REVISTA BIMESTRAL
ABRIL - MAYO 2018 I NUMERO 155
BIO & NANO TECNOLOGIA
» Comisiones
» Capacitaciones

 

Nanomateriales

 
.
   
Prof. Dr. Alberto D’Andrea.
Director de Nanotecnología y Nuevas Tecnologías Universidad CAECE.
Comisión Biotecnología & Nanotecnología del CPIA

 
   


La Nanotecnología implica comprender el mundo desde lo pequeño para innovar haciendo construcciones con átomos y moléculas con el propósito de dar respuestas a las crecientes necesidades socioeconómicas. Es capaz de proveer variadas soluciones en prácticamente todas las áreas vinculadas con las necesidades humanas primarias: salud, alimentación, energía, transporte, comunicaciones, vestimenta, vivienda, defensa y medio ambiente. Algunas de sus ramas involucradas en la generación de los nuevos productos y servicios son: nanomateriales, nanoelectrónica, nanofotónica, nanomedicina, nanorrobótica y nanotecnología ambiental.

La facturación global de la Nanotecnología en el año 2016 fue de 39.200 millones de dólares (BCC Research). Con un crecimiento anual promedio del 18% (2016-2021), se espera para el año 2021 una facturación global de 90.500 millones de dólares(BCC Research) y que a partir en el año 2024 supere la facturación global de la soja. Los nanomateriales constituyen el 83% de la facturación global de la Nanotecnología. La Norma ISO/TS 80004 define como nanomaterial al material con cualquier dimensión externa entre 1 y 100 nm (nanoescala) o al que tiene en la estructura interna o superficial partes en la nanoescala. La definición permite clasificar los nanomateriales en nano-objetos y materiales nanoestructurados.
El grupo de los nano-objetos está constituido por materiales cuya dimensión externa presenta una, dos o tres dimensiones entre 1 y 100 nm (nanómetros). Para los nano-objetos se suele utilizar una denominación característica. Cuando sus tres dimensiones externas están entre 1 nm y 100 nm se los denominan 0D. Cuando tienen dos dimensiones en la nanoescala 1D y con una dimensión en la nanoescala 2D. El número indica cuantas dimensiones están fuera de la nanoescala.

 

Figura 1. Clasificación de los nanomateriales en función a sus dimensiones.

 

Los materiales 0D por excelencia son las nanopartículas. Entre ellas sobresalen las semiconductoras, como las del seleniuro de cadmio(CdSe), denominadas puntos cuánticos (quantum dots-Qdots) con propiedades ópticas que varían con su diámetro. Los Qdots de CdSe(seleniuro de cadmio) de 2 nm presentan fluorescencia azul, los de 4 nm verde y los de 6 rojo. Entre otras aplicaciones los Qdots permitieron crear las nuevas pantallas para los televisores QLED con imagen 100% natural y paneles solares nocturnos capaces de captar la radiación infrarroja causante del efecto invernadero. Nanopartículas metálicas de plata y oro producen lo que se denomina resonancia plasmódica superficial localizada (LSPR). La resonancia se origina cuando la frecuencia del movimiento de los electrones superficiales (plasma) coincide con alguna frecuencia de la radiación incidente. Esto provoca la absorción de energía por la nanopartícula metálica. El fenómeno se utiliza tanto para vaporizar agua con energía solar a temperaturas menores al punto de ebullición como para "lavar ropa" sólo con luz del sol como para quemar y destruir tumores.

Otro ejemplo lo constituyen las nanopartículas de hidroxiapatita que permiten aumentar la eficiencia de la fertilización con urea debido a que la mantiene en el suelo mucho más tiempo haciendo que las raíces de la planta la puedan absorber casi totalmente. El hibrido nanohidroxiapatita-urea constituye una potencial aplicación en la agricultura para mantener el rendimiento reduciendo la cantidad de fertilizante utilizada (Urea-Hydroxyapatite Nanohybrids for Slow Release of Nitrogen. ACS Nano. 28;11(2):1214-1221. 27 de febrero 2017).
La German Chemical Industry Association fija como condición complementaria para los nano-objetos que, cuando se midan por métodos normalizados y reconocidos, tengan una superficie específica volumétrica superior a 60 m2/cm3.

Nanomateriales 1 y 2 D

Los nanomateriales 1D (tienen 2 dimensiones en la nanoescala y una tercera relativamente más larga). Los denominan genéricamente nanofibras y se subclasifican en: nanotubos, nanobarras y nanocables. Muchos de estos nano-objetos se utilizan para conferir propiedades especiales en los distintos materiales nanoestructurados. Se destacan entre los materiales 1D los nanotubos de carbono. En 1979 John Abrahamson y Peter Wiles, de la Universidad de Canterbury (Nueva Zelandia), observaron, mientras trataban de obtener acetileno utilizando un arco voltaico con electrodos de grafito, la aparición en el ánodo de ciertas "fibras de carbono" de 4 a 100 nm; pero recién en 1991, SumioIijima de la empresa NEC (Japón) logró explicar el fenómeno y denominó a las "fibras" nanotubos de carbono. Por sus excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas se utilizan en variadas aplicaciones: almacenamiento de energía, refuerzo de materiales, catalizadores en reacciones químicas, dispositivos electrónicos y terapias biomédicas.

 

Figura 2. Denominación de distintos nano-objetos en función de sus dimensiones.

 

Entre los nanomateriales 2D (tienen una dimensión en la nanoescala y dos relativamente más largas) se destaca el grafeno. Los físicos rusos Andre Geim y Konstantín Novosiólov (Universidad de Manchester, Reino Unido) fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en el año 2010 por aislar el grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, obtenida a partir del grafito (año 2004). El grafeno es el material más elástico que se conoce, unas 200 veces más resistente que el acero, además es un excelente conductor del calor y la electricidad, impermeable y permite el movimiento de electrones 230 veces más "rápido" que en el silicio. Durante el año 2016, el mercado del grafeno se comenzó a desplazar de la I +D hacia su aplicación y comercialización. Encontramos ejemplos de su utilización en la fabricación de microchips, computadoras más veloces y con menor consumo energético, celulares con pantallas flexibles, plegables y táctiles, nanocircuitos para mejorar la velocidad de las comunicaciones inalámbricas, baterías de larga duración recargables en unos segundos, en chalecos antibalas, cascos y en una multitud de elementos de protección más livianos y seguros, en la elaboración de nanopiel para prótesis humanas, nanopiel para robots, chasis para vehículos más resistentes, aditivos para motores capaces de mejorar el rendimiento en cuanto a consumo, envases para alimentos más seguros, recubrimientos antibacterianos para los muebles del hogar, desalinización del agua, en la obtención de nuevos compuestos para ser utilizados como materiales aislantes, monitores de TV(OLED), etcétera. La revolución tecnológica del grafeno comienza a ser comparable con la producida en su momento por la de los plásticos.

También ocupan un lugar importante en los materiales 2D las láminas de oro por presentar el fenómeno de resonancia plasmódica superficial (SPR). Cuando se unen a la lámina, hebras de ADN/ARN, sustratos o anticuerpos monoclonales, el ángulo de reflexión de un rayo láser incidente cambia en la medida que las bases complementarias, las enzimas o los antígenos se unen. El fenómeno da origen al instrumental denominado "biosensor de resonancia de plasmón superficial" que permite desde realizar estudios de las interacciones biológicas hasta obtener resultados cualitativos y cuantitativos.

Materiales nanoestructurados

El grupo de los materiales nanoestructurados, es decir materiales en cuya dimensión interna o superficial la composición de las partes constituyentes se interrelacionan con una o más partes a nanoescala, está integrado por las siguientes variantes: material nanocompuesto, material nanoporoso, polvo nanoestructurado, nanoespuma sólida y nanodispersión fluida.

El material nanocompuesto es un sólido que comprende una mezcla de dos o más materiales separados por fases de las cuales una o más tienen una, dos o tres dimensiones entre 1 y 100 nm(ISO 80004). Los más utilizados tienen una matriz polimérica a la que se le agrega nano-objetos tales como nanopartículas, nanofibras o nanoplacas; metálicas, arcillosas o carbonosas (nanotubos de carbono o grafeno) para conferirles distintas cualidades. De hecho se cuenta con los materiales nanocompuestos para lograr, sobre una base polimérica orgánica común, las propiedades necesarias para realizar variados productos en impresoras 3D.

 

Figura 3. Clasificación de los materiales nanoestructurados.

 

El material nanoporoso es un sólido con nanoporos, en general puede utilizarse en la producción de catalizadores para reducir la emisión de contaminantes, aislantes, en aplicaciones medioambientales como purificación de aguas, eliminación de contaminantes, almacenamiento de gases, atrapar y eliminar metales pesados y en células solares orgánicas.

La espuma sólida es una matriz sólida llena con una segunda fase gaseosa resultando un material nanoestructurado. Las más usuales, las nanoespumas metálicas, presentan muchas combinaciones interesantes de propiedades físicas y mecánicas como la elevada rigidez junto con un bajo peso específico o la gran permeabilidad a los gases combinada con elevada resistencia mecánica. Sus principales aplicaciones son como materiales livianos de construcción, para absorber energía, especialmente de impacto y para el control térmico-acústico.

El polvo nanoestructurado es un polvo que abarca aglomerados(de nano-objetos) y/o agregados(de nano-objetos). Un ejemplo lo constituye el polvo de grafeno. La nanodispersión fluida es un material heterogéneo en el cual nano-objetos o nanofases están dispersos en una fase fluida continua de diferente composición. A modo de ilustración el polvo de grafeno puede estabilizar emulsiones de agua-aceite originando un material fuerte, flexible y conductivo. Pequeños cambios mecánicos se traducen en variaciones de la conductividad, resultando ideal para hacer nanosensores capaces de medir las pulsaciones y/o la frecuencia de la respiración a distancia. La German Chemical Industry Association fija como condición complementaria para los materiales nanoestructurados que, cuando se midan por métodos normalizados y reconocidos, contengan al menos 10% de nano-objetos.
Los nanomateriales constituyen la base común, el cimiento, para el desarrollo de las distintas áreas de la nanotecnología.

Permiten, entre otras, hacer desde pinturas antigraffiti, nanocemento (nanosílice), aerosol nasal para el ACV(nanodelivery con nanoesferas de gelatina), nanobiopsias líquidas (anticuerpos monoclonales unidos a nanopartículas de hierro y distintos puntos cuánticos), nanofertilizantes y nanosensores de glifosato, hasta nanorrobots que viajan por el torrente sanguíneo, dispositivos nanofotónicos para mejorar 100 veces la velocidad de las comunicaciones utilizando fotones(velocidad 108 m/s) en vez de la conducción eléctrica por electrones(velocidad 106 m/s), nano-objetos para disminuir la temperatura de la tierra (sembrando las nubes con los capaces de dejar pasar la radiación infrarroja) y nanochips neurosinápticos (año 2014) de 28nm con la integración de una cifra récord de 5400 millones de transistores; uno los caminos para llegar a un cerebro similar al humano.

La compleja y gran revolución del siglo XXI parte de una concepción muy simple: volver a lo pequeño para innovar con los nanomateriales desde lo pequeño.