En el hogar, el laboratorio y la fábrica, los campos eléctricos controlan tecnologías como pantallas Kindle, pruebas de diagnóstico médico y dispositivos que purifican medicamentos contra el cáncer. En un campo eléctrico, cualquier cosa con carga eléctrica (desde un átomo individual hasta una partícula grande) experimenta una fuerza que puede usarse para empujarlo en la dirección deseada.
Cuando un campo eléctrico empuja partículas cargadas en un líquido, el proceso se llama electroforesis. Nuestro equipo de investigación está investigando cómo utilizar la electroforesis para mover partículas diminutas, llamadas nanopartículas, en materiales porosos y esponjosos. Muchas tecnologías nuevas, incluidas las utilizadas en el análisis de ADN y el diagnóstico médico, utilizan estos materiales porosos.
Descubrir cómo controlar pequeñas partículas cargadas mientras viajan a través de estos entornos puede hacerlas más rápidas y eficientes que las tecnologías existentes. También puede habilitar funciones inteligentes completamente nuevas.
En última instancia, los científicos pretenden que partículas como éstas sirvan como pequeños nanorobots. Pueden realizar tareas complejas en nuestros cuerpos o en nuestro entorno. Podrían buscar tumores y proporcionar tratamientos, o buscar fuentes de sustancias químicas tóxicas en el suelo y convertirlas en compuestos benignos.
Para lograr este progreso, necesitamos comprender cómo las nanopartículas cargadas viajan a través de materiales porosos y esponjosos bajo la influencia de un campo eléctrico. En un nuevo estudio, publicado el 10 de noviembre de 2025 en Proceedings of the National Academy of Sciences, nuestro equipo de investigadores de ingeniería dirigido por Anni Shi y Siamak Mirfendereski intentó hacer precisamente eso.
Campos eléctricos débiles y fuertes.
Piense en una nanopartícula como un pequeño submarino que navega por un complejo laberinto lleno de fluidos interconectados mientras experimenta simultáneamente nerviosismo aleatorio. Al observar cómo las nanopartículas se movían a través del material poroso, observamos un comportamiento sorprendente relacionado con la intensidad del campo eléctrico aplicado.
El débil campo eléctrico actúa sólo como un acelerador, aumentando la velocidad de la partícula y mejorando dramáticamente sus posibilidades de encontrar alguna salida de la cavidad, pero no ofrece ninguna guía: es rápido, pero aleatorio.
Por el contrario, un campo eléctrico intenso proporciona las "coordenadas GPS" necesarias, lo que obliga a la partícula a moverse rápidamente en una dirección específica y predecible a través de la red.
Este descubrimiento fue desconcertante pero emocionante porque sugirió que podíamos controlar el movimiento de las nanopartículas. Podríamos optar por movernos rápida y aleatoriamente con un campo débil o de forma dirigida con un campo fuerte.
El primero les permite buscar en el entorno de manera eficiente, mientras que el segundo es ideal para entregar carga. Este comportamiento desconcertante nos llevó a observar más de cerca lo que el campo débil le hace al fluido circundante.
Este diagrama muestra cómo una partícula se mueve a través de un material poroso a lo largo del tiempo en un campo eléctrico fuerte o débil. El color más oscuro indica el punto de partida de la partícula y los colores sucesivamente más claros representan la posición de la partícula después de que haya pasado más tiempo. Una partícula en un campo débil se mueve aleatoriamente, mientras que una partícula en un campo fuerte se mueve gradualmente en la dirección determinada por el campo eléctrico. Annie Shi
Al estudiar el fenómeno más detenidamente, descubrimos las razones de estos comportamientos. El campo débil hace que el líquido estancado fluya en movimientos giratorios aleatorios dentro de los pequeños vacíos del material. Este flujo aleatorio potencia el movimiento natural de la partícula y la empuja hacia las paredes de la cavidad. Al moverse a lo largo de las paredes, la partícula aumenta drásticamente su probabilidad de encontrar una ruta de escape aleatoria, en comparación con buscar en todo el espacio de la cavidad.
El fuerte campo, sin embargo, proporciona un poderoso empujón direccional a la partícula. Esa presión supera el movimiento natural de las partículas, así como el flujo aleatorio del fluido circundante. Garantiza que la partícula migre de forma predecible en la dirección del campo eléctrico. Esta información abre la puerta a estrategias nuevas y eficientes para mover, clasificar y separar partículas.
Seguimiento de nanopartículas
Para realizar esta investigación, integramos la observación de laboratorio con el modelado computacional. Experimentalmente, utilizamos un microscopio avanzado para monitorear de cerca cómo se mueven las nanopartículas individuales dentro de un material poroso perfectamente estructurado llamado ópalo de sílice inverso.
Micrografía electrónica de barrido de un ópalo inverso de sílice, que muestra una sección transversal del material poroso diseñado con cavidades de 500 nanómetros de diámetro colocadas en pequeños orificios de 90 nanómetros de diámetro. Annie Shi
Luego utilizamos simulaciones por computadora para modelar la física subyacente. Modelamos el movimiento sísmico aleatorio de la partícula, la fuerza impulsora eléctrica y el flujo de fluido cerca de las paredes.
Combinando esta visualización precisa con modelos teóricos, deconstruimos todo el comportamiento de las nanopartículas. Podríamos cuantificar el efecto de cada proceso físico, desde el desplazamiento hasta la presión eléctrica.
Este microscopio de fluorescencia de alta resolución, en el Centro de Microscopía Óptica Avanzada de la Universidad de Colorado Boulder, obtuvo pistas tridimensionales de nanopartículas que se mueven dentro de materiales porosos. Joseph Dragavon Dispositivos que mueven partículas
Esta investigación podría tener importantes implicaciones para las tecnologías que requieren un transporte microscópico preciso. En ellos, el objetivo es el movimiento rápido, preciso y diferencial de partículas. Los ejemplos incluyen la administración de fármacos, que requiere guiar "nanocargas" hacia objetivos de tejido específicos, o la separación industrial, que implica purificar productos químicos y filtrar contaminantes.
Nuestro descubrimiento (la capacidad de controlar por separado la velocidad de una partícula mediante campos débiles y su dirección mediante campos fuertes) actúa como un dispositivo de control de dos palancas.
Este control puede permitir a los ingenieros diseñar dispositivos que apliquen campos débiles o fuertes para mover diferentes tipos de partículas de forma personalizada. En última instancia, esta herramienta podría mejorar herramientas de diagnóstico y sistemas de purificación más rápidos y eficientes.
¿Qué sigue?
Establecimos un control independiente sobre la búsqueda de partículas por velocidad y su migración por dirección. Pero todavía no conocemos todos los límites de este fenómeno.
Quedan preguntas clave: ¿Cuáles son los tamaños de partículas superiores e inferiores que se pueden controlar de esta manera? ¿Se puede aplicar este método de forma fiable en entornos biológicos complejos y dinámicos?
Lo más fundamental es que necesitaremos investigar el mecanismo exacto detrás de la dramática aceleración de estas partículas bajo un campo eléctrico débil. Responder a estas preguntas es esencial para desbloquear la precisión total de este método de control de partículas.
Nuestro trabajo es parte de un esfuerzo científico más amplio para comprender cómo el confinamiento y los límites afectan el movimiento de los objetos a nanoescala. A medida que la tecnología se reduce, comprender cómo interactúan estas partículas con las superficies cercanas ayudará a diseñar dispositivos diminutos y eficientes. Y cuando se mueven a través de materiales esponjosos y porosos, las nanopartículas encuentran constantemente superficies y límites.
El objetivo colectivo de nuestra investigación y otras relacionadas es transformar el control de partículas finas de un proceso de prueba y error a una ciencia confiable y predecible.
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