acceso decisores

El maravilloso mundo de la nanotecnología

Desde el inicio de la pandemia, la nanotecnología ha tomado un alto nivel de exposición. La incorporación de nanopartículas en barbijos de uso social, la producción de kits de diagnóstico y hasta el desarrollo de un suero hiperinmune para tratar a pacientes con COVID-19 llevaron al prefijo “nano” a lo más alto del ámbito científico-tecnológico. Te contamos sobre su origen, sus potencialidades y las principales aplicaciones industriales.

Adentrarse en la nanotecnología es conocer un mundo totalmente novedoso, una escala mágica en la que los materiales se comportan de manera diferente. Hasta no hace mucho tiempo, se pensaba que las llamadas propiedades intensivas de la materia, como el color y la conductividad, no cambiaban con el tamaño. Sin embargo, y a partir del surgimiento de microscopios muy potentes, se pudo evidenciar que esto no es siempre así; como en el caso del oro, que en la escala nano puede ser azul, rojo o violeta.

¿Pero cómo hacemos para estudiar, investigar e innovar en un área tan pequeña e invisible a los ojos? ¿Cómo hacemos para siquiera imaginarnos de qué estamos hablando cuando hablamos de un nanómetro? Entendemos por nanotecnología a la capacidad de ver y manipular la materia en un rango que va de 1 a 100 nanómetros, un espacio en el cual los nanomateriales presentan nuevas propiedades con múltiples aplicaciones. Para dimensionar la relación entre las escalas macro y la nanométrica, podríamos decir que un nanómetro es a una pelota de tenis, aproximadamente, lo que esa misma pelota es al planeta Tierra. En esa escala superpequeña y compleja se producen sorprendentes fenómenos que pueden cambiar la realidad de nuestro mundo.

La nanotecnología implica, entonces, la capacidad de estudiar y manipular la materia a escala nanométrica (10⁻⁹). El prefijo nano, de origen griego, es utilizado para denominar este orden de magnitud, que abarca unos pocos átomos, y se presenta como una alternativa para cambiar radicalmente las potencialidades de los productos y procesos existentes, y desarrollar nuevos.

El ABC de la nanotecnología

Conocer el nanomundo ha sido posible gracias a la aparición de la microscopía electrónica, cuyas distintas variantes han permitido indagar acerca de las propiedades ópticas, magnéticas, eléctricas y topográficas, entre otras, de la materia. Veamos.

El tamaño importa. Juega un rol clave en la nanotecnología, es el aspecto principal que define si un desarrollo o producto es considerado nanotecnología o no. Existe un consenso generalizado para definir a un material como nanométrico cuando este cuenta con una de sus dimensiones en un rango de 1 a 100 nanómetros. Pueden ser nanopartículas, nanohilos o capas muy delgadas.

Propiedades. En la escala de los nanómetros, crece exponencialmente la superficie de los materiales en relación con el volumen, lo que propicia la aparición de nuevos efectos físicos, químicos y biológicos. La reducción del tamaño permite descubrir, por ejemplo, nuevas propiedades magnéticas y electrónicas en ciertos materiales.

Diversidad. La nanotecnología es diversa por donde se la mire. Intervienen en su desarrollo múltiples áreas de la ciencia como la química, la física, la biología y las ingenierías, y sus aportes contribuyen a industrias como la medicina, la electrónica, los alimentos y la construcción, por nombrar algunas.

Nanomateriales

Los nanomateriales son el fin y el principio de los desarrollos nano. Son un objetivo cuando la aventura consiste en crearlos y otorgarles características específicas. Vuelven a ser un desafío cuando la idea va más allá y el propósito es incorporarlos a otros materiales, productos o procesos para mejorarlos.

Síntesis

En el nanomundo existen dos grandes métodos de obtención de nanomateriales: top down (de arriba hacia abajo) y bottom up (de abajo hacia arriba). El primero, utilizado en mayor medida por físicos, consiste en tomar un material en tamaño macro para ir descomponiéndolo en pequeñas partes hasta obtener nanopartículas. El segundo, más común en los químicos, se trata de combinar átomos y moléculas hasta alcanzar un nanomaterial, en lo que se denomina autoensamblado. Estos procesos, top down y bottom up, son los que le permiten a los investigadores trabajar en la escala nanométrica con los distintos materiales, y es el primer paso del proceso para obtener características diferenciales sobre otros.

Funcionalización

Funcionalizar un nanomaterial implica realizar un trabajo sobre su parte exterior, es decir, definir el diseño superficial de la nanopartícula. Con ello se busca aprovechar la inestabilidad de sus lados para “decorarla” con otros elementos y, así, otorgarle una función específica deseada.

Por ejemplo, los test de embarazo están compuestos de tiras reactivas con nanopartículas de oro, que se funcionalizan con la incorporación de un receptor hormonal. Esto permite que, cuando se confirma el embarazo, ese receptor pueda adherir la hormona a la nanopartícula y que esta reaccione y cambie de color. Lo mismo ocurre con los kits de diagnóstico de COVID-19.

Caracterización

Una vez obtenido el nanomaterial, es importante determinar las características eléctricas y magnéticas, y realizar mediciones de otros parámetros como el tamaño de las partículas, la superficie, la estabilidad y la solubilidad en agua. Esto sirve para corroborar que el nanomaterial cumpla con las especificaciones buscadas. Para ello, es necesario contar con microscopios de alta tecnología, que permiten estudiarlos a una escala casi atómica. Entre los más utilizados se destacan los microscopios de barrido (SEM), los microscopios de transmisión (TEM), los microscopios de efecto túnel (STM) y los microscopios de fuerza atómica (AFM).

Entre la síntesis, la funcionalización y la caracterización de los nanomateriales se definirán sus propiedades, teniendo en cuenta su estructura (composición), tamaño, forma y superficie, que será la que interactúe con el medio y produzca la reacción deseada.

Tipología

Existe una gran variedad de nanomateriales, cuyo origen puede ser orgánico o inorgánico, de estructura simple o compuesta, algunos de ellos biodegradables y/o biocompatibles, otros con nanoporos; todos ellos con múltiples aplicaciones.

Entre los nanomateriales más utilizados, podemos encontrar nanopartículas metálicas (oro, plata, cobre, titanio, hierro, litio); nanomateriales basados en carbono, como el grafeno, fullerenos y nanotubos; puntos cuánticos; nanoesferas, como liposomas y vesículas, que permiten encapsular otros materiales; biomateriales como el quitosano y la nanocelulosa; arcillas, entre otros.

La cantidad y variedad de nanomateriales existentes es muy amplia. Esto representa, justamente, una de las mayores potencialidades de la nanotecnología: diseñar y ajustar los materiales según las necesidades. Así es el caso del grafito, que en escala macro es un material blando, y el grafeno, uno de sus derivados a escala nano que hoy en día es considerado el material más resistente y liviano del mundo.

Nanotecnología en todas partes

Se puede decir que la aplicación de la nanotecnología es casi infinita. Por su carácter multidisciplinar ofrece soluciones innovadoras a muchas industrias y, como mencionamos anteriormente, sus potencialidades van desde crear nuevos materiales a mejorar procesos, reducir costos, promover un desarrollo sustentable y aumentar la competitividad de la producción. Veamos.

Medicina

La nanomedicina probablemente sea el área más importante de intervención de la nanotecnología no solo por la relevancia de los desarrollos que ha proporcionado, sino también por la diversidad de aplicaciones en las cuales está involucrada. Dispositivos para la detección de enfermedades, tratamientos terapéuticos innovadores basados en la liberación controlada de medicamentos para su acción en un sitio específico del cuerpo, materiales biocompatibles e implantables para la regeneración de tejidos o la reconstrucción de huesos son algunas de las líneas en las que la nanotecnología hace su aporte. Se puede explorar más aquí y aquí.

Además de sus aplicaciones en tests de diagnóstico, terapias para determinadas enfermedades y medicina regenerativa, la nanotecnología realiza aportes con fines preventivos. Algunos ejemplos son las pinturas basadas en nanopartículas de plata y cobre que se utilizan en las paredes de quirófanos y entornos que requieren de extrema limpieza, para evitar la proliferación de microorganismos o los barbijos de uso social que, al emplear esas mismas nanopartículas, les confiere propiedades bactericidas, antivirales y antifúngicas. Se puede explorar más aquí.

Electrónica

Medio siglo atrás, un chip medía aproximadamente 10 micrómetros y contenía 2300 transistores; recientemente, IBM anunció el lanzamiento del primer chip funcional de 2 nanómetros, con un total de 50 millones de transistores en una superficie similar a la de una uña. La nanotecnología ha desempeñado un rol clave en el proceso de miniaturización de la electrónica porque, al disminuir el tamaño de los materiales, crece exponencialmente la superficie expuesta y eso significa mayor espacio para utilizar. Se puede explorar más aquí.

Los semiconductores desempeñan un rol decisivo en todo lo que nos rodea, desde la informática hasta los electrodomésticos, los dispositivos de comunicación, los sistemas de transporte y la infraestructura crítica. ¿Cuál será el límite para seguir reduciendo el tamaño de un procesador? Al mismo tiempo que IBM, la empresa china TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.), junto a investigadores de la Universidad Nacional de Taiwán y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), anunció el comienzo de las fases de prueba para desarrollar chips de 1 nanómetro de tamaño. Se puede explorar más aquí.

Las preguntas que surgen a partir de esto son: ¿cuánto más se puede seguir bajando el tamaño de un chip y cuántas probabilidades hay de que sea escalable su producción? Si los resultados son favorables, sus desarrolladores prometen que estos procesadores permitirían aumentar y acelerar el rendimiento de las computadoras y los teléfonos, disminuir en un 75% el uso de energía y multiplicar por cuatro la duración de las baterías, lo que significa reducir drásticamente la huella de carbono (los centros de datos hoy en día representan el 1% del uso global de energía). Se puede explorar más aquí.

Agroindustria

La producción agroindustrial también se ha beneficiado con los aportes de la nanotecnología, tanto para mejorar el rendimiento y la eficiencia de sus procesos como para disminuir el impacto ambiental de su desarrollo. Una de las tecnologías más destacadas de aplicación en el sector es la encapsulación de fertilizantes y pesticidas para su liberación controlada en los cultivos, que logra, de esta manera, disminuir el uso de estos insumos y prolongar su efecto en el tiempo. Se puede explorar más aquí.

La obtención de bio y nanomateriales a partir de residuos de la producción agrícola y pesquera es otro de los ámbitos de injerencia de la nanotecnología vinculados al desarrollo sustentable. Las nanopartículas de quitosano obtenidas de los desechos de la pesca de crustáceos o la nanocelulosa, a partir de residuos de la producción de trigo o caña de azúcar, son algunos de estos ejemplos; en ambos casos, son materiales utilizados para la fabricación de envases de alimentos biodegradables. Se puede explorar más aquí.

Al mismo tiempo, existen desarrollos y líneas de investigación para hacer vacunas de uso veterinario más eficaces (también basadas en la encapsulación y liberación de principios activos), la fabricación de sensores para la detección de agroquímicos y el desarrollo de superficies funcionales para maquinaria agrícola, donde se conjugan la escala de los nanómetros y la biomimética. Se puede explorar más aquí.

Alimentos

La nanotecnología también interviene en la producción y conservación de ciertos alimentos; desde hace un tiempo se ha intentado innovar encapsulando nutrientes, sabores y pigmentos para hacer alimentos más ricos y saludables. Un caso concreto es la encapsulación de ácidos grasos saludables, como el omega 3, en productos comestibles, lo cual permite inhibir el sabor, identificado con el pescado, pero incorporar sus nutrientes. Se puede explorar más aquí.

En cuanto a la preservación y el mantenimiento de los alimentos, se ha desarrollado una gran cantidad de materiales biodegradables para hacer envases ecoamigables, en reemplazo de los plásticos convencionales que se utilizan comúnmente. Un ejemplo concreto son los films a base de almidón que se emplean para la conservación de frutas como el arándano y la cereza. Se puede explorar más aquí.

En el sector alimentos también existen otros aportes de la nanotecnología destinados a controlar la calidad y el estado actual de los alimentos, a partir de métodos de detección muy sensibles, que permiten determinar si un alimento puede ser consumido o no. Por último, existen empresas que comercializan productos nutracéuticos, que emplean en su elaboración nanomateriales biocompatibles como las cápsulas liposomales. Se puede explorar más aquí.

Ambiente

En este sector, los desarrollos más relevantes se encuentran orientados a la remediación de aguas contaminadas. La nanotecnología ha aportado nuevos métodos y procesos para limpiar efluentes afectados por la presencia de metales pesados y otros residuos. Uno de los ejemplos más conocidos son las nanopartículas de hierro, que se utilizan para remover arsénico, o las de quitosano, que también se usan para capturar cromo y otros metales contaminantes. Se puede explorar más aquí.

Los materiales catalizadores, que se colocan en los caños de escape de los autos para descomponer los gases liberados al ambiente y, de esta manera, disminuir la contaminación generada, son otros de los ejemplos de cómo la nanotecnología puede volver más eficiente y sustentable un proceso. Los paneles solares, los molinos eólicos, las superficies autolimpiantes, las baterías de litio, los sensores para detección de agroquímicos y otros tantos desarrollos mencionados en otros campos de aplicación también podrían ser incluidos en la categoría ambiente. Se puede explorar más aquí.

Energías renovables

Es importante destacar que la nanotecnología puede desempeñar un rol clave en el desarrollo y la optimización tanto de los generadores eólicos como de los paneles solares, ya que si bien son tecnologías que han ido creciendo en la calidad de sus prestaciones, todavía tienen mucho por mejorar.

Lo novedoso de la nanotecnología es el aporte permanente de nuevos materiales con propiedades hasta hace poco desconocidas, que permiten mejorar y optimizar las prestaciones de ciertos productos. Un ejemplo concreto son los materiales que se emplean como semiconductores en las celdas solares para captar la energía solar: en muy poco tiempo, pasaron de ser enteramente de silicio a transformarse en materiales compuestos que incluyen puntos cuánticos, materiales orgánicos, minerales como la perovskita y/o algunos derivados del carbono, como el grafeno y el fullereno, que han permitido ampliar la eficiencia de captación en un porcentaje considerable. Se puede explorar más aquí.

En el caso de los molinos eólicos, el aporte de la nanotecnología está presente en algunos de los materiales con los cuales son elaborados, buscando principalmente bajar el peso de las aspas y al mismo tiempo volverlas resistentes a la erosión provocada por las condiciones climáticas. Si bien el uso de un diseño más aerodinámico ha sido importante, las innovaciones más relevantes en su desarrollo radican en la utilización del grafeno y otros nanomateriales provenientes del carbono que, incorporados a las resinas de poliéster o epoxi con las cuales se fabrican en mayor medida los palas eólicas, permiten obtener polímeros nanorreforzados con mayor dureza y resistencia al impacto por partículas. El uso de estos nanocompuestos reduce el desgaste de las palas y la necesidad de mantenimiento, evita la corrosión y la formación de microgrietas y extiende su vida en servicio, incluso en ambientes marinos. Se puede explorar más aquí.

Arquitectura y construcción

La arquitectura y la construcción también se han visto beneficiadas con los aportes de la nanotecnología. Un ejemplo es el desarrollo de espumas aislantes a base de aceite de soja, nanocelulosa, silicio nanoestructurado y nanoarcillas para reemplazar las espumas rígidas de poliuretano, fabricadas a partir de derivados del petróleo, que se utilizan en la construcción como material aislante, impermeabilizante y de acustización, al mismo tiempo que retardante de llamas. Se puede explorar más aquí.

Otro caso concreto es la utilización de nanotubos de carbono como refuerzo de hormigón. Este nanomaterial presenta muy buena resistencia mecánica, bajo peso y flexibilidad, lo que permite, al combinarlo con el cemento y el resto de los insumos, obtener un hormigón más resistente y liviano. De igual modo, se han desarrollado estabilizadores de suelos que emplean nanopartículas de hierro para obtener prestaciones similares a las del pavimento, pero con un menor impacto ambiental y un menor costo. Se puede explorar más aquí.

Por último, se pueden mencionar los aportes de la nanotecnología en el desarrollo de pinturas funcionales, donde el uso de nanopartículas de plata y cobre para obtener recubrimientos antivirales y antibacterianos es probablemente la aplicación más difundida. En esa misma dirección, las nanopartículas de dióxido de titanio son usadas en recubrimientos de exterior para hacer pinturas autolimpiantes. Este nanomaterial presenta muy buenas propiedades fotocatalíticas, lo que permite, al entrar en contacto con la luz solar, atrapar y descomponer la suciedad, eliminando la presencia de cualquier tipo de contaminante. Se puede explorar más aquí.

Textil

La industria textil también ha decidido innovar empleando la nanotecnología para conseguir nuevas funcionalidades. En la actualidad, existen telas hidrofóbicas y antimanchas que explican sus propiedades, a partir del desarrollo de superficies nanométricas muy rugosas que evitan que el agua o la suciedad se posen. Al mismo tiempo, existen telas ignífugas que emplean nanomateriales retardantes del fuego para fabricar trajes de bomberos más eficientes y ergonómicos. Esta alternativa es más liviana, es más flexible y cumple las mismas funciones que los trajes comúnmente vistos. Se puede explorar más aquí y aquí.

Por último, se pueden destacar las telas conductivas que incluyen circuitos electrónicos basados en grafeno, paneles de alimentación y dispositivos wearables (tecnología que puede ser implementada en la vestimenta). En todos estos desarrollos, la nanotecnología interviene y aporta para la implementación de estos productos. Se puede explorar más aquí.

Cosmética

La industria cosmética también ha incorporado el uso de nanomateriales para mejorar las funcionalidades de sus productos: desde hace años se desarrollan cremas de protección solar, anti-age y regenerativas que emplean liposomas y otros nanomateriales biocompatibles para encapsular principios activos y prolongar su efecto en el tiempo. Se puede explorar más aquí.

Uno de los usos más difundidos es el de las nanopartículas de dióxido de titanio, recubiertas en cápsulas de silicio, que se emplean en protectores solares, ya que proporciona efecto de barrera a la radiación UV para evitar los daños en la piel. Se puede explorar más aquí.

Aeroespacial

La industria aeroespacial es otra de las tantas que ha comenzado a innovar empleando distintos tipos de nanomateriales, específicamente en la producción de aviones para mejorar sus prestaciones. Hoy en día, las empresas del sector utilizan revestimientos nanométricos con propiedades anticorrosivas, con capacidad de resistir la abrasión y el desgaste u otras opciones que cumplen funciones de barrera térmica, ya sea como retardante de llamas o para evitar la formación de hielo. Se puede explorar más aquí y aquí.

Recapitulando

La nanotecnología despierta pasiones, y no es para menos. Pero a quienes nos dedicamos a difundirla nos gusta poner los pies sobre la tierra y proponer un acercamiento a ella basado en el contexto que nos rodea. Si bien sus potencialidades parecieran ser infinitas, creemos indispensable enmarcarla entre las otras tecnologías facilitadoras de las que disponemos.

Será cuestión, entonces, de basarnos en las necesidades (ambientales, comerciales, productivas) del entorno que nos rodea (nuestro negocio, nuestro barrio, nuestra localidad o región, nuestro país) e indagar si la nanotecnología podría dar una respuesta a ellas y, así, iniciar un camino de innovación para alcanzar una solución nanotecnológica.

No es ciencia ficción, no es magia, pero sí es un maravilloso mundo por descubrir al que les invitamos a adentrarse, y conocer todo lo que se está haciendo en nuestro país.

Andrés Poleri

Periodista (TEA), licenciado en Comunicación Audiovisual (UNSAM) y especialista en Comunicación Institucional (Universidad Austral). Fue productor periodístico en Radio Mitre y conductor en FM La Tribu. Desde 2014 es responsable de Comunicación de la Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN)... Ver más

Matías Salemi

Periodista (TEA) y licenciado en Comunicación Audiovisual (UNSAM). Desde 2011 es integrante del Equipo de Comunicación de la Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN), del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Nación. Recientemente, se ha incorporado... Ver más

Compartir