Diseñan materiales inteligentes a partir de cristales líquidos

UN/DICYT Equipos electrónicos que se autorreparan, medicamentos inteligentes que atacan directamente la enfermedad y no dañan otros órganos, así como sensores biológicos, son algunas de las aplicaciones. La investigación fue desarrollada conjuntamente entre la Universidad Nacional de Colombia (UN) en Medellín y la Universidad de Wisconsin-Madison (EE. UU).

Cristina desechó varios teléfonos celulares porque, al dejarlos caer, les quebró la pantalla y quedaron inservibles. Hernando padece de diabetes y debe inyectarse insulina a diario para controlar la enfermedad, lo que le afecta varios órganos del cuerpo.

Estas situaciones estarían próximas a cambiar gracias al entendimiento que lograron científicos de ambas instituciones sobre los cristales líquidos: un particular estado de la materia en el que una sustancia tiene tanto las cualidades de un líquido como las de un sólido. Sus revelaciones merecieron un artículo en una de las revistas científicas más antiguas y prestigiosas del mundo: Nature.

Se trata de un estudio que devela el comportamiento de estas sustancias, a fin de diseñar materiales inteligentes que se usarán en distintos campos. Por ejemplo, en equipos electrónicos como celulares, televisores y computadores —que se autorrepararán de un día para otro—, así como en nuevos empaques a escala nanométrica para medicamentos y en el desarrollo de sensores biológicos.

Para Juan de Pablo, docente e investigador de la universidad estadounidense, la principal contribución del trabajo es "desarrollar aplicaciones más refinadas y expandir su utilidad a nuevas áreas, con el fin de hacer diseños más eficientes".

Líquido y sólido

A diferencia de otras sustancias, como el agua, cuyas moléculas presentan simetría esférica, las de los cristales líquidos son alargadas o en forma de disco y se pueden extraer de hidrocarburos y de recursos orgánicos.

Por eso, es un material que tiene las cualidades del estado líquido; por ejemplo, se acomoda perfectamente en un recipiente (como el agua en la botella) y tiene características como viscosidad y fluidez. Pero, a la vez, tiene propiedades del estado sólido similares a las de los cristales, que pueden desviar la luz blanca y darle color dependiendo del tratamiento.

Cuando pasa a través de estas partículas, la luz cambia de dirección e, incluso, de color por la modificación de su índice de refracción. Es algo parecido al efecto visual cuando se introduce un lápiz en un vaso de agua y pareciera que la parte sumergida se separara de la parte emergida. En el caso de estos cristales, en la medida en que cambia su orientación también lo hace la frecuencia de la luz y, por ende, el tono observable.

"Esto hace que dispositivos como pantallas, celulares, sensores biológicos, etcétera, se puedan desarrollar de forma más sofisticada. Lo que hacemos es manipular la orientación del cristal para que percibamos colores y formas determinadas en una pantalla, forzando su deformación por medio de campos electromagnéticos", explica Juan Pablo Hernández Ortiz, docente de la Facultad de Minas.

El desarrollo científico se puede aplicar, por ejemplo, en la fabricación de sensores altamente sensibles, como los que hoy son usados por los soldados del ejército de Estados Unidos. "En sus uniformes llevan una cinta donde se ubica un sensor diseñado para un gas determinado (ántrax, gas mostaza). Si el militar ve que su cinta cambia de color, se pone la máscara antes de sufrir una intoxicación", aclara el experto de la UN. Los dispositivos son fabricados por empresas estadounidenses y en Colombia se están adelantando los estudios teóricos y las simulaciones.

Más aún, con esta tecnología se podría detectar la presencia de una bacteria o un virus a partir de una sola molécula; lo cual es un adelanto, pues actualmente muchas veces se detectan cuando ya no hay forma de control. El "secreto" consiste en que la molécula afecta la orientación del cristal líquido, el cual, por consiguiente, cambia la frecuencia de la luz y su color.

"Gracias a este descubrimiento podríamos ubicar sensores en los árboles de café, para saber con anticipación cuándo fumigar ante la presencia de una bacteria, incluso antes de que la planta empiece a responder al agente nocivo", asegura.

En el área médica, las aplicaciones serían más impresionantes. "Existe la posibilidad de crear un cultivo de la sangre de un paciente y, si vemos algo anormal, los sensores detectarían una afección mucho más rápido que otros sistemas diagnósticos. La solución sería mucho más efectiva", señala el docente de la UN.

Prodigio diminuto

Este material también podría convertirse en una excelente opción para empacar los medicamentos con los cuales se tratan enfermedades degenerativas.

"A los pacientes se les podrían suministrar drogas de manera inteligente. De modo que, cuando una persona sufra un tumor o un cáncer, la droga ataque puntualmente la parte afectada y no envenene todo el cuerpo. Esto se logra diseñando el empaque de tal manera que el cristal líquido interactúe de manera específica en un lugar del cuerpo (o conjunto de células) determinado".

El profesor Hernández Ortiz precisa que la idea es desarrollar nuevas alternativas que mejoren de forma inmediata la calidad de vida de las personas. "No pretendemos copiar ni mezclar materiales, sino inventarlos".