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José Miguel García, científico titular del CSIC, nos habla de un campo interesante en el que él es experto.

La imagen corresponde a un área de 20×20 micras cuadradas de un disco duro con imanación longitudinal con una densidad: 0.1 Tb/m2. Fuente: José Miguel García.

Aunque muchas personas no sean conscientes de ello, los imanes y el magnetismo juegan en nuestras vidas un papel mucho más importante que el meramente decorativo en las puertas de las neveras. Cada vez que encendemos una luz apretando un interruptor estamos haciendo uso de la transformación y el transporte de energía que son posibles gracias a los materiales magnéticos. Un coche posee cientos de imanes, y teléfonos, ordenadores, televisores y electrodomésticos tienen imanes como elementos básicos. Asimismo, la resonancia magnética nuclear es la base de nuevas técnicas médicas de diagnóstico. Y no creo equivocarme si aseguro que quienes investigamos en magnetismo y en materiales magnéticos tenemos siempre en mente, como objetivo final, una mejora en una determinada tecnología o incluso una nueva aplicación.
El magnetismo como saber científico tiene unos doscientos años de edad. Aún en la segunda mitad del siglo XVIII, Goethe podía escribir: «Sabía mi abuela un cuento de una montaña de imán: los bajeles que se acercaban demasiado perdían de pronto todo el herraje; los clavos volaban hacia la montaña, y los pobres marineros perecían entre las tablas, que se iban sumergiendo unas tras otras» (Werther, Libro I). Hasta ese momento, el magnetismo era una cosa de cuentos y divertimentos, que apenas se empleaba en juguetes, trucos de magia y brújulas para la navegación. Sin embargo, en el siglo XIX, a partir de los trabajos fundamentales de Oersted, Faraday y Maxwell, el magnetismo se estableció como disciplina científica, y desde entonces sus avances han tenido fiel reflejo tecnológico. Así, la comprensión de la estrecha relación entre corrientes eléctricas y momento magnético, del fenómeno de la inducción magnética y de la capacidad de los materiales magnéticos de multiplicar el flujo, se tradujo en el desarrollo de generadores, motores, actuadores y transformadores eléctricos, lo que supuso una auténtica revolución en el transporte y las comunicaciones.
Ya en el siglo XX surgió el segundo gran campo de utilización de los materiales magnéticos: la grabación magnética de información. Cintas de audio y vídeo, bandas en tarjetas de crédito y billetes, y discos duros de ordenador, se basan en orientar los momentos magnéticos de un material imanable (denominado «medio» o «soporte») compuesto de multitud de imanes diminutos: micropartículas ferromagnéticas en las cintas y bandas, y nanocristales ferromagnéticos en los discos duros. Quizá el más sencillo de entender sea el disco duro, donde los «unos» y «ceros» que constituyen los bits de información digitalizada son regiones del medio con imanación orientada en una misma dirección pero en un sentido o en el opuesto; por ejemplo, si la dirección de grabación fuese la de las líneas de este escrito, los «unos» serían imanes orientados norte-sur (es decir, con su polo norte a la izquierda y su polo sur a la derecha), mientras que los «ceros” serían imanes sur-norte (polo sur a la izquierda y polo norte a la derecha). Como los materiales ferromagnéticos poseen una imanación remanente que no se pierde cuando deja de aplicarse el campo magnético empleado para grabarla, las memorias magnéticas son no-volátiles: por eso la información contenida en el disco duro se mantiene aun cuando desenchufemos el ordenador.
Una gran actividad investigadora se ha dedicado a mejorar el almacenamiento de información, y para ello se han empleado dos rutas: por un lado, los esfuerzos han ido encaminados hacia la obtención de nuevos soportes en los que los imanes fuesen aún más diminutos; por otro, la investigación se ha centrado en el diseño de nuevos dispositivos escritores y lectores que permitiesen grabar y leer, respectivamente, más información en el mismo espacio.
La primera vía, el desarrollo de nuevos soportes, se enfrenta con el llamado límite superparamagnético: cuando los imanes son muy pequeños, las fluctuaciones térmicas pueden provocar un cambio en la imanación del bit, y por tanto la pérdida irreversible de la información (por eso, si se calienta en exceso una cinta magnética o un disco duro, la información se corrompe). Para evitar este efecto, es necesario aumentar la barrera energética que separa las posibles orientaciones de la imanación y que se denomina anisotropía magnética. Para incrementar dicha anisotropía, es necesario alcanzar un control en la escala nanométrica, ya sea para conseguir un ordenamiento específico de los átomos que componen cada imán (aumentando la anisotropía de origen cristalino o la debida a intercaras), ya para fabricar los imanes con forma anisótropa, como ocurre en el caso de diversas nanoestructuras, como nanopilares, nanotubos y nanohilos.
En cuanto a la segunda ruta para mejorar el almacenamiento de información -la miniaturización de las cabezas lectoras y escritoras- ha alcanzado resultados muy notables. De hecho, en 2007 Albert Fert y Peter Grünberg recibieron el premio Nobel por el descubrimiento en 1988 de la magneto-resistencia gigante (en siglas: GMR, por Giant Magneto-Resistance), un fenómeno que tuvo su primera aplicación en las cabezas lectoras de los discos duros, permitiendo hacerlas más pequeñas y más sensibles. La GMR puede explicarse brevemente imaginando un sándwich donde «el pan» son láminas delgadas de material magnético y «el relleno» una lámina metálica no magnética; si una corriente atraviesa el sándwich, la resistencia eléctrica depende de la orientación relativa de las imanaciones de las capas magnéticas: cuando las imanaciones son paralelas la resistencia es baja, mientras que si son antiparalelas la resistencia es alta. En las cabezas lectoras basadas en GMR, una de las láminas tiene fija su imanación, mientras que la otra se orienta en función del campo magnético emanado por el bit más próximo del disco duro: por tanto, midiendo la resistencia en la cabeza lectora puede saberse cuál es la imanación de ese bit, es decir, si ese bit es un «cero» o un «uno».
La GMR ha tenido una gran repercusión. Por un lado, ha sido una de las primeras aplicaciones reales en el campo de la nanotecnología, ya que las láminas delgadas mencionadas tienen espesores nanométricos y en 1997, es decir, tan solo nueve años después de su descubrimiento en laboratorio, salieron al mercado las primeras cabezas lectoras basadas en este nuevo fenómeno. Por otro lado, la GMR ha sido el germen de la espintrónica, una nueva tecnología donde no sólo se utiliza la carga del electrón sino también su momento magnético o espín. Los avances en este campo han sido continuos. Sustituyendo el «relleno metálico» del sándwich por una lámina aislante, se descubrió la magneto-resistencia túnel (TMR por Tunnel Magneto-Resistance), que permite obtener mayores variaciones de la resistencia ante campos magnéticos débiles, por lo que se emplea actualmente en la nueva generación de cabezas lectoras. Además, el fenómeno de la TMR ha permitido diseñar las memorias magnéticas de acceso aleatorio (MRAMs, por Magnetic Random Access Memories), constituidas por una red ordenada de esos sándwiches y cuya ventaja principal frente a las tradicionales memorias RAM es que son no-volátiles: por ello, al encender un ordenador equipado de una MRAM no hay que esperar a que se cargue el sistema operativo, sino que ya está ahí, listo para usarse, pues la memoria MRAM no se borra al apagar el ordenador.
Finalmente, en este breve repaso de los actuales líneas de investigación en espintrónica, hay que mencionar el fenómeno del espín-torque, esto es, cómo una corriente eléctrica polarizada en espín (es decir, cuyos electrones poseen mayoritariamente un determinado espín, y por tanto lleva un momento angular neto) puede modificar la orientación de la imanación de una nanoestructura magnética provocando oscilaciones o incluso la inversión de la imanación (precisamente por la transferencia de dicho momento angular, esto es, generando un torque). En el último caso la polaridad del nanoimán se invierte, de modo que si antes había un «uno» ahora hay un «cero», y viceversa. El control de la imanación mediante el paso de corrientes eléctricas abre un abanico de posibilidades tecnológicas, no sólo para fabricar nano-osciladores y nuevas memorias magnéticas, sino también para diseñar dispositivos lógicos con los que llevar a cabo las operaciones básicas de la electrónica digital (AND, OR, NOT).
Ahora bien: hasta el momento hemos hecho especial hincapié en las aplicaciones de las nanoestructuras magnéticas o los nanoimanes en el campo de las tecnologías de la información. Sin embargo, hoy en día ya estamos inmersos en la era de la nanotecnología, por lo que también son de esperar aplicaciones relevantes en otras áreas de gran interés social, como son las ciencias de la vida y la biotecnología. En estos campos, los materiales magnéticos más prometedores con dimensiones nanométricas tienen formas esféricas, poliédricas o cilíndricas: son las denominadas nanopartículas magnéticas, y en general se trabaja con una dispersión coloidal de las mismas (el medio líquido en el que están dispersas puede ser sangre, orina, medio fisiológico, etc.). En muchos casos, interesa que estas nanopartículas sean lo suficientemente pequeñas como para presentar un comportamiento superparamagnético, es decir, que debido a las fluctuaciones térmicas no tengan imanación estable en ausencia de campo magnético aplicado: así se mantiene la estabilidad coloidal y se impide que se aglomeren por atracción magnética. Por tanto, sólo cuando se aplica un campo magnético se produce un alineamiento estadístico de los momentos magnéticos, dando lugar a una imanación estable. En cuanto a su composición, en principio uno esperaría que cuanto mayor sea la imanación, mejor será el comportamiento de esos sistemas, pero hay que tener en cuenta otros factores como la biocompatibilidad y el umbral de toxicidad de las nanopartículas. Por ello, y aunque hay otros materiales que pueden tener mejores propiedades magnéticas, para las aplicaciones biológicas se emplean sobre todo óxidos de hierro, tales como la maghemita, la magnetita y otras ferritas.
Las principales aplicaciones biotecnológicas de estas nanopartículas son: la separación magnética, el suministro dirigido de fármacos, el tratamiento mediante hipertermia, la mejora del contraste en el diagnóstico por resonancia magnética, y por último, su empleo como transductores en biosensores. En todos los casos, es necesario funcionalizar las nanopartículas, es decir, recubrirlas con distintos agentes para que tengan las características adecuadas: que no se deterioren en el medio (resistan el pH, tengan la hidrofobicidad o hidrofilicidad necesaria, etc.) y que lleven adherido el ligando indicado para unirse a la especie deseada o que porten el medicamento que se administrará localmente. Entre los diferentes recubrimientos y biomoléculas empleados para funcionalizar las nanopartículas podemos mencionar polímeros, virus, anticuerpos (se unen específicamente a las proteínas), aptámeros (alta afinidad específica a determinadas moléculas), ADN (para procesos de reconocimiento), etc. Y en cuanto a la forma final del complejo, puede ser de tipo núcleo/corteza (por ejemplo una nanopartícula cubierta por un polímero), de dímero (los dos constituyentes unidos), o de entidad decorada (por ejemplo un virus con nanopartículas esféricas a su alrededor). Pasamos a continuación a enumerar los fundamentos de cada una de las aplicaciones mencionadas.
La separación magnética, también denominada filtrado o secuestro magnético, consiste en separar, aprovechando la interacción magnética, una determinada especie en una disolución, que en general contendrá diversos tipos de especies. Para ello, las nanopartículas magnéticas se funcionalizan adecuadamente con el ligando específico para la especie que se desea filtrar, y se introducen en la disolución. Tras esperar el tiempo necesario para que la especie afín se una fuertemente al ligando (es el llamado tiempo de incubación), se aplica un gradiente de campo magnético, bien con un electroimán, bien aproximando un imán permanente, para atraer a los complejos nanopartícula-ligando-especie al lugar deseado, produciéndose así una decantación magnética. Este método, conceptualmente sencillo, ya se ha probado con éxito para separar proteínas, ácidos nucleicos y bacterias.
En el caso del suministro dirigido de fármacos, las nanopartículas hacen de portadoras de medicamentos que se administran localmente en la zona del organismo donde es necesario actuar (zona que podemos denominar «el blanco» al que queremos apuntar, y que en muchos casos es un tumor cancerígeno). Por tanto, las nanopartículas se funionalizan para llevar un fármaco adherido, que se liberará cuando haya alcanzado el blanco mediante la activación de un determinado mecanismo (un cambio en el pH, una degradación enzimática, un calentamiento, etc.). Para que los complejos nanopartícula-fármaco lleguen hasta el blanco, se inyectan en la sangre y se coloca un imán permanente en la proximidad del tumor: dicho imán debe generar un gradiente de campo lo suficientemente intenso como para vencer al movimiento del flujo sanguíneo y que los complejos sean atraídos hacia él. Además, el tejido existente entre el blanco y el imán también acumulará nanopartículas, por lo que imanes externos sólo podrán emplearse para tumores cercanos a la superficie corporal, mientras que tumores internos requerirán la implantación quirúrgica del imán.
En los tratamientos por hipertermia, las nanopartículas aportan calor para destruir células cancerígenas, pues temperaturas del orden de 45 ºC pueden desencadenar la apoptosis o muerte celular programada, y las superiores a 50 ºC provocan la carbonización de la célula (termoablación). Para esta aplicación, son preferibles nanopartículas ferromagnéticas, es decir, con imanación estable, y funcionalizándolas adecuadamente (con ligandos tales como proteínas y anticuerpos) puede lograrse su acumulación en el tumor. Aplicando un campo magnético alterno externo, las nanopartículas transfieren calor a su entorno a través de dos posibles mecanismos: mediante pérdidas magnéticas si los espines se orientan siguiendo las variaciones del campo alterno, o mediante fricción mecánica si los espines no se mueven y es la nanopartícula quien rota para alinear su imanación con el campo externo.
Las nanopartículas magnéticas pueden emplearse como agentes de contraste en los equipos de diagnóstico mediante imágenes de resonancia magnética. Estas técnicas están basadas en la resonancia magnética nuclear, y más en concreto en alterar el momento magnético de los protones del agua contenida en el cuerpo humano. Se aplica un intenso campo magnético externo continuo que alinea esos momentos, se les somete a pulsos de campo alterno de radiofrecuencia, y se mide cuánto tardan en recuperar su posición de equilibrio alineados al campo continuo: los llamados tiempos de relajación. Pues bien: las nanopartículas crean un pequeño campo magnético local que provoca una disminución en los tiempos de relajación en su entorno, mejorándose por tanto el contraste allí donde están situadas; basta por tanto funcionalizarlas adecuadamente para que, tras ser inyectadas por vía intravenosa, se unan al tejido o tipo de células que se desea estudiar.
Finalmente, en esta panorámica sobre las aplicaciones biotecnológicas de las nanopartículas, debemos mencionar que también pueden utilizarse como transductores en biosensores, es decir, como el elemento en el que cambia una propiedad cuantificable cuando se produce la interacción biológica (de unión o de reconocimiento) con la especie que se desea detectar. Obviamente, la nanopartícula tiene que estar convenientemente funcionalizada con el elemento biológico que interacciona con esa especie en particular. La propiedad medible puede ser muy diversa: tiempos de relajación, efectos no lineales de la imanación ante campos magnéticos, respuesta dinámica ante campos rotatorios, efectos magneto-ópticos, etc.
En definitiva, confío en que estas cuatro o cinco páginas hayan servido para que el lector tenga el convencimiento de que los materiales magnéticos con dimensiones nanométricas, es decir, los nanoimanes, tienen mucho que aportarnos. De hecho, las tecnologías de la información, las ciencias de la vida y la biotecnología ya son testigo de ello.

José Miguel García Martín es científico titular del CSIC y trabaja en el Instituto de Microelectrónica de Madrid.

Fuentes y referencias:

Física de los materiales magnéticos, Antonio Hernando y Juan M. Rojo, Editorial Síntesis, ISBN 84-7738-857-1, Madrid (2001)

The 2007 Nobel Prize in Physics – Popular Information: Better Read-out Heads for Pocket-size Devices, Nobelprize.org, excelente artículo divulgativo sobre la magneto-resistencia gigante y la espintrónica disponible aquí.

Spin-Transfer Torque and Dynamics, Mark D. Stiles y Jacques Miltat, Topics in Applied Physics, vol. 101, páginas 225–308 (2006)

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New type of biosensor based on magnetic nanoparticle detection, P. I. Nikitin, P. M. Vetoshkob y T. I. Ksenevich, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 311, páginas 445–449 (2007)