Historia de los nanomateriales

Los nanomateriales facturados más comunes, según la clasificación de la Comisión Europea, son los siguientes:

Nanomateriales inorgánicos no metálicos:
La mayoría de nanomateriales que forman parte de este grupo son óxidos de elementos no metálicos, como la sílice o de metales no ferromagnéticos, como el óxido de aluminio. Ambos presentan gran resistencia al rayado y a la abrasión. Otros nanoelementos de este grupo son el dióxido de titanio, que destaca por sus propiedades antimicrobianas, fotocatalíticas y de protección de los rayos ultravioleta, como el óxido de zinc. Por último, destaca el óxido de cerio por sus propiedades ópticas.

Metales y aleaciones:
Casi la totalidad de los metales pueden producirse en dimensiones nanométricas, en forma de nanohilos o nanopartículas. Los nanomateriales metálicos más comunes en la producción son los derivados de oro, plata y aleaciones de platino y paladio. Todos ellos tienen propiedades antimicrobianas, ópticas, fototérmicas y fotoeléctricas.

Nanomateriales con base de carbono:

• Fullerenos:
  Nanoestructuras de átomos de carbono con forma de esfera hueca compuesta por hexágonos y pentágonos o heptágonos. Su forma más habitual es la que contiene 60 átomos de carbono, C60, llamada comúnmente Buckminster o Buckyball, por su parecido con las cúpulas geodésicas que inventó y patentó Richard Buckminster Fuller en 1954.
• Grafeno:
  Material bidimensional en forma de nanoplaca. Se presenta en láminas hechas de una red hexagonal de átomos de carbono dispuesta en un mismo plano, de menos de 1 nm de espesor. Se caracteriza por ser tan duro como el diamante, pero presentando elasticidad, flexibilidad y alta conductividad térmica y eléctrica, con gran ligereza y alta resistencia a las radiaciones ionizantes.
• Nanotubos de carbono (CNT):
  Se trata de una o más láminas tubulares similares al grafeno. Los hay de pared simple o múltiple y su longitud puede ser de varios cientos de micrómetros. Los nanotubos son materiales de gran estabilidad química y térmica, de elevada elasticidad, resistencia a la deformación y al estiramiento y conductividad tanto eléctrica como térmica. Poseen una alta relación resistencia-peso y baja densidad.
• Nanofibras de carbono (CNF):
  Están formadas por láminas de grafeno, al igual que los nanotubos. Son muy similares, pero tienen una estructura en forma de copa, por lo que difieren en algunas propiedades mecánicas y eléctricas, una conductividad eléctrica mayor y resistencia al fuego.
• Negro de humo:
  Conocido también como carbon black, es carbono puro elemental en forma de partículas resultantes de una combustión incompleta o descomposición térmica de hidrocarburos en condiciones bajo control. Sus partículas primarias suelen ser de tamaño inferior a 100 nm, aunque tienden a agruparse formando aglomerados de mayor tamaño. Presenta características similares al resto de nanomateriales con base de carbono, con elevada conductividad y resistencia mecánica.

Nanopolímeros:
Materiales poliméricos que pueden tener de una a tres dimensiones en escala nano. Se caracterizan por ser conductores de alta superficie específica y presentar propiedades catalíticas que aumentan la velocidad de una reacción química. Los dendrímeros son macromoléculas poliméricas de tamaño nanométrico, con estructura ramificada tridimensional alrededor de un núcleo.

Puntos cuánticos:
Nanocristales de materiales semiconductores de tamaño comprendido entre 2 y 10 nm. Son semiconductores con propiedades electrónicas, catalíticas, magnéticas y ópticas.

Nanoarcillas:
Nanomateriales cerámicos de silicatos minerales. Pueden encontrarse creados por la naturaleza o sintetizados para controlar sus propiedades. En ambos casos, se presentan en forma de láminas, tienen una alta resistencia mecánica y bloquean el paso de humedad y oxígeno.

Feynman es conocido por el desarrollo teórico de esquemas de representación pictórica del comportamiento de las partículas subatómicas, conocidos como diagramas de Feynman. Además, se le considera uno de los padres de la computación cuántica, un tipo de computación distinto al de la informática clásica que usa el 1 o el 0, puesto que utiliza combinaciones de ambos llamadas cúbits. También desarrolló una intensa labor docente hasta los últimos días de su vida. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1965 por sus contribuciones al campo de la electrodinámica cuántica, junto los científicos Shin-Ichio Tomonaga y Julian Schwinger, que habían investigado en el mismo campo. Además, colaboró con el físico Murray Gell-Mann en la teoría de la interacción nuclear, por la que ganaría el mismo premio en 1969. Gell-Mann fue quien acuñó el término quark para designar a las partículas elementales de la física de partículas.

Unos años antes, intuyó el concepto de la nanotecnología, previamente a que fuera posible su desarrollo científico. En 1959, fue el ponente invitado en una reunión anual de la Sociedad Americana de Física en el campus tecnológico de la Universidad de California. Titulada There’s plenty of room at the bottom, la charla planteó por primera vez la superación de los límites de la miniaturización de objetos y el estudio de los elementos más pequeños que formaban la materia, hablando de las posibilidades que ofrecía la investigación del mundo microscópico y nanoscópico. De manera casi profética, planteó conceptos claves para el campo de la nanociencia y la nanotecnología. La humanidad tardó dos décadas en validar de manera práctica su teoría siguiendo técnicas similares a las propuestas por el discurso de Feynman.

En el ámbito internacional, están surgiendo agencias como el Observatorio de la Unión Europea sobre Nanomateriales (EUON) y se están creando normativas y protocolos desde las entidades nacionales de Estados Unidos, Japón o Canadá. Los avances en el campo de los nanomateriales tienen aplicaciones en áreas de consumo como la óptica. Actualmente, se están desarrollando películas transparentes nanométricas para lentes, ventanas y pantallas, dotándolas de nuevas propiedades repelentes del agua, la suciedad, los reflejos, el empañamiento o de mayor resistencia a los roces y los golpes.

Los aditivos a nanoescala y otros tratamientos de tejidos ayudan a crear textiles que no se arrugan, no se manchan y que evitan el crecimiento bacteriano. En un futuro próximo, la ropa podrá incorporar sensores e incluso se especula con la existencia de sensores intradermales. Estos nanoimplantes servirán para controlar parámetros vitales y exportarlos para la generación de diagnóstico médico.

En el mundo de la medicina, a día de hoy se están haciendo pruebas clínicas con nanopartículas de oro para el tratamiento de enfermedades. Estos nanomateriales pueden ser utilizados para el transporte intravenoso de medicamentos hacia células enfermas localizadas, minimizando intervenciones y daños en células sanas. La nanotecnología química está desarrollando nanomateriales en el campo de la medicina regenerativa, buscando minimizar el rechazo de las prótesis y con la idea de lograr regenerar conexiones de células cerebrales en un futuro, para tratar lesiones medulares y enfermedades neurodegenerativas.

En el mundo del deporte, los nanomateriales poliméricos y las nanoestructuras de carbono se utilizan en protecciones, raquetas o bicicletas. Todos estos materiales gozan de mayor ligereza, rigidez, resistencia y durabilidad gracias a la nanotecnología. El balón Jabulani, por ejemplo, diseñado por la marca Adidas para el Mundial de Fútbol de Sudáfrica de 2010, estaba fabricado con nanomateriales poliméricos que mejoraban su aerodinámica.

Asimismo, los nanomateriales se utilizan en la industria de automoción y se aplican también a multitud de usos como los interiores de los vehículos o los sistemas de transporte de viajeros -incluso en las maletas-. La ingeniería se está beneficiando en el aligeramiento de piezas de vehículos terrestres, aviones y barcos con nanoestructuras de carbono y otras nanofibras. Los beneficios en aerodinámica se traducirán en ahorros energéticos, menor desgaste de las piezas y una mayor durabilidad de los motores y piezas por la utilización de lubricantes con aditivos a nanoescala.

La construcción utiliza nanoestructuras de carbono como aditivo en cementos y hormigones para aumentar su resistencia. Las nanoestructuras de recubrimientos cerámicos también poseen la misma cualidad. En el campo de la producción energética, la nanotecnología se está utilizando para desarrollar energías alternativas y sostenibles. Se está planteando la utilización de nanopartículas para la generación de energía a partir de las llamadas pilas de combustible -las llamadas baterías del futuro-, que producen electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de un agente oxidante como el oxígeno.

La alimentación experimentará en los próximos años una revolución por la aplicación de nanomateriales para la creación de nuevos envases que permitan una conservación óptima. En este sentido, ya se están incorporando sensores visuales que permiten comprobar las propiedades de los alimentos y su idoneidad de consumo, así como se están utilizando nanopartículas de plata en los envases de productos frescos para alargar la vida de los alimentos.

Finalmente, hay que destacar que la disciplina que más ha avanzado en el campo de las nanopartículas es, sin duda, la química. Los nanomateriales son utilizados como catalizadores de numerosas reacciones químicas para la elaboración de compuestos, disminuyendo la contaminación y el gasto energético de estos procesos y minimizando los tiempos de reacción.

Una de las principales preocupaciones en el mundo de los materiales es la sostenibilidad medioambiental. Los nanomateriales no son una excepción por lo que, en los últimos años, se ha desarrollado un debate en torno al desconocimiento de su impacto medioambiental, hasta ahora no resuelto en sus planteamientos teóricos. Aún no se conoce su potencial real de dispersión y exposición, ni si su reactividad química puede provocar alteraciones en su entorno o las posibilidades de su recuperación y tratamiento al final de su vida útil.

El campo de la investigación nanoquímica está en proceso de búsqueda de una definición y clasificación definitivas para su completa regulación. Sin ella, existirán dificultades legales, comerciales y ambientales. Una de las líneas de investigación de la nanotecnología medioambiental está combinando el cuidado del ecosistema con la reutilización de materiales de desecho para convertirlos en nuevos nanomateriales.

El carbono, el elemento del que más nanopropiedades se conocen, es el objetivo de la elaboración de una normativa de viabilidad y recuperación tras su utilización. El tratamiento del agua, al considerarse un recurso escaso, está siendo objeto de experimentación nanotecnológica. Se están aplicando nanodetectores en la detección de contaminantes hídricos, experimentando sistemas con una alta capacidad para absorber aceites o para ser repelentes al petróleo. Esto se debe a que los sistemas de filtración son mucho más eficientes a nivel nano que en la escala macro habitual. Se espera que, de cara al futuro, los nanofiltros puedan eliminar sedimentos, residuos químicos, partículas cargadas, bacterias y virus.

Existen también líneas de investigación en ingeniería medioambiental para la reducción de gases de efecto invernadero como el metileno (CH2) o el óxido nitroso (N2O), presentes en la atmósfera. Uno de los peligros es la toxicidad de los materiales para los seres vivos. En 2005, la Asociación Americana de Química presentó un informe que demostró que las nanopartículas de carbono se disuelven en agua y hacía hincapié en que aun en concentraciones muy pequeñas estas partículas son tóxicas para las bacterias, que pueden entrar en la cadena trófica y llegar al ser humano.

Las perspectivas que generan los nanomateriales son prácticamente desconocidas. Las propiedades fisicoquímicas que poseen están por descubrir, lo que redunda en las posibilidades que pueden aplicarse al cuidado del medioambiente. Diversos estudios han demostrado que la nanotecnología puede ser útil para hacer un seguimiento de la contaminación y prevenirla, además de para eliminar contaminantes que ya están en el medio ambiente.

En los últimos años, España es uno de los países que se encuentran en la vanguardia de la investigación nanométrica. En 2019, nuestro país ocupó el décimo puesto en cuanto a publicaciones indexadas sobre nanomateriales en Web of Science, con 4.829 en total, lo que representa el 2,56% de la producción científica a nivel mundial.

La nanociencia y la nanotecnología se han incentivado desde los sectores públicos y privados por su enorme potencial. En solo ocho años, de 1997 a 2005, la inversión global en I+D en nanotecnología aumentó de 432 millones de dólares a 4.200 -1.050 de los cuales corresponden a la inversión en Europa-. La Unión Europea ha fomentado la asignación de recursos de áreas relacionadas con las ciencias de la información, el transporte, la energía y la salud para la creación de un área específica de nanotecnología, a sabiendas de que sus avances redundarán en el resto de las disciplinas. En solo una década, se han creado en el territorio europeo cerca de 200 redes nacionales y regionales relacionadas con la nanociencia.