Querría utilizar la nanofotónica para que la gente viva más y mejor

Su compañera de viaje es la luz. Llevándola a la nanoescala, Javier Aizpurua persigue combatir el cáncer, obtener información escondida en átomos y moléculas, abrir nuevos caminos en la computación… Recientemente, ha sido elegido miembro de la Selección Española de la Ciencia 2015

Intenta entender los secretos de la luz como herramienta que todo lo puede. Manipulándola, es capaz de diseñar nanoestructuras que llevan medicamentos al lugar preciso donde el tumor se está desarrollando, crear materiales artificiales que abran la puerta la invisibilidad y soñar con sustituir la electrónica computacional por fotones.

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- ¿A qué se refiere cuando dice que en su laboratorio hacen la luz “más pequeña”?

- Javier Aizpurua. Nosotros trabajamos con nanofotónica, es decir la interacción de luz y nanomateria. La luz se puede caracterizar por una magnitud que se llama longitud de onda. En función de esa longitud de onda, que viene a ser en torno a los 500-600 nanómetros, tendremos un color u otro. La luz “normal”, como cualquier otra onda, tiende a escaparse, a desparramarse, no podemos atraparla. Esto ocurre debido al fenómeno de difracción, o doblamiento que sufre toda onda al llegar a un obstáculo, tal y como vemos con las olas de una piscina al golpear una pared, cuando rebotan . Resulta que las ondas no pueden localizarse ni resolver objetos más pequeños que su longitud de onda. Para hacernos una idea de lo que estamos hablando, basta recordar que un nanómetro es una millonésima parte de milímetro, más pequeño que el grosor de un pelo. Es como poner 100 átomos en línea. Pues bien, la luz tiene en torno a 600 nanómetros de longitud de onda, es decir, esa es la distancia entre la cresta de dos ondas. Si La particularidad está en que por esa pequeña longitud de onda que la caracteriza, por norma general no podemos comprimir la luz por debajo que esos 600 nm, ya que se nos escapa… . Sin embargo, las propiedades de unas nanopartículas muy pequeñas, permiten “atrapar” la luz durante un pequeño lapso de tiempo, abriendo un nuevo campo en el que la luz, por fin, puede interaccionar con objetos más pequeños que ella misma, con nanoobjetos, en lo que se denomina nanoóptica, o nanofotónica.

- ¿Por qué quiere hacerla más pequeña?

- Para ver cosas que de otra manera no veríamos, para acceder a la nanoescala con luz. La difracción de la luz no nos permite ver objetos más pequeños que su longitud de onda, es decir, si es de 600 nanómetros, veremos cosas de 600 nanómetros como mínimo. ¿Qué pasa si un objeto mide menos? Pues que con la luz ordinaria no podremos visualizarlo. Por ejemplo, un microscopio óptico corriente examina células que miden del orden de micras, pero nada más pequeño porque no puede bajar del tamaño de esa longitud de onda de 600 nm. Los físicos que trabajamos en nanofotónica, lo que hacemos, es valernos de la nanotecnología para diseñar y construir estructuras más pequeñas de 600 nm, que tengan unos 10, 20, 100 nanómetros que nos ayuden a localizar la luz. Nos ayudamos, por ejemplo, del oro porque sus propiedades en la nanoescala permiten comprimir la longitud de onda. Por ejemplo, si incidimos con luz verde de 500 nanómetros, cuando llega a esa nanopartícula de oro, la luz se comprime, y su longitud de onda efectiva se reduce a unos 10, 20 nanómetros. Por eso, de forma alegórica, decimos que hacemos la luz más pequeña. Con esas nanoestructuras metálicas creamos un efecto nanoantenade manera que podemos “ver” cada vez más y más pequeño.

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La luz puede hacer cosas tan maravillosas como doblarse, evitar un objeto y hacer que parezca invisible.

- Cuáles son las posibilidades tecnológicas que ofrece trabajar en la nanoescala a longitudes de onda óptica.

- Inmensas. Comunicaciones, microscopías, espectroscopía, sensórica, biomedicina. Atrapar la luz en la nanoescala y manipularla nos abre una abanico de posibilidades en todas esas áreas. La nanoóptica o la nanofotónica –se llaman así porque reducimos la luz a la nanoescala– abre muchas posibilidades en microscopía o en el tema de sensores, por ejemplo. También podemos hacer pasar esas nanopartículas por líquidos biológicos para intentar detectar sustancias en entornos mucho más pequeños que antes no podían ser descubiertas. Por otra parte, hoy en día llevamos la información en fibras ópticas. Si nosotros queremos trasvasar la información óptica a electrónica podremos poner nuestras nanopartículas y actuar como intermediarios entre uno y otro tipo de información, pero con la ventaja de este trasvase optoelectrónico se ejecuta en un tamaño reducido a la nanoescala. Estos efectos pueden por, por ejemplo, integrarse en un chip. Para hacer esto mismo antes había que hacerlo por medio de lentes y otros dispositivos complejos. Con la nanotecnología podemos capturar la luz, reducirla, transmitir información a los electrones… y todo en un espacio mucho más reducido.

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- ¿Qué papel juega en la salud humana?

- Esta captura de la luz de la que hablamos hace que las nanopartículas se calienten. El calor que desprenden se pueden introducir en el cuerpo humano para hacer termoterapia, es decir, para que de una manera térmica acaben con las células cancerígenas. Hay programas en Estados Unidos de desarrollo de estas nanoantenas, de estas nanopartículas para hacer tratamientos oncológicos.

- ¿En qué fase se encuentran?

- La DFA (algo así como el Ministerio de Sanidad y Consumo estadounidense) está permitiendo estudios clínicos en humanos con nanopartículas, es decir nanoantenas ópticas fabricadas con oro. Son biocompatibles y se inoculan en un ser vivo vía riego sanguíneo. Van por todo el cuerpo, se acumulan en hígado y riñones, pero también, por un proceso de esponjosidad, en las células tumorosas, que son algo más porosas. La ventaja es que estas nanoantennas se pueden funcionalizar con algunas biomoléculas para que se adhieran a determinados cánceres. Tres o cuatro horas después de la inoculación, las nanopartículas ya están rodeando el tumor. Recordemos que son pequeñísimas, más pequeñas que los glóbulos rojos, y que pueden traspasar paredes celulares. Una vez que están adheridas al área tumoral, se calienta la zona con una linternita de luz roja. Así, de forma muy sencilla y selectiva, se logra acabar con las células oncológicas sin alterar ni dañar las sanas.

- ¿Cuándo serán una realidad estas técnicas?

- Ahora mismo están desarrollándose en Houston, Texas. Llevan ya varios años con pruebas, pero el paso a la comercialización en hospitales no termina de llegar. Ya ha superado las pruebas de toxicología y está dando muy buenos resultados en tumores localizados, tipo cerebro, pecho y próstata. No es la panacea, porque para un cáncer generalizado de huesos o de sangre no serviría. Pero para los que son localizados y con ciertas propiedades podría ser una alternativa muy buena. No es como la radioterapia o la quimioterapia, que son muy invasivas y lo destrozan todo. La termoterapia por nanopartículas sería totalmente inocua.

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- ¿Podría llegar a sustituir a la quimio?

- Quizá no completamente. Dependerá del tipo de cáncer, de cómo las nanopartículas se adhieren a una serie de tumores. Seguro que lo harán mejor en unos que en otros. Ahora lo que se está mirando es la efectividad.

- ¿Cómo distinguen las nanopartículas entre células tumorales y sanas?

- No lo hacen. Hay que guiarlas. Una nanopartícula de oro es un objeto inerte. En realidad se adhiere a todo. Lo que pasa es que cada célula tiene unas propiedades determinadas. Las de los riñones, por ejemplo, son muy esponjosas, retienen mucho y favorecen que las nanopartículas se detengan ahí. En principio, esto no tiene mayor importancia porque, pasadas unas horas, se eliminan por las secreciones, la orina, etc. Por otras zonas celulares sanas, más compactas, las nanopartículas pasan de largo. En el caso de las oncológicas, al ser más porosas, se facilita esa adherencia. De todas maneras, para favorecer esta función de guía, se las provee de una cáscara exterior que tiene un compuesto biológico (péptido o similar) que se adhiere a un biomarcador concreto, por ejemplo una proteína concreta, que puede ser la expresión de una célula oncológica. Entonces, cuando la nanopartícula encuentra una zona que tiene esta expresión de proteína, típica de la presencia de este tumor, se engancha a ella.

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- Esto parece más biología que física.

- Nosotros lo que hacemos es describir de una forma teórica y con métodos computacionales la respuesta a la luz de esas partículas y su comportamiento cuando incide la luz. Es decir, cómo se van a calentar, cómo transmitirán esta señal, cómo la comprimirán, cómo enviarán la información a los electrones, como puede utilizar esa información… La cuestión de la temperatura, del calentamiento biológico, es solo un aspecto más de las nanoantenas. Pero nosotros trabajamos también con químicos, físicos, ingenieros. Desarrollamos aspectos de ciencia muy interdisciplinares. Las nanoantenas ópticas y la interacción de la luz con la nanomateria tiene mucho impacto en aspectos de sensórica, de bioquímica. Ahí es donde creo que hay más posibilidades.

- La luz ha jugado un papel importante en la descripción del ADN

- A través de la difracción de los rayos X, la estructura del ADN desveló su estructura de doble hélice. El boom que hay ahora es que los ingenieros son capaces de manipular ese ADN de una manera concreta, premeditada, con unas reglas. Son capaces de cortar de aquí, de allá, sacar este trocito, volver a ponerlo. Normalmente eso se hace con unas técnicas que son más químicas. De momento, los físicos todavía no hemos llegado a controlar el ADN sólo con luz. Lo que sí que se puede hacer con luz es detectar qué tipo de ADN tenemos, la secuencia de nucleótidos, obtener información de las cadenas de ADN, etc. Es decir, estamos en una fase en la que podemos acercarnos a observar con luz. Manipular es más complicado.

- ¿Llegaremos a hacerlo?

- Todavía no llegamos a la escala atómica. Podemos controlar grupos de unos cien átomos , y se está intentando llegar a manipular, controlar, obtener información de una única molécula. En ese sentido, el ADN no deja de ser una serie de moléculas enlazadas unas con otras. Llegaremos ahí también, por lo menos a detectarlo. Pero manipularlo y hacer que cambie… para eso hay técnicas químicas y de ingeniería genética que son muy potentes. Pero, desde luego, para caracterización, sin duda que se hará.

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- ¿Qué puede aportar la nanoóptica al mundo de la computación?

- Manipular, generar y controlar la información por medio de luz es una de las posibilidades tecnológicas que se atisba como solución al embudo tecnológico que tenemos con la electrónica. Los electrones son ahora mismo los que llevan la información en los chip. Cada día los hacen más pequeños. Pero tienen un problema y es que su velocidad es unas 100 veces más lenta que la de la luz. Si pudiéramos sustituir toda esta circuitería electrónica, que además se calienta mucho, por fotones, sería estupendo. Pero la luz tiene una longitud de onda enorme y se desparrama, como hemos comentado al principio. Para manipularla a esta escala de nanotecnología que requiere la computación, hacen falta nanoestructuras, es decir, estas nanoantenas de las que hablamos. Debemos ser capaces de atrapar la luz cuando viaje en una fibra y llegue a su destino. Solo así podremos manipular la información que contiene. Y eso lo podríamos hacer manteniéndola en un circuito óptico mediante nanopartículas que la retienen en la nanoescala. El problema es que toda es circuitería óptica, que realmente es ultrarrápida, sería más grande que la electrónica.

- Es de suponer que la computación cuántica también se beneficie de la nanoóptica

- Muchos de los paradigmas y algoritmos de computación cuántica están establecidos. Es decir, sabemos cómo se hace. Lo que nos falta es el soporte físico para utilizar la información cuántica como se quiere. Así como para la computación normal, basada en bits, tenemos el chip de silicio, el soporte físico de la informacióncuántica (el qubit) es más difícil de desarrollar de una manera comercial. Hacen falta una serie de átomos, un compendio de estructuras que puedan soportar estos qubits. Que un fotón (cuanto de luz) esté en un estado cuántico o en otro, o en un estado intermedio podría ser la base de un entrelazado de qubits. En la actualidad estamos explorando la posibilidad de que el aspecto cuántico de la luz, es decir que no sea ya tanto una onda, sino un fotón, un paquete, nos permita implementar algoritmos cuánticos. O sea, se está intentando ver si luz podría ser un esquema físico sobre el que soportar la información cuántica. Pero, una vez más, habría que miniaturizarlo y hacerlo a escalas que tengan interés tecnológico y de distribución en masa, y eso todavía está lejos. Esa es una de nuestras peleas..

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- Los primeros ordenadores eran muy grandes…

- Sí. Ha habido una revolución entre el ordenador de Bell y los móviles de hoy… Pues con la luz pasará lo mismo. Ahora nos cuesta atrapar esta información, manipularla en la nanoescala, pero esperamos que dentro de unas décadas tengamos ordenadores cuánticos ópticos de bolsillo. De momento es un sueño.

- ¿Permitirá también la nanoóptica el desarrollo de nuevos materiales?

- Sí, claro. De la misma manera que los tradicionales están compuestos de átomos y su distribución nos da sus propiedades, ahora nosotros podemos hacer una construcción en la nanoescala con nuestras nanoantenas, coger estas nanopartículas de metal y distribuirlas de una manera determinada. Ya no hablamos de átomos, sino de grupos de cien, doscientos, mil átomos, perfectamente organizados, con unas propiedades determinadas. A estos materiales les llamamos metamateriales. Se pueden distribuir como una red atómica más grande de forma que la luz, al llegar a ella, se comporte de forma muy especial y haga cosas tan increibles como doblarse, evitar un objeto, parecer invisible, cambiar el sentido de la difracción….

- ¿Abre eso la puerta a la invisibilidad?

- Si uno rodea un objeto que quiere hacer invisible con estos materiales artificiales, la luz puede ir por unos canales que la desvíen y lo eviten, de forma que dicho objeto parezca invisible. El problema es que ésto no se ha conseguido hacer para todas las longitudes de onda, para todos los colores, sino sólo para un color específico. Eso quiere decir que uno puede construir un metamaterial que sea invisible con luz roja, pero no con verde.

- ¿Se puede utilizar luz para seguir la dinámica de procesos ultrarrápidos de la materia?

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- La luz, o al menos sus campos electromagnéticos asociados, oscila a una frecuencia que es muy rápida. Cuando medimos algo que ocurre en la vida, nuestras escalas de tiempo se miden en segundos, milisegundos. La luz, sin embargo, oscila cerca de 10 elevado a 15 veces por segundo. Eso es casi un trillón de veces por segundo. Y eso la convierte en una sonda o medidor de procesos que ocurren de manera rapidísima, que no se podrían cuantificar de otra manera. Si uno quiere medir cuántos segundos tarda una persona en ir de aquí a allá, se necesitará un reloj que mida segundos. Si ese mismo individuo empieza a ir de aquí a allá en milisegundos, será necesario un cronómetro más rápido capaz de medir ese lapso de tiempo. Pero si desciendes en la escalade tiempos , no encontrarás ningún cronómetro manual capaz de cuantificar los picosegundos. La luz, sin embargo, al oscilar tan rápido, permite medir procesos que ocurren muy muy rápido.. ¿Cómo medimos, por ejemplo, la dinámica de un electrón en la materia? Enviamos un pulso de luz activador y otro pulso de luz de prueba, y la medida del retraso entreel pulso que activa el electrón, y el pulso que lo mide, permite medir lo que ocurre en tiempos cortísimos, en una unidad de tiempo que se llama atosegundos, y todo ello gracias a la luz. Es decir, la luz nos sirve como un cronómetro de procesos ultrarrápidos.

- ¿Qué pasaría si fuéramos capaces de ver todo el espectro electromagnético?

- Diversos aparatos son capaces de medir radiación fuera del espectro óptico. Por ejemplo radiación infrarroja, rayos X, radiofrecuencias, pero nuestros ojos tienen células receptoras que sólo pueden ver longitudes de onda determinadas. Si el acceso a todas las demás frecuencias no fuera gradual, probablemente nos volveríamos locos al obtener tanta información de golpe. Pero si se tratara de un acceso progresivo, paulatino, y filtrado, seríamos capaces de ver procesos que ahora no somos capaces de imaginarl. Por ejemplo, si nuestros ojos fueran capaces de medir infrarrojos tendríamos las misma capacidades que las cámaras térmicas, viendo el calor que desprenden los objetos

La nanotecnología permite capturar la luz, controlarla, transmitir información a los electrones… y todo en un espacio mucho más reducido.

- ¿Qué haría si tuviera el presupuesto de La Roja?

- Trabajaría en aumentar la calidad y la esperanza de vida. Haría todo lo posible por crear un centro interdisciplinar, internacional, que nos llevara a mejorar la esperanza de vida y la calidad de vida a través de la luz. Me gustaría controlar, manipular, generar la luz en la nanoescala para generar oportunidades para que la gente viva más y mejor. Querría luchar contra el cáncer, llevar la información de forma más rápida y efectiva para que la gente de los países en vías de desarrollo tenga acceso a mejor calidad de vida. Me gustaría potabilizar agua a través de nanopartículas para que también sean capaces de hacerlo, mediante métodos baratos, en cualquier pozo de Nigeria o Botswana. Mi objetivo es entender y comprender la interacción entre luz y materia para que en última instancia el ser humano viva más y mejor.

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