Periódicos y azúcar, materias primas para fabricar sensores con celulosa

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  • Periódicos y azúcar, materias primas fabricar sensores celulosa
    Imagen que muestra el proceso de síntesis del nuevo material. Foto: Erlantz Lizundia (UPV/EHU)

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La Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea es el fruto de una larga hilera de tentativas a lo largo de la historia para que el País Vasco contara con una universidad que diera respuesta a las necesidades que afloran en la sociedad.
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Valiéndose de una fuente de celulosa, como los periódicos, y de azúcar para sintetizar nanopartículas de carbono, investigadores del Departamento de Química Física de la UPV/EHU han desarrollado un material que puede ser útil como sensor, ya que sus componentes responden ante diferentes estímulos. Por ejemplo, la fluorescencia que presentan se ve aumentada o disminuida en presencia de distintos metales, por lo que pueden ser utilizados como materiales de detección de ellos.

Erlantz Lizundia, investigador del Departamento de Química Física de la UPV/EHU y experto en celulosa, dio comienzo a la investigación en una estancia que realizó en Canadá. El grupo de investigación en el que estuvo está especializado en la organización en forma de hélice de un producto extraído de la celulosa, los nanocristales de celulosa (CNC por sus siglas en inglés). En unas condiciones específicas, los cristales pueden adquirir forma helicoidal, o lo que es lo mismo, formar estructuras quirales nemáticas, mediante la organización de los cristales en capas ordenadas, y así lograr membranas con propiedades muy especiales: "En función de la distancia que hay entre las capas de nanocristales de celulosa que conforman la hélice, o estructura quiral nemática, la membrana presenta un color distinto. Se da una interacción entre la estructura y la luz, y, como consecuencia, cambia la longitud de onda de la luz, y se consiguen materiales de colores vivos", explica Lizundia. Esta capacidad de cambiar de color que presenta la estructura "puede ser muy útil para utilizar estas membranas como sensores; por ejemplo, al ponerlas en un entorno húmedo, la estructura se hinchará y aumentará la distancia entre las capas, y cambiará de color", añade. Ese efecto es conocido como color estructural, y es muy común en la naturaleza. El color de multitud de animales (serpientes, camaleones) y plantas es consecuencia directa de su estructura supramolecular, y no está relacionado, en contra de lo que se podría pensar, con la presencia de pigmentos.

"Es un material respetuoso con el medioambiente, ya que no es tóxico y sus materias primas son de carácter renovable, y el proceso de síntesis es rápido, simple y escalable" 

Queriendo ir un paso más allá de lo aprendido en Canadá, Lizundia pensó en incorporar otras nanopartículas funcionales en esa estructura quiral nemática, unas partículas que cambian de propiedades ante estímulos externos. Escogió los llamados nanopuntos de carbon (carbon dot en inglés), por un lado, porque son fluorescentes, es decir, emiten color al excitarlos con luz ultravioleta, y, por otro, porque pudo conseguirlos utilizando como materia prima azúcar: "Logré estas nanopartículas sometiendo a la glucosa a un tratamiento hidrotermal, utilizando únicamente agua y calor, y mediante un proceso rápido y barato", comenta el investigador.

El material final presenta las características que buscaba Lizundia: Por un lado, "es un material respetuoso con el medioambiente, ya que no es tóxico y sus materias primas son de carácter renovable, y el proceso de síntesis es rápido, simple y escalable. Por otro lado, además, el hecho de ser fluorescente dota al material de propiedades interesantes para poder ser utilizado como sensor", concreta Lizundia.

Apropiados como sensores de metales y como bioimagen

El haber introducido puntos de carbono dentro de la estructura quiral nemática de los nanocristales de celulosa convierte a este material en especialmente apropiado como detector de la presencia de hierro, por lo que, tal como explica Lizundia, "resulta muy útil para detectar la polución medioambienta o la presencia de metales en el cuerpo. Yo, concretamente, estudié la respuesta del material frente al cinc y el hierro, al ser los dos muy abundantes tanto en temas medioambientales como biológicos. Pude observar que la interacción de los iones metálicos con las nanopartículas de carbono influye en el nivel de fluorescencia que emiten las nanopartículas. En presencia de hierro, disminuye su fluorescencia, y en presencia de cinc, sin embargo, aumenta".

Otra posible aplicación de ese material puede ser el utilizarlo para formar bioimágenes. En la investigación realizada, Lizundia no llegó más que a probar que, efectivamente, ofrece esa posibilidad. "En breve pondré en marcha una investigación para profundizar en este tema, y utilizar estas nanopartículas para la creación de bioimágenes". La bioimagen consiste en crear imágenes mediante métodos no invasivos de procesos biológicos, como procesos celulares, así como medir la interacción entre moléculas en tiempo real, en el lugar donde están sucediendo esas interacciones.

Información complementaria

El investigador de la UPV/EHU Erlantz Lizundia realizó su trabajo de investigación en colaboración con la Universidad de British Columbia (UBC) de Canadá, y con la entidad FPInnovations, también canadiense. En aquella época Lizundia era investigador del Departamento de Química Física, en Leioa. A 

Referencia bibliográfica

E. Lizundia, T.D. Nguyen, J. L. Vilas, W. Y. Hamad, M. J. MacLachlan.. Chiroptical luminescent nanostructured cellulose films. Materials Chemistry Frontiers. 2016. DOI: 10.1039/C6QM00225K.

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