Las nanopartículas: Pequeños gigantes de la tecnología

Escrito por Gladys Juárez-Cisneros y Javier A. Villegas-Moreno

La nanotecnología en nuestro tiempo

La Nanotecnología, es sin duda una de las disciplinas que ha despertado un gran interés científico, comercial y biotecnológico en todo el mundo. El uso de las nanopartículas ha venido a cambiar nuestra forma de pesar sobre las nuevas herramientas tecnológicas usadas en áreas como la biotecnología, biomedicina, farmacéutica, en la industria eléctrica y electrónica. Se ha descubierto el potencial de las nanopartículas para su uso en la construcción de sensores electroquímicos o paneles solares más eficientes, en el mejoramiento de chips de computadoras, la elaboración de nanomateriales para viajes espaciales, o bien, como vehículos para administración dirigida de fármacos, elaboración de envases para preservación de alimentos, en el tratamiento de aguas residuales o como insumos en los cultivos agrícolas para control de plagas y promoción del crecimiento vegetal. Actualmente encontramos a las nanopartículas por todas partes, por lo que no es de sorprendernos que se considere que la nanotecnología desencadenaría la próxima Revolución Industrial.

La nanotecnología representa cualquier tecnología aplicada en escalas nanométricas que varían desde la presencia de átomos individuales hasta formar redes de nanopartículas para generar materiales de gran complejidad y tamaño. La nanotecnología en su esencia la encontramos constituida por dos grandes grupos de nanopartículas de acuerdo a su naturaleza química: pueden ser metálicas constituidas de plata, zinc, titanio, cobre, cesio, silicio o hierro, y nanopartículas orgánicas de material cristalino como el grafeno (lámina o capa de carbono con un átomo de espesor, unidos por enlaces covalentes densamente empaquetados en una red cristalina en forma de “panal”), los fullerenos (lámina de un átomo de espesor de carbono cristalino enrollado en forma de esfera) , y los nanotubos de carbono (NTC´s) láminas constituidas por carbono cristalino con un átomo de espesor enrolladas en forma de tubo).

El carbono como fuente de nanopartículas  

El carbono, es uno de los elementos químicos de mayor importancia para la vida, lo encontramos formando aminoácidos para las proteínas y otorgándole identidad a los seres vivos mediante el ADN que se encuentra en cada una de las células, lo encontramos en forma de CO2 alimentando a las plantas y organizado en complejas estructuras de celulosa y lignina para hacer plantas fuertes y resistentes a las inclemencias del ambiente. Sin embargo, el carbono también se encuentra organizado tan perfectamente que forma estructuras cristalinas dando origen a compuestos como el diamante o el grafito. Además, el carbono forma estructuras tan diminutas como el grafeno, los fullerenos y los NTC´s que son imperceptibles al ojo humano y necesitamos armarnos con aparatos tan sofisticados como el microscopio electrónico de barrido o de transmisión de electrones para poder visualizarlos.

 

Los nanotubos de carbono y su impacto

Los NTC´s, hoy en día representan un gran impacto económico, social y ambiental. Anualmente, en todo el mundo se generan y usan miles de toneladas de estas nanopartículas; presentan características estructurales únicas, su tamaño y composición química a base de carbono-hidrógeno, esto particularmente les confiere facilidad para interactuar con biomoléculas, fármacos y compuestos activos de interés biotecnológico; por lo que ha sido clave estudiar y entender el papel que juegan los NTC´s en nuestro entorno para optimizar su uso.

 

Pero, ¿Qué son los NTC´s?

Empecemos por entender a los NTC´s, como nanopartículas constituidas por una o varias capas de grafeno que se encuentran enrolladas y unidas entre sí. Haciendo una analogía podríamos imaginar que las capas de grafeno son tortillas que se encuentran apiladas y si las enrollamos, el taco que se forma se asemeja a un tubo, cuantas más tortillas apilemos generamos un taco de mayor espesor o con un mayor número de capas. Si a este taco le hacemos un corte longitudinal podemos observar el hueco de la estructura, rodeado de tantas capas como el número de tortillas que lo integran. Estas capas son análogas a las capas de carbono cristalino que podemos observar en los NTC´s en microscopía electrónica de transmisión de electrones y que son la clave del éxito de estas nanopartículas para su interacción intermolecular.

 

Nanotubos de carbono en un taco

Estos pequeñísimos tubos son de dimensiones en el orden de los nanómetros, su tamaño es variable entre intervalos de 1 a 100 nm; en perspectiva 1 nanómetro lo consideraríamos como la mil millonésima parte de un metro. Estos NTC´s fueron reportados por primera vez por el profesor Sumio Lijima (1991), a partir de entonces surge el “boom” de la obtención de estos nanomateriales por diferentes métodos cada vez más eficientes para sintetizar NTC´s de características específicas y a escala comercial.

 

¿Los nanotubos de carbono pueden formarse en la naturaleza?

Después del descubrimiento de los NTC´s surgen grandes incógnitas sobre si ¿es posible que los NTC´s pudieran formarse en la naturaleza espontáneamente? si eso es posible, entonces, ¿cuál es el papel que tienen en el medio ambiente? Estas preguntas se han planteado en varios grupos de investigación de especialistas en el área de nanomateriales, por lo que se ha realizado la búsqueda de estos nanomateriales en la tierra, especialmente en ambientes extremos (alta presión y temperatura) que pudieran simular las condiciones y especificaciones que se requieren para la síntesis de NTC´s en el laboratorio. Se ha reportado la presencia de NTC´s encapsulados en pozos petroleros en una mezcla de petróleo y carbón; la presencia de NTC´s en muestras de hielo en Groenlandia, fechadas en la Edad de Piedra Neolítica (hace 10,000 años), sin embargo, la fuente de estos NTC´s todavía no se ha identificado y la evidencia documental no fue suficiente para confirmar dicha información.

Posteriormente, en 2017, se presentó la primera evidencia sólida de la presencia de NTC´s encontrados en la naturaleza, con hallazgos de éstos en muestras de madera de diferentes especies de pinos resinosos carbonizada, obtenidas después de ocurrir incendios forestales, había la presencia de un ~0.1-2% de NTC´s del total del material examinado. Además, por microscopía electrónica de transmisión se determinó que el cuerpo de los NTC´s encontrados, tenía un espesor de ~10 capas de grafeno, con diámetro interno y externo de 2.52 nm y 12–15 nm, respectivamente.

Dichos hallazgos abren un sin fin de posibilidades sobre el posible impacto eco-fisiológico de dichas nanopartículas, especialmente sobre las poblaciones autóctonas microbianas y vegetales de estos ecosistemas. Adicionalmente a esto, hacen de estas “nuevas” nanopartículas un campo de estudio de gran potencial científico y biotecnológico.

 

Para Saber Más: 

Andrade Cuel, M.L., López López L.I. y Sáenz Calindo A. Nanotubos de carbono: funcionalización y aplicaciones biológicas Carbon nanotubes: Funcionalization and biological applications. Rev. Mex. Clenc. Farm., 43(3):9-18.

http://www.scielo.org.mx/pdf/rmcf/v43n3/v43n3a2.pdf

Delgado, G.C. (2009). Nanotecnología y producción de alimentos: impactos económicos, sociales y ambientales. Estudios Sociales, 17(34):186-205.

https://www.redalyc.org/pdf/417/41711502007.pdf

Lira Saldivar, R.F., Méndez Argüello B., De los Santos Villarreal G. y Vera Reyes I. (2018). Potencial de la nanotecnología en la agricultura. Acta Universitaria, 28(2):9-24.  http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0188-62662018000200009

Mendoza, G. y Rodríguez-López J.L. (2007). La nanociencia y la nanotecnología: una revolución en curso. Perfiles Latinoamericanos, 29:161-186.https://www.redalyc.org/pdf/115/11502906.pdf

 

Gladys Juárez-Cisneros, estudiante del Programa Institucional de Doctorado en Ciencias Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

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Javier A. Villegas-Moreno, Profesor investigador adscrito al Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la  Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Laboratorio de interacción Suelo Planta Microorganismo.

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