Desde su primera referencia hecha por el premio Nobel de Física Richard Feynman en 1959, el desarrollo de la nanotecnología ha ido en aumento en diferentes áreas como la medicina, la electrónica, la industria textil, de alimentos y en tratamientos para el cuidado del medio ambiente. Como su nombre lo menciona la nanotecnología hace referencia a la tecnología que utiliza materiales en escala nanométrica, pero ¿qué es la escala nanométrica?
Se le conoce como escala nanométrica aquella que mide desde una décima de nanómetro (nm) a una centena de nanómetro y por general se identifica como 1 nm siendo equivalente a 10-9 m. O lo que en términos más sencillos se puede explicar como la mil millonésima parte de un metro, es decir una parte de un milímetro que se ha dividido en un millón. Otros ejemplos que nos pueden ilustrar estas dimensiones es imaginar los tamaños de diferentes elementos de la naturaleza, como una hormiga la cual se encuentra en 107 nm o lo que es igual a 10 millones de nm, el cabello en 105 nm o cien mil nanómetros, un virus entre 10 y 100 nm, las proteínas en 10 nm o el ADN en 1 nm.
En los últimos años, diversos grupos de científicos han generado avances con el uso de nanomateriales, para resolver problemas del medio ambiente. De manera particular, en el tratamiento de aguas residuales, eliminando gran variedad de contaminantes que de manera natural o por los métodos convencionales no habría sido posible remover. Entre los contaminantes que se han estudiado, se encuentran los colorantes y fármacos descargados en aguas residuales con una eliminación entre un 50 y 100%. De manera específica el 50% de los colorantes terminan en las aguas descargadas, debido a la baja fijación en las telas, generando concentraciones de entre 100 y 500 miligramos por litro. Mientras que los fármacos, son liberados a las aguas residuales por las personas que los toman una vez que son metabolizados y excretados, provocando una resistencia antibacteriana, que genera daños al medio ambiente y a la salud humana.
¿Qué son las nanopartículas y para qué sirven?
Se conoce como nanopartículas (NPs) a todas las partículas que tienen un tamaño de entre 1 y 100 nanómetros, siendo el nanómetro una millonésima parte de un milímetro. La razón por la cual las NPs han tenido gran éxito en aplicaciones ambientales se debe a su extensa superficie. Entre mayor sea la superficie del material, se incrementará el número de sitios activos que se encuentran en la superficie de la partícula, haciéndola más reactiva durante procesos de tratamiento de agua.
Si bien la extensa superficie de las nanopartículas brinda una ventaja para la eliminación de contaminantes, también provoca una gran desventaja, que es una interacción atrayente tan fuerte entre ellas, que hace que las NPs tiendan a aglomerarse fácilmente, perdiendo sus propiedades reactivas. Aunado a lo anterior, el tamaño tan pequeño de las nanopartículas dificulta su recuperación y reúso, pudiéndose liberar en el medio ambiente y ser consideradas como contaminantes secundarios. Por lo anterior, diferentes grupos de investigación han optado por buscar formas de minimizar la interacción tan fuerte entre nanopartículas, y a su vez mantenerlas ancladas en un soporte.
¿Cómo funcionan las nanopartículas para la eliminación de contaminantes?
Entre las nanopartículas que se han utilizado para la eliminación de contaminantes presentes en agua, están el dióxido de titanio (TiO2) y el óxido de Zinc (ZnO). Estos materiales, interactúan con la luz solar y el agua, generando una especie química conocida como radical hidroxilo, que tiene gran potencial para reaccionar con contaminantes orgánicos a través de un proceso denominado fotocatálisis.
La fotocatálisis, es un proceso en donde las nanopartículas absorben energía ultravioleta y en presencia de agua u oxígeno forman el radical hidroxilo, el cual, al estar en contacto con el contaminante, iniciará una serie de reacciones químicas hasta convertir el contaminante en dióxido de carbono y agua.
Modificación superficial de nanopartículas, una alternativa para ampliar sus beneficios.
La modificación superficial de las nanopartículas, ha sido utilizada con la finalidad de adaptar estos materiales a distintas condiciones, como lograr una mejor dispersión de éstas en los medios donde se utilizan, compatibilidad con otros materiales o bien aumentar sus propiedades de eliminación y adsorción de contaminantes sin generar toxicidad o un peligro en sistemas biológico. Además, como se mencionó anteriormente, la modificación superficial de las nanopartículas, tiene la finalidad de disminuir la interacción entre ellas, por lo que se han utilizado compuestos con características contrarías a las de su superficie, para generar una pequeña repulsión entre ellas y disminuir su aglomeración. Por ejemplo, algunas nanopartículas que presentan características hidrofílicas, es decir que son afines al agua, han sido modificadas con elementos orgánicos como el aceite de coco, el cual les brinda su característica hidrofóbica (que repele el agua), generando una separación entre las nanopartículas.
Existen diversas formas químicas o físicas de realizar la modificación superficial de las nanopartículas algunos ejemplos son: la inserción de grupos funcionales (compuestos químicos específicos), la formación de una estructura de núcleo coraza o el dopaje sobre las nanopartículas.
La manera en la que las nanopartículas son modificadas superficialmente, así como la selección del compuesto modificador, dependerán principalmente de la aplicación y características necesarias a las que serán destinadas. Algunos ejemplos donde se han utilizado este tipo de modificaciones han sido en áreas como la medicina, medio ambiente o sistemas de telecomunicaciones.
Nanopartículas modificadas y sus beneficios al medio ambiente
La eficiencia de las nanopartículas en este proceso ha aumentado gracias a la modificación superficial que algunos grupos de estudio han realizado en ellas, por ejemplo, nanopartículas de TiO2 y ZnO modificadas por la inserción de grupos funcionales o dopaje, han sido incorporadas en membranas para sistemas de filtración, presentado una eficiencia del 60-70% en la eliminación de medicamentos como el diclofenaco, la tetraciclina y el sulfametoxazol, asimismo, se ha evaluado la eliminación de diferentes colorantes (azul de metileno, rojo Congo o naranja de metilo) con eficiencias del 50-90%. Por otra parte, con la técnica de núcleo- coraza en nanopartículas de TiO2, se obtuvo una eliminación de 99% de Rodamina B.
En la División de Ciencias Ambientales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, se han desarrollado protocolos para la funcionalización de nanopartículas, con la finalidad de hacerlas más afines a matrices poliméricas. De esta manera, las nanopartículas pueden ser reutilizadas fácilmente en el tratamiento de agua, evitando que sean liberadas en el agua tratada como un contaminante secundario.