Combinaciones ganadoras

En un modesto edificio de oficinas de dos pisos en el corazón de Silicon Valley, se está llevando a cabo una serie de experimentos que podrían cambiar para siempre la forma en que los científicos buscan nuevos materiales. En un laboratorio, un brazo robótico sellado dentro de una cámara de vacío del tamaño de una mesa tiene la intención de sintetizar compuestos electrónicos. El robot selecciona una oblea de cerámica de lo que parece una pequeña pila de discos compactos y lleva la oblea a una cámara central a un pie de distancia. Un haz de electrones dispara el disco, soplando vapor de cerámica contra pequeños cuadrados en una oblea de silicio brillante. Las persianas dentro de la cámara de vacío se abren y cierran con un clic para controlar con precisión la cantidad de vapor que llega a cada cuadrado. El robot guarda el primer disco de cerámica y selecciona otro. El proceso se repite hasta que la oblea plateada se recubre con cuadrados oscuros, cada uno de los cuales es un potencial nuevo superconductor de alta temperatura.



Al final del pasillo, otro brazo robótico diminuto se mueve de un lado a otro sobre una mesa. La punta en forma de aguja del brazo arroja unas gotas en docenas de pocillos colocados en una bandeja de plástico del tamaño de un libro de bolsillo. Cada pozo contiene una mezcla diferente de productos químicos y, en poco tiempo, cada uno contendrá un tipo de plástico nunca antes fabricado. Uno de esos polímeros novedosos podría convertirse en un material de elección para estructuras de alta resistencia, aislamiento eléctrico o implantes biológicos.

Empresas que escuchan su voz interior

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 1998





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Bienvenido a la sede de una startup llamada Symyx, y quizás al futuro de la prospección de materiales. En esta nueva estrategia, tomada de la química y la biotecnología, las máquinas automatizadas sintetizan y examinan rápidamente entre docenas y decenas de miles de materiales novedosos con la esperanza de llegar a la tierra. Es un gran cambio con respecto a la forma en que los científicos de materiales han trabajado tradicionalmente, siguiendo recetas precisas (y chorros ocasionales de inspiración) para mezclar químicos en tubos de ensayo cocinando tediosamente nuevos materiales uno a la vez.

Tomando una pista de la naturaleza

Aunque weinberg y sus colegas de Symyx son los primeros en intentar aplicar comercialmente técnicas combinatorias a la investigación de materiales, no inventaron el proceso. De hecho, fueron derrotados por unos pocos miles de millones de años por un innovador muy creativo: Evolution. Las células tienen la capacidad de crear una amplia variedad de moléculas basadas en un número limitado de bloques de construcción y luego seleccionar las que funcionan mejor. En este familiar proceso evolutivo, las células crean una enorme variedad de moléculas de ADN y proteínas colocando bloques de construcción comunes en un orden diferente. La selección natural hace el resto.



A principios de la década de 1980, los investigadores comenzaron a imitar el ejemplo de la naturaleza. Comenzaron a crear colecciones de péptidos, proteínas cortas que pueden unirse a los receptores celulares y, por lo tanto, regular la función celular. La eficacia de esta regulación depende de la fuerza con la que un péptido se une a un receptor, lo que a su vez depende de obtener la secuencia correcta de los componentes básicos del péptido, los aminoácidos. Los investigadores inventaron varios métodos que hicieron posible organizar los aminoácidos en diferentes combinaciones y rastrear los productos que fabricaban. Descubrieron que podían crear fácilmente miles de péptidos en nada plano. Al probar la actividad de estos compuestos en las células, los investigadores pudieron localizar rápidamente el péptido más químicamente activo y determinar su estructura.

Estos primeros éxitos no consiguieron muchos adeptos entre quienes diseñan nuevos fármacos terapéuticos para ganarse la vida. Hubo una enorme resistencia por parte de los químicos medicinales al principio, dice Joseph Hogan, fundador y director científico de ArQule-a Medford, una startup combinatoria con sede en Massachusetts. Consideraron que era completamente feo y poco elegante en comparación con el enfoque tradicional de diseñar racionalmente y luego sintetizar concienzudamente compuestos.

El enfoque también enfrentó limitaciones prácticas. Debido a que las enzimas del estómago descomponen los péptidos, la mayoría de los investigadores los consideraba medicamentos deficientes. Pero la idea estaba en el aire, y en poco tiempo, nuevos equipos de investigación demostraron que la estrategia básica podría ir más allá de los péptidos y producir pequeños compuestos orgánicos similares a los que componen la mayoría de los medicamentos.

A principios de la década de 1990, la locura por la química de alta velocidad estaba arrasando en la industria farmacéutica. Las startups cobraron vida para comercializar conocimientos combinatorios. Llenas de cientos de millones de dólares de inversionistas, estas compañías se propusieron crear bibliotecas de medicamentos potenciales con tantos compuestos como las grandes compañías farmacéuticas habían acumulado en sus estantes de almacenamiento durante los últimos 100 años. Para no quedarse fuera, las grandes empresas farmacéuticas, como Glaxo Wellcome y Merck, se lanzaron a la refriega iniciando sus propios esfuerzos de investigación combinatoria y llegando a acuerdos con nuevas empresas de química combinatoria. A mediados de la década de 1980, los tradicionalistas se reían de la idea de la síntesis combinatoria de drogas, dice Weinberg. Pero ahora no se ríen.



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Regreso al futuro

Schultz apuesta a que, para la ciencia de los materiales, el presente es como finales de la década de 1980 una vez más. En 1995, Schultz, un químico de Berkeley que ocupa un puesto conjunto en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), se asoció con el físico de LBNL Xiao Dong Xiang y otros para crear una biblioteca combinatoria de materiales en lugar de candidatos a fármacos. El grupo primero hizo arreglos de 128 compuestos diferentes, cada uno de los cuales es un potencial superconductor de alta temperatura, y cada uno tiene una pequeña mancha de solo 200 millonésimas de metro de ancho. El equipo de Berkeley y otros crearon bibliotecas de fósforos, materiales de almacenamiento de datos, polímeros, catalizadores e incluso dispositivos electrónicos.

Para todos estos materiales diversos, la estrategia básica es la misma: haga muchos compuestos a la vez, luego escanéelos simultáneamente para ver cuál funciona mejor. Para hacer la matriz de superconductores, por ejemplo, el equipo de Berkeley roció siete óxidos inorgánicos diferentes uno a la vez a través de una máscara. Mediante el uso de una serie de máscaras diferentes para controlar la deposición de cada óxido, los investigadores crearon un tablero de ajedrez de compuestos en el que cada cuadrado de 200 micrones en el tablero contenía una combinación diferente de elementos. A continuación, se procesó todo el chip y se examinó su actividad.

Pero hacer tales matrices resulta ser la parte fácil; es mucho más difícil elegir ganadores. No importa mucho si puede producir 100.000 compuestos a la vez si aún tiene que probarlos uno por uno, dice el químico Gregory Petsko de la Universidad de Brandeis, quien también es asesor científico de ArQule. Los métodos de detección rápida están ampliamente disponibles en la investigación de descubrimiento de fármacos para detectar la actividad biológica deseada. Pero las pantallas equivalentes para medir la mayoría de las propiedades físicas, como la flexibilidad y la conductividad eléctrica, simplemente no existen todavía.

¿Cómo se mide la resistencia de un nanogramo de material? pregunta Luke Schneider, quien dirige el esfuerzo combinatorio en SRI International, una firma de consultoría e investigación en Menlo Park, California. Nadie ha desarrollado esa tecnología todavía. Además, los enfoques combinatorios requieren mediciones de miles de compuestos a la vez. Hay una tecnología completamente nueva que debe construirse, dice Schneider.

Varios grupos están tratando de desarrollar métodos convenientes para probar rápidamente las propiedades de grandes lotes de diferentes materiales. Symyx encontró su nuevo fósforo azul a principios de este año simplemente iluminando con luz ultravioleta una serie de fósforos candidatos para ver cuál brillaba más. Otras pantallas de alta velocidad están en proceso. El año pasado, Xiang y sus colegas de LBNL inventaron un nuevo microscopio de barrido de alta velocidad que utilizan para seleccionar matrices de propiedades electrónicas. Richard Wilson y sus colegas de la Universidad de Houston han estado experimentando con un sensor de infrarrojos para rastrear la actividad de matrices de catalizadores al observar el calor emitido durante las reacciones.

Aunque la búsqueda de nuevas pantallas está en marcha, la mayor parte del éxito en el desarrollo de materiales combinatorios se debe al diseño de bibliotecas de compuestos nuevos e interesantes. Recientemente, el equipo de Berkeley marcó un territorio más nuevo al informar sobre la primera serie combinatoria de dispositivos electrónicos. En este caso, los investigadores crearon dispositivos simples llamados condensadores ferroeléctricos, que se utilizan para almacenar información como paquetes de carga eléctrica en chips de computadora DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio). Las empresas informáticas esperan reducir los chips DRAM a dimensiones aún más pequeñas. Pero los materiales que se utilizan actualmente para confinar la carga eléctrica fallan cuando se colocan en capas demasiado delgadas, lo que hace que la corriente se filtre como agua de un balde con fugas.

Para encontrar nuevos cubos que no goteen tanto, Xiang y sus colaboradores construyeron una serie de varios miles de condensadores, cada uno con una capa de limitación de carga hecha de una aleación de cerámica ligeramente diferente. El grupo descubrió que una combinación particular de bario, estroncio y titanio, con un toque de tungsteno, era la mejor hasta ahora para detener la fuga. No es probable que el nuevo material encuentre su camino en los dispositivos de inmediato porque aún debe demostrar su valía por otros motivos, como adaptarse a las prácticas actuales de fabricación de chips. Pero ofrece una nueva pista prometedora.
Aunque los condensadores y los fósforos son objetivos tentadores para estos métodos combinatorios revolucionarios, la gran recompensa podría ser catalizadores. Los catalizadores son clave para una gran variedad de procesos comerciales, que van desde la fabricación de plásticos hasta la producción de productos químicos de gran volumen y los dispositivos de control de emisiones en los automóviles. Piense en un catalizador para hacer un plástico básico mejor o más barato, y podrá ganar a lo grande. Puede deformar los mercados con esas cosas, dice Hogan.

A pesar de los incentivos económicos, los investigadores tienen dificultades para diseñar catalizadores. La catálisis es un proceso notoriamente complejo y los catalizadores son criaturas meticulosas; cada uno funciona mejor bajo su propio conjunto de condiciones, como temperatura, presión y concentraciones de reactivos. Averiguar cómo estas variables afectan al catalizador es extraordinariamente difícil. Como resultado, la química de los polímeros ha sido durante mucho tiempo parte de la ciencia y parte del arte, y los químicos se han basado en gran medida en la intuición, y en la pura suerte, para encontrar nuevos catalizadores. Nadie sabe cómo diseñar el catalizador ideal desde cero, dice Petsko.

La complejidad de los materiales hace que el descubrimiento de nuevos catalizadores sea un campo de pruebas principal para los químicos combinatorios. En 1996, los investigadores dirigidos por Amir Hoyveda y Marc Snapper en Boston College entregaron uno de los primeros informes sobre la creación de bibliotecas de diferentes catalizadores. Y ahora casi todos los demás, incluidos Symyx, ArQule, SRI y DuPont, están tratando de hacer lo mismo.

Todavía obstáculos

nuevas tecnologías en 2021

A pesar del progreso, la química combinatoria aún debe demostrar su valía en la investigación de materiales. Y aunque los métodos combinatorios pasaron de ser una rareza científica a una estrella en ascenso en el negocio de las drogas en varios años, el éxito en la industria de los materiales podría ser más difícil de lograr.

Resulta que la detección rápida no es el único dolor de cabeza. Los investigadores también deben encontrar métodos más rápidos para determinar la estructura molecular exacta de cada compuesto. Eso es particularmente difícil para los materiales cristalinos como los superconductores de alta temperatura, dice Xiang. Incluso si los científicos conocen la composición química exacta de un cuadrado en la matriz, el material puede adoptar una variedad de estructuras, de la misma manera que la precipitación puede caer en forma de lluvia, granizo o nieve.

Y más allá de estos obstáculos de investigación se vislumbran desafíos de comercialización aún más desalentadores. Encontrar un buen material no es suficiente, dice Xiang. Los investigadores deben descubrir cómo aumentar la producción de nanogramos a toneladas. Incluso si una sustancia se puede producir en cantidades relativamente grandes, los materiales a granel a menudo se comportan de manera muy diferente a las películas delgadas. Un compuesto que actúa como superconductor de alta temperatura cuando es una película delgada puede comportarse de manera completamente diferente como un polvo a granel. Hay muchos escépticos que se preguntan si todo esto se puede hacer, dice Bob Ezzell, químico de Dow Chemical.

Muchos no quieren correr el riesgo. La mayoría de los directores de investigación con responsabilidades presupuestarias no quieren apostar por una tecnología no probada, dice Gerald Koermer, químico de Engelhard. Su tendencia es reprimirse.

Pero los defensores de la combinatoria no se intimidan. La tecnología, dice Schneider de SRI, intensifica la carrera armamentista de investigación, lo que permite a sus usuarios crear nuevos productos más rápido y más barato que la competencia. Y en un negocio donde los ganadores y los perdedores a menudo se determinan en un tribunal de patentes, la química combinatoria podría permitir a las empresas adjudicarse derechos sobre nuevas tecnologías antes de que otras empresas se enteren de un campo emergente, dice Schneider. En una patente inicial es muy difícil cubrir todo lo que le gustaría cubrir, explica Schneider. Al acelerar el proceso de descubrimiento, dice, la química combinatoria le permite cubrir más partes del mundo.

El proceso también funciona a la inversa. También hace que sea más fácil para su competidor sortear su tecnología, permitiéndoles explorar rápidamente cientos o miles de compuestos alternativos a uno que ya está en el mercado, dice Schneider. Como resultado, Schneider cree que en un futuro cercano, las empresas de productos químicos y materiales se verán más o menos obligadas a utilizar esfuerzos combinatorios para evitar que los competidores pirateen sus negocios principales.

Nadie sabe cuándo sucederá. Y será necesario un cambio radical de pensamiento. La investigación realmente no ha cambiado mucho desde Madame Curie, dice Schneider. La química combinatoria, agrega, representa un cambio importante en la mentalidad investigadora. Hacer ese cambio es difícil de lograr que la gente lo haga. Para que los investigadores estén convencidos de que la química combinatoria es la ola del futuro para la ciencia de los materiales y no solo un oleaje pasajero, realmente va a recibir un golpe, dice Schneider. Pero si alguien obtiene ese primer gran éxito, dice, todos lo seguirán y dirán: Dios, no puedo creer que no hayamos estado haciendo esto todo el tiempo '.

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