Nanociencia y Nanotecnología

Escrito por Joaquín Chávez Arellano

«Como elementos tan pequeños, pueden salvar algo tan grande como nuestro planeta» 

Nanociencia es el estudio de fenómenos y a la manipulación de materiales a escala nanométrica, es decir 10⁻⁹ unidades de metro, que es la unidad con ocho ceros después del cero- (0.000,000,001).

 

¿Dónde y cómo se aplica?

El área energética es la primera área de aplicación de la nanotecnología, seguida por la agricultura y la ambiental. Todas las partículas que tienen al menos una dimensión de en el intervalo de 1 a 100 nm son denominadas nanopartículas (NPS).

 

Nanotecnología como fuente alterna de energía

Sabemos que la energía eléctrica que se consume a nivel mundial es generada por combustibles fósiles y que como se anticipó por Thomas Maltus, desde 1798, en su “Ensayo de sobre el principio de la población”, donde explica su famosa “Teoría poblacional”, nos dice que la población tiende a crecer más rápido que la generación de los recursos. 

En este sentido, la nanotecnología tiene un gran potencial en el sector energético, como la creación de tecnologías emergentes que permitan el abasto de energía eléctrica que sea amigable con el medio ambiente, así como la disminución de gases que provocan el efecto invernadero. Recientemente se han encaminado los estudios en el desarrollo de materiales nano-estructurados, para el aprovechamiento de energías renovables, como las celdas solares, generadoras de energía limpia.

Un prototipo de celdas solares basado en nanoestructuras son las celdas solares de nanocristales inorgánicos en medio continuo. Así también tenemos a las calcopiritas de seleniuro de cobre e indio, que son un grupo de compuestos para la fabricación de celdas solares de materiales nanoestructurados, entre otros.

 

Nanotecnología y la agricultura

En el área agrícola y ambiental, las NPS son importantes por su uso potencial en resolver problemas que con productos a escala normal son muy costosos y no siempre se solucionan eficientemente. Respecto a la producción agrícola, la premisa básica es reducir al mínimo las pérdidas y disminuir los aspectos adversos en el ambiente por el excesivo uso de insumos agrícolas. El uso de las NPS en agricultura, incluye la producción de fertilizantes especiales, estimulantes de crecimiento y plaguicidas sistémicos.

El nitrógeno y el fósforo son elementos esenciales para el desarrollo de los cultivos. Sin embargo, algunos de ellos como el nitrato y ciertas formas de fosfatos son, además, contaminantes de cuerpos de agua superficiales y profundos. La forma más común para suministrar estos elementos minerales a los cultivos es el uso de enmiendas orgánicas o de fertilizantes. En la mayoría de los casos se da un uso inadecuado o excesivo de fertilizantes en las prácticas agrícolas, lo que propicia la contaminación de los cuerpos de agua. Con el objeto de definir un mejor uso de los fertilizantes se ha propuesto el empleo de fertilizantes de lenta liberación, los cuales presentan un gran potencial tanto en la agricultura como en la reforestación.

Sin embargo, este tipo de fertilizantes todavía presenta un alto costo de producción y, en ciertos casos, puede ocurrir una liberación descontrolada o ineficiente del mismo. Una de las formas de evitar tales inconvenientes, sin dejar de lado la función nutricional, es el uso de materiales nano estructurados capaces de liberar nutrientes de forma gradual. Esto no sólo reduciría la contaminación de suelos y agua, sino que también significaría un ahorro económico altamente considerable.

Una alternativa son las arcillas aniónicas, también conocidas como hidrotalcitas, que tengan la capacidad de retener y de liberar gradualmente fertilizantes (nitrato y fosfato) en solución acuosa, utilizadas por el hombre desde hace más de veinticinco mil años por nuestros antiguos pobladores de Mesoamérica, que ya las empleaban en la preparación de vasijas y casas de adobe.

La nanorremediación se usa para proteger el ambiente, ya sea a través de la prevención, el tratamiento o limpieza de sitios con desechos peligrosos, varios materiales se han probado en la remediación, por ejemplo: zeolitas, óxidos metálicos, metales nobles, dióxido de titanio, nanotubos y fibras de carbono y enzimas. Sin embargo, el más ampliamente usado es el hierro valencia cero.

 

La nanotecnología en el tratamiento de aguas

El uso de la nanotecnología en el tratamiento de aguas, es un proceso complejo que incluye tres fases:

 

  1. Remover los materiales que son posibles de sedimentar, con la adición de reactivos químicos, que modifican la estructura química que el agua contaminada posee, tratando de eliminar algunos compuestos como las sales de hierro, de magnesio, de aluminio, polielectrolitos, floculantes o hidróxidos añadidos, o bien neutralizarla, fase en la que se elimina un 60% de los residuos;

 

  1. Eliminar un 90% de los residuos, en esta etapa puede haber tratamientos biológicos que eliminarían la materia orgánica disuelta, convirtiéndola en sólidos suspendidos de fácil eliminación. Estos tratamientos pueden ser aerobios o anaerobios, ambos con los mismos objetivos de reducir la materia orgánica, así como el contenido de nutrientes y la eliminación de patógenos y parásitos.

 

  1. En la tercera y última fase, se aumenta la calidad del efluente a los estándares requeridos antes de ser descargado a un ambiente receptor, como ríos, lagos o lagunas. En este tratamiento se elimina la carga orgánica residual, así como aquellas substancias no eliminadas en las dos etapas anteriores.

 

La nanotecnología ¿una alternativa?

Se cree que las mejores soluciones a problemas existentes, serían haberlos evitado, aquí mencionamos como la nanotecnología nos ayudaría para que sea menor el impacto ambiental que se sufre con los efectos de la contaminación, derivado de la quema de combustibles fósiles, lo que también nos lleva a la pérdida de valores, a que cada vez nos importe menos nuestro planeta y el placer de la vida, al no generar contaminación que aumenten el cambio climático, que repercute en el calentamiento global. Aunque lo mejor es prevenir, la nanociencia nos propone herramientas útiles en diferentes áreas, principalmente en la energética, agricultura y ambiental.

 

Para Saber Más:

Castañeda-Olvera J.D.R., Foladori G., León-Silva S., Robles-Belmont E. y Záyago-Lau E. (2018). Panorama de la investigación y desarrollo de las nanotecnologías para el tratamiento de agua en México. Revista Posgrado y Sociedad, Sistema de Estudios de Posgrado, Universidad Estatal a Distancia, 6(1):71-88. https://www.researchgate.net/publication/325913039_Panorama_de_la_investigacion_y_desarrollo_de_las_nanotecnologias_para_el_tratamiento_de_agua_en_Mexico 

García-Gutiérrez D.I., Garza-Navarro M.A., Cienfuegos-Peláez R.F. y Chávez-Guerrero L. (2010). Aplicaciones de la nanotecnología en fuentes alternas de energía. Ingenierías,  XIII(49):53-62.

https://www.academia.edu/21425991/Aplicaciones_de_la_nanotecnolog%C3%ADa_en_fuentes_alternas_de_energ%C3%ADa 

Leguizamon J., Quiñones C., Espinoza H. y Sarria V. (2010). Fotosensibilización de TiO2 con un colorante comercial para fotodegradación de contaminantes orgánicos en agua. Rev. U.D.CA Act. & Div. Cient., 13(2):185-190.

http://www.scielo.org.co/pdf/rudca/v13n2/v13n2a21.pdf

Ing. Joaquín Chávez Arellano, Docente de la Academia de Ingeniería en Nanotecnología en el Instituto Tecnológico Superior de Ciudad Hidalgo. Ciudad Hidalgo, Michoacán, México.

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