Nanomateriales: breve historia y aplicaciones actuales

Autora: Fernanda Monasterio

La Ciencia de los Materiales acompaña constantemente los avances que la Humanidad necesita para lograr una mejor calidad de vida. Aunque no sea selección natural, durante ese proceso de continua evolución sobrevive el material más apto.

Ejemplo de esto son el plomo y la fibra de vidrio. Las primeras aplicaciones del plomo datan de Egipto (4000 AC), y posteriormente en Roma tuvo diferentes aplicaciones entre las que se destaca el uso en tuberías.[1] Durante largo tiempo este metal fue el predilecto para esta tarea, sin embargo, sus efectos en la salud llevaron a su reemplazo por tuberías de otros materiales como el policloruro de vinilo (PVC).

Por su parte, la fibra de vidrio también existe desde hace tiempo, pero su producción industrial comenzó en el siglo XX. Inicialmente se empleó como aislante pero sus propiedades de resistencia química, flexibilidad y transparencia (entre otras), han permitido que su uso se diversifique. En particular, se puede mencionar su uso en la fibra óptica y cómo su mayor velocidad de transmisión permitió que desplazara al cobre cuando se trata de conexiones de internet.[2]

Hasta aquí se han mencionado materiales convencionales y la manera en que sus usos sufren una metamorfosis como consecuencia de estar al servicio de las actividades del ser humano. Sumado a este proceso de continua mejora, durante la década de 1980 tuvieron lugar avances en la Ciencia que permitieron el desarrollo de la Nanociencia y la Nanotecnología. Por lo que se inició el estudio de los Nanomateriales.

La Nanotecnología revolucionó los materiales porque hasta antes de su aparición no había un conocimiento ni manipulación de la estructura interna a tan pequeña escala con tanta precisión. [3]

En la tabla a continuación se mencionan algunos ejemplos de aplicaciones actuales en donde ya intervienen los nanomateriales.

Aplicación	Material habitual	Material mejorado
Materiales para la construcción	Concreto	Concreto modificado con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2)
Envasado de alimentos	Plástico (polietileno, PE)	Plástico con nanopartículas de plata (Ag)
Purificación de agua	Se emplean diversos materiales (cerámicos, polímeros, metales)	Filtros que emplean nanotubos de carbono
Salud dental	Ionómeros, mezcla de resinas, amalgama de plata (en desuso)	Compuestos con nanopartículas de cerámica

En el primer caso, se ha observado que el agregado del nanomaterial al concreto ayuda a degradar los contaminantes presentes en el ambiente gracias a la actividad fotocatalítica que presenta el TiO2. Ya existen construcciones que poseen este material [4] y de hecho también se usan nanopartículas de TiO2 en otras aplicaciones como vidrios autolimpiantes y cosméticos.[5,6]

Vía en la Ciudad de Amberes y adoquines con TiO2 empleados para su construcción, extraído del artículo de Boonen y Beeldens, 2014 [7]

Cúpula de la pista de patinaje en Vancouver con vidrios autolimpiantes, extraído del artículo de Wroblaski 2010.

Para el envasado de alimentos resulta ser muy útil el uso de nanopartículas de Ag, ya que actúa como biocida, evitando el deterioro del producto lo cual permite almacenarlo en buen estado por periodos de tiempo más largos.[8]

La mejora de la calidad del agua es siempre un área de constante investigaciones porque se sabe que es un recurso escaso y de vital importancia para los seres humanos. Así llegaron a desarrollarse membranas que emplean nanotubos de carbono para lograr este objetivo. Dichos nanomateriales, además de aportar mejores propiedades mecánicas a las membranas, ofrecen mayores flujos y eficiencia de rechazo de sales. Se emplean tanto para desalinizar aguas como en la remoción de aceites o contaminantes emergentes. Son numerosos los trabajos de investigación en esta área y este mercado continúa en crecimiento. [9,10]

Finalmente, también se pueden encontrar nanomateriales cuando se trata de salud bucal. La nanotecnología ha influido tanto en esta área que ya se habla de la Nano-odontología en donde se emplearían nuevos biomateriales y hasta nanorobots. En la actualidad se pueden encontrar en el mercado restauradores compuestos por nanopartículas de cerámica con diversos tonos para lograr un mejor resultado estético en el paciente. [11,12]

Efectos toxicológicos de los nanomateriales

Afortunadamente la comunidad científica está consciente de que se debe analizar los posibles efectos de estos nuevos materiales pues hay evidencia que señala que en algunos casos (ya sea por ingesta, inhalación o absorción cutánea), estos nanomateriales pueden tener efectos perjudiciales no solo en los seres humanos, sino también en otros seres vivientes.

Existen estudios en los que se ha detectado disfunción microvascular en ratas al estar expuestas a nanopartículas de TiO2; mientras que al analizar los efectos de nanotubos de carbono, se detectaron trombosis vasculares. No obstante, no existen estudios sistemáticos ni concluyentes todavía acerca del efecto real que podrían causar. [13]

Perspectivas y limitaciones actuales de los nanomateriales

La lista de nanomateriales y sus aplicaciones actuales y futuras son innumerables. Pero para dar una idea de la dimensión que pueden alcanzar en el mercado alguno de ellos se mencionarán dos que tienen marcado interés para varias empresas: el grafeno y la nanocelulosa.

Dada la potencialidad de las propiedades que manifiesta el grafeno, varias empresas (2D Carbon Tech, ACS Material, Advanced Graphene Products, entre otras), están enfocadas en su producción e invierten en este nanomaterial. Por ejemplo, la empresa Saint Jean Carbon anunció la fabricación de baterías a base de litio-grafeno a mediados de 2017. Sin embargo, han habido advertencias en cuanto a las altas expectativas que generan algunas empresas en cuanto a sus productos, por lo que se debe estar bien informado al momento de hacer inversiones.[14]

Se proyecta que para el año 2023 el mercado de la nanocelulosa alcance los USD661,3 millones gracias a la creciente demanda de la industria de papel y pulpa. En particular, el segmento de electrónica y sensores es el que promete una mayor tasa de crecimiento anual compuesto. Algunas de las principales empresas del sector son Innventia (Suecia), American Process (USA), FPInnovations (Canadá). [15]

Más allá de los aspectos en cuanto a sus posibles efectos toxicológicos y ambientales, existen limitaciones respecto a la clasificación de los nanomateriales lo cual sí dificulta su regulación. Y esto termina teniendo consecuencias a la hora de comercializarlos, por lo que se deberán aunar voluntades para definir criterios y así lograr su futura implementación.