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Construcción de Nanotubos de Carbono Superconductores Guiada por el ADN

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

La utilización de materiales superconductores ofrece la posibilidad de realizar importantes avances tecnológicos si el fenómeno puede aprovecharse de forma rentable. El problema es que la mayoría de los materiales sólo alcanzan el estado superconductor a temperaturas muy bajas o a presiones muy altas (véase el artículo de la Dra. Inés Urdaneta sobre la superconductividad a altas presiones). Mantener esas condiciones ambientales es un reto de ingeniería y su coste es prohibitivo para las aplicaciones en tecnologías de uso personal, como los computadores domésticos ultrarrápidos y los dispositivos de comunicación, o en infraestructuras públicas como el transporte de levitación magnética y la transmisión eléctrica (reduciendo en gran medida el desperdicio de energía y, por tanto, el uso de la misma, al tiempo que aumenta la viabilidad de una distribución de energía casi perfectamente eficiente - perfectly efficient energy distribution).

Para que la superconductividad vaya más allá de las aplicaciones de nicho, se necesita un superconductor a temperatura ambiente, y la búsqueda de un superconductor a temperatura ambiente que sea escalable y asequible está en marcha, ya que esa capacidad revolucionará nuestras tecnologías modernas y proporcionará extraordinarias facilidades a nuestra vida cotidiana.  Esta es la promesa de un elemento bastante mundano, el carbono (que compone la mayor parte del cuerpo humano), pero que cuando se ordena a nivel molecular tiene notables propiedades electrodinámicas, como una conducción de electrones casi 100% eficiente. Esencialmente, en configuraciones moleculares como los nanotubos de carbono, los electrones son capaces de moverse a lo largo de la red molecular a velocidades asombrosas de forma altamente coherente con resistencias casi nulas y, por tanto, sin pérdida de energía por fricción y calor.  

El físico de Stanford William Little fue uno de los primeros científicos en darse cuenta de que las macromoléculas orgánicas podrían ser el material perfecto para un superconductor de temperatura ambiente. En una publicación de hace más de 50 años [1], William Little hablaba de las propiedades de las macromoléculas orgánicas que las convertían en superconductores potenciales ideales a temperatura ambiente (o superior):

...la superconductividad debería poder darse en ciertos tipos muy específicos de macromoléculas orgánicas... la temperatura de transición para el inicio de la superconductividad debería ser alta en comparación con la de los superconductores metálicos.

Parece, pues, que se abre ante nosotros todo un nuevo campo de materiales en el que la enorme versatilidad de estructura en concepto y diseño de que disponemos en los materiales orgánicos nos permite un grado de sofisticación inimaginable en los sistemas inorgánicos. -William A. Little. Superconductivity of Organic Polymers. Journal of Polymer Science, No. 17, PP. 3-12, 1967.

Si el potencial de superconductividad a alta temperatura de las macromoléculas orgánicas se conoce desde hace más de 50 años, ¿por qué no se ha producido ninguna fabricación a gran escala de estos materiales? Uno de los principales retos a los que se enfrentan los científicos de materiales que trabajan con estas notables macromoléculas es que su estado inicial no suele ser totalmente compatible con la exaptación tecnológica: las moléculas deben sufrir modificaciones de ingeniería que "funcionalicen" el material, como el recocido de moléculas adicionales a la estructura que mejoren, estabilicen o amplíen las propiedades cuánticas del material.

Se trata de la nanoingeniería, y aunque el organismo vivo es el sistema de nanoingeniería por excelencia, los ingenieros humanos no hemos llegado a dominar el proceso extremadamente difícil de ordenar átomos y moléculas individualmente.

Ahora, científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología y sus colaboradores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Virginia, han publicado en la revista Science una técnica que utiliza el ADN para la nanoingeniería de precisión y la funcionalización ordenada de nanotubos de carbono de pared simple [2]. Normalmente, la funcionalización, o la colocación de moléculas adicionales en la superficie de los nanotubos de carbono, es aleatoria y, por lo tanto, no permite el tipo de geometría de precisión ordenada necesaria para las resonancias cuánticas que permitirían una superconductividad plenamente estabilizada.

El equipo utilizó entramados de oligómeros de guanina (G) y citosina (C) para formar un andamiaje a lo largo de la superficie de un nanotubo de carbono de pared simple y recocido de los residuos mediante reacciones de fotoreticulación. El equipo demostró mediante criomicroscopía electrónica que las secuencias C3GC7GC3 creaban regularmente una estructura helicoidal ordenada con una periodicidad molecular. Las modificaciones covalentes resultantes son una estrategia prometedora para la ingeniería de las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono. El equipo de investigadores cree que su notable método de construcción de entramados guiado por el ADN podría tener una amplia variedad de aplicaciones de investigación útiles, especialmente en física. Pero también valida la posibilidad de construir el superconductor a temperatura ambiente de William Little. El trabajo de los científicos, combinado con otros avances en superconductores de los últimos años, podría acabar transformando la tecnología tal y como la conocemos.

Referencias

[1] Little, W.A. (1967), Superconductivity of organic polymers. J. polym. sci., C Polym. symp., 17: 1-12. https://doi.org/10.1002/polc.5070170103

[2] Zhiwei Lin et al, DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abo4628

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