó el uso de puntos cuánticos para detectar el virus respiratorio sincitial apenas una hora después de que infectara a células. También han sido usados en plantas, adheridos a una proteína que a su vez se pega al polen.

¿Se podrían, además, usar los puntos cuánticos como transportadores de fármacos hasta células específicas, por ejemplo? Responde Michelet: "La idea de los nanorrobots patrullando por la sangre es seductora (o temible, según el punto de vista), pero aún está lejos del estado actual del arte en nanotecnología. Sin embargo, hace tiempo que se piensa en una sonda molecular multimodal y los puntos cuánticos sí que pueden ser equipados con funciones suplementarias. Nosotros ya estamos haciendo algo así, poniendo en cada punto cuántico unos pocos péptidos con propiedades de solubilización; otros, para evitar que el punto cuántico se adhiera con otros tejidos; otros, para llegar al objetivo deseado... La lista de posibles añadidos al punto cuántico es interminable, y se les podría añadir moléculas con acción terapéutica".

Otra posibilidad ante la que los biólogos se frotan las manos es la de usar los puntos cuánticos como sondas moleculares que penetren dentro de la célula. Sería un campo del todo nuevo. En la tinción de células en vivo ya hay métodos muy buenos y, por tanto, los puntos cuánticos son una mejora o un método complementario, pero nunca antes se ha aspirado a "marcar unas pocas proteínas, cada una con su punto cuántico, y observarlas en el microscopio mientras realizan sus tareas en la célula", señala Michelet. "Sería como tener una cámara en miniatura dentro de la célula, un gran paso para la biología celular". Hasta ahora, sin embargo, los intentos en esta dirección no han dado buenos resultados porque la mayoría de las veces los puntos cuánticos acaban "en la maquinaria de reciclado de la célula", pero Michelet cree que es cuestión de tiempo.

Pero antes hay que resolver una cuestión clave: la toxicidad. Los puntos cuánticos usados en biología se hacen con cadmio y otros elementos tóxicos, pero eso no implica necesariamente que los puntos cuánticos deban serlo. "No hay datos aún para estimar la toxicidad de los nanocristales", escribían en Nature Biotechnology los autores del marcaje de los nódulos linfáticos. Recabar estos datos no es nada fácil debido a la gran diversidad de puntos cuánticos sintetizados por laboratorios que usan métodos y materiales distintos. Los institutos nacionales de salud estadounidenses han creado un Laboratorio de Caracterización en Nanotecnología que probará las muestras que envíen los grupos y decidirá si cumplen las normas de toxicidad establecidas por la Food and Drug Administration (FDA) de los Estados Unidos.