Mérida, Yucatán.- El Laboratorio Nacional de Nano y Biomateriales (Lannbio), operado y respaldado por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav IPN), unidad Mérida, alberga una infraestructura científica de vanguardia para la caracterización de materiales en las áreas de química, física y biología.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, la doctora Patricia Quintana Owen, profesora investigadora del Cinvestav Mérida y responsable del Lannbio, señaló que las líneas principales de este laboratorio están enfocadas en el estudio de sistemas complejos como son los nanomateriales y películas delgadas para desarrollar materiales innovadores que puedan ser utilizados como fuentes alternativas de energía como celdas solares; o las macromoléculas y/o biomateriales con aplicaciones en la medicina y farmacia; o para el estudio de materiales arqueológicos o de materiales inorgánicos y cerámicos con propiedades eléctricas, etcétera.

A través del financiamiento de los Fondos Mixtos (Fomix) del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y el gobierno del estado de Yucatán, el laboratorio adquirió en 2008 un equipo de resonancia magnética nuclear (RMN) y un equipo de dispersión de rayos X a bajo y a alto ángulo.

Un año más tarde, la investigadora obtuvo el financiamiento del Programa de Laboratorios Nacionales del Conacyt y de fondos concurrentes del Cinvestav, con el que se implementaron técnicas analíticas avanzadas para ponerlo a disposición de investigadores de diversas instituciones públicas e iniciativas privadas del sur y sureste de México. Junto con diversos estímulos, el laboratorio cuenta actualmente con una inversión de 64 millones de pesos.

Microscopía y espectroscopía

En el área de microscopía, el laboratorio cuenta con un microscopio electrónico de alta resolución de emisión de campo (FESEM, por sus siglas en inglés) de hasta un nanómetro de resolución, y otro microscopio electrónico de modo ambiental (ESEM, por sus siglas en inglés) dedicado al estudio de materiales no conductores en modo bajo vacío.

El ingeniero William Javier Cauich Ruiz, auxiliar de investigación, señaló que en el laboratorio de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, por sus siglas en inglés) se han evaluado los elementos químicos para determinar la composición química superficial o sus estados de oxidación de una variedad de materiales que incluyen muestras de acero, concreto, polímeros, catalizadores, fibras de carbono y celdas solares, entre otros. “La sofisticación de esta técnica se debe a que se utilizan fotones y electrones. En el medio ambiente en donde estamos, el aire entorpece el viaje de los fotones y electrones, para evitar ese fenómeno es necesario aplicar vacío”, apuntó.

El equipo de resonancia magnética nuclear de 600 MHz se utiliza para la caracterización estructural de la materia en estado líquido y sólido a través de la interacción de ondas de radio y los diferentes estados de espín que tienen los núcleos atómicos cuando se encuentran dentro de un campo magnético. Las aplicaciones de esta técnica abarcan todas las ramas de la ciencia de los materiales, siendo algunas de las más importantes la elucidación estructural de compuestos orgánicos y proteínas de interés biológico en disolución o en estado sólido, polímeros, catalizadores, cerámicas, semiconductores y materiales compuestos.

El ingeniero Iván Antonio Chan Cua, egresado del Instituto Tecnológico Superior de Calkiní —que pertenece al Tecnológico Nacional de México (Tecnm)— realizó sus prácticas profesionales identificando compuestos orgánicos provenientes de la síntesis química y productos naturales aplicando la resonancia magnética nuclear y cromatografía de gases. “La resonancia magnética nuclear es un técnica que nos permite elucidar las estructuras de compuestos, tanto con experimentos de una dimensión como bidimensionales", apuntó.

Los experimentos de una dimensión (1H, 13C) permiten conocer el desplazamiento químico, constantes de acoplamiento y multiplicidad para predecir qué tipo de compuesto podría ser, y los experimentos bidimensionales (COSY, HSQC, HMBC) muestran la conectividad que existe entre carbono-protón, protón-protón y carbono-protón-protón de las distintas estructuras.

De acuerdo con Chan Cua, esta técnica se emplea para servicios internos y externos de identificación de materiales (películas, membranas, etcétera) y nuevos compuestos proveniente de la síntesis química y productos naturales, tanto en materiales sólidos como en líquidos.

El doctor Emanuel Hernández Núñez, egresado de la Facultad de Farmacia de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos, cuenta con una amplia experiencia en el uso de la técnica de RMN para la elucidación estructural de compuestos químicos provenientes de la síntesis química y productos naturales, siendo el responsable actual del equipo.

Entre otros equipos con que cuenta el laboratorio, se encuentra el difractómetro de rayos X para identificar fases en materiales sólidos, o estudios de termoanálisis en función de la temperatura para estudiar cambios como la fusión, sublimación, solidificación, cristalización, descomposición, etcétera, como la termogravometría que determina la pérdida de peso o la calorimetría diferencial de barrido que permite estudiar propiedades termodinámicas.

También se cuenta con un analizador de dispersión de luz dinámica Zetasizer que permite estudiar la movilidad y el tamaño de partículas suspendidas en solución. De acuerdo con David Alejandro Aguilar Pérez, estudiante del doctorado en materiales poliméricos del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), el equipo realiza las mediciones con un láser y lo emplea para el estudio de nanopartículas de cobre con el propósito de otorgar propiedades antibacterianas a futuros materiales dentales.

Evaluación de materiales arqueológicos

Formada en el estudio de materiales inorgánicos, la doctora Quintana Owen se dedica al estudio de diferentes sistemas con propiedades eléctricas u ópticas, principalmente materiales electrocerámicos. “Mi formación me permite estudiar cualquier tipo de material inorgánico y eso me ha llevado a adentrarme en el área de los materiales arqueológicos”, apuntó.

Análisis de materiales inorgánicos 

En colaboración con la doctora Vera Tiesler, profesora investigadora de la Facultad de Ciencias Antropológicas de la Universidad Autónoma de Yucatán (Uady) y coordinadora del Laboratorio de Bioarqueología e Histología de esa institución, Quintana Owen ha analizado materiales inorgánicos como restos óseos, pigmentos, piezas dentales o las incrustaciones de piedra en dientes.

Con el interés de identificar los materiales de las construcciones arqueológicas de la península de Yucatán, las restauradoras Diana Arano, del Centro Campeche del Instituto Nacional de Antropología e Historia (INAH), y Claudia García, del Centro INAH Yucatán, iniciaron una colaboración con el Laboratorio Nacional de Nano y Biomateriales para el estudio de la paleta cromática de pigmentos en estuco de diferentes sitios arqueológicos o de materiales constructivos para identificar compuestos materiales pétreos y técnicas en conglomerados de cal de estucos modelados, respectivamente.

Por otro lado, en investigaciones de materiales novedosos que eviten la degradación de los materiales de construcción, se han buscado materiales con actividad antimicrobiana que eviten el crecimiento de hongos, bacterias y líquenes y que puedan ser empleados en la restauración del patrimonio cultural prehispánico o colonial construido con roca calcárea.

“Varios investigadores han trabajado con óxido de zinc, y un grupo italiano trabajó también con hidróxido de calcio. De tal manera que en nuestro laboratorio, haciendo la combinación de zinc con calcio, resultó que se sintetizó un compuesto químico denominado zincato de hidróxido de calcio dihidratado (Ca[Zn(OH)3]2·2H2O) y, aunque ya está reportado en la literatura con aplicaciones para prolongar el ciclo de vida de las baterías de zinc y níquel, nadie había probado antes sus propiedades antimicrobianas”, apuntó Quintana Owen.

Los resultados mostraron que el zincato de hidróxido de calcio dihidratado evita el crecimiento de hongos y bacterias, por lo que la investigadora ha continuado realizando estudios de este material y se encuentran actualmente en el proceso de solicitud de una patente. La encargada de evaluar las propiedades antimicrobianas es la doctora Susana de la Rosa García, profesora investigadora del Laboratorio de Microbiología de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.

Desarrollo de materiales y aplicación como varistores

Patricia Quintana, quien forma parte del Sistema Nacional de Investigadores (SNI)  con nivel III, trabaja en un proyecto de desarrollo y caracterización de nuevos materiales derivados de la estructura tipo espinela, con los compuestos de óxido de litio (Li2O), pentóxido de antimonio (Sb2O5) y óxido de zinc (ZnO), y su aplicación como varistores.

La investigadora define los varistores como dispositivos estabilizadores de tensión, como supresores de picos de tensión en equipos electrónicos en redes eléctricas (transporte de energía), en telefonía o en redes de comunicación, ya que se encargan de absorber corrientes fuertes de voltaje y conducirlas a tierra para proteger los aparatos eléctricos.

“Estudiamos las reacciones químicas con las diferentes proporciones entre los diferentes compuestos y hemos encontrado compuestos novedosos que, aunque no tienen propiedades tipo varistores, han mostrado otras propiedades ópticas que son fluorescentes cuando se mezclan con óxido de magnesio, los cuales estudiaremos en un futuro. Sin embargo, cambiando el zinc por cobalto, resulta que sí tiene propiedades eléctricas para ser aplicado como varistor, por lo que seguimos trabajando en este campo”, apuntó.

Recubrimiento de materiales arqueológicos

Con el financiamiento de Conacyt en la convocatoria de Fronteras de la Ciencia, Patricia Quintana Owen desarrolla un proyecto de recubrimiento para materiales arqueológicos a partir de zincato de hidróxido de calcio dihidratado.

“Queremos que sea compatible con el sustrato para que se adhiera a este, posteriormente vamos a mezclarlo con polímeros y hacer compositos con una parte inorgánica y otra orgánica para que pueda ser aplicado al material pétreo de una manera más sencilla”, apuntó.

La parte orgánica permitirá que el material conserve el mismo color de los materiales arqueológicos originales. Asimismo, se evaluará si las propiedades antimicrobianas del zincato de hidróxido de calcio dihidratado permanecen activas al mezclarse con los polímeros, y para esto se identificarán los polímeros que resulten más compatibles.

Estas evaluaciones se realizarán a nivel laboratorio durante los tres años de duración del proyecto, en conjunto con pruebas de durabilidad de los materiales obtenidos. “Hay que recalcar que las zonas de restauración del INAH no nos permitirán colocar nada hasta que no les mostremos pruebas fehacientes de que no tendrán un impacto negativo. En caso que después de evaluarlos no puedan ser aplicados para los materiales arqueológicos, pueden servir para las construcciones modernas”, apuntó.

Uno de los polímeros que se ha probado hasta el momento es el polidimetilaminoetilmetacrilato que, en comparación con el Paraloid, es utilizado comúnmente para trabajos de restauración, se han obtenido mejores resultados. Este trabajo en colaboración estuvo a cargo de la restauradora Aranxa Sierra, quien realiza un doctorado en España.

Conacyt