En su ensayo Our energy challenge, del 2003, el premio nobel R. E. Smalley menciona los diez principales problemas que deben ser asumidos por la ciencia y los gobiernos para los siguientes cincuenta años[19]. Estos problemas son: energía, agua, alimentación, ambiente, pobreza, terrorismo y guerra, enfermedad, educación, democracia y población. No hay duda de que en esta lista se encuentran los principales retos que deben asumir la nanociencia y la nanotecnología para los próximos años. La crisis de agua potable y de energía, la creciente contaminación del medio ambiente, la salud pública y la inocuidad alimentaria son los principales desafíos sobre los que se construye la hoja de ruta para conducir a la sociedad a unas mejores condiciones de vida y de bienestar[20].
De esto surge entonces la siguiente pregunta: ¿Cuál es la principal tarea para conseguir soluciones a los problemas planteados? Estos problemas pertenecen a la escala macro, pero en la escala nano ocurren procesos y comportamientos de la materia y la energía que pueden contribuir de manera eficaz a su solución. Entonces, ¿cómo lograr el tránsito desde el mundo nano hacia el mundo macro conservando las propiedades que ofrece la nanoescala? Este es, pues, uno de los grandes desafíos: desarrollar procesos para escalar el volumen de producción de nanomateriales manteniendo la calidad suficiente para que sean operativos en la escala macro, pero reduciendo significativamente los costos y el impacto ambiental y en los seres vivos.
1.6 Logros y beneficios de la nanotecnología
Con el incremento de la población mundial, que para mediados del siglo xxi se estima llegará a los 9.000 millones, el consumo de recursos naturales y energéticos es cada vez más exigente. Esto plantea un serio problema de sostenibilidad y supervivencia. Como muestra de ello, una grave crisis de acceso a agua potable y a energía disponible ya se está haciendo realidad[21].
Uno de los objetivos de la agenda de desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas es reducir sustancialmente el número de habitantes con carencia de agua potable. Para alcanzar esta meta, entre otras soluciones, se proyecta la implementación de estrategias innovadoras con el uso de nanomateriales para la remoción de contaminantes tales como arsénico, mercurio, pesticidas, bacterias, virus y sales. Nanopartículas de óxido de titanio, por ejemplo, pueden degradar contaminantes orgánicos; partículas de plata eliminarían eficientemente contaminantes bacterianos; nanofiltros hechos de nanotubos de carbono o membranas nanoestructuradas crearían barreras físicas para impedir el paso de sales disueltas en el agua o eliminar contaminantes bióticos (bacterias y virus). Así mismo, para la remoción de metales pesados, metaloides o sustancias orgánicas derivadas de los hidrocarburos, se puede hacer uso de nanopartículas magnéticas, las cuales pueden ser fácilmente capturadas con campos magnéticos externos.
Se observa, entonces, que con una cuidadosa evaluación del impacto en el medio ambiente y los seres vivos, será posible implementar soluciones económicamente accesibles y sostenibles que contribuyan eficazmente al saneamiento de los recursos hídricos[22].
De modo similar, con la oferta de nuevos materiales y procesos nanoescalares se abre la posibilidad de desarrollar colectores de energía bioinspirados4 y digestores de mayor eficacia que los existentes[23]. Con el uso de bacterias capaces de descomponer materia orgánica presente en aguas residuales, y la consecuente producción de energía, se presentan importantes alternativas para lograr, dentro de un enfoque holístico, asumir el problema de remediación de aguas contaminadas y, a su vez, producir energía útil.
En este sentido, la nanociencia y la nanotecnología jugarán un papel primordial, por el aporte de materiales de soporte para que las colonias bacterianas puedan alcanzar niveles eficientes de producción de energía a partir de los procesos de remediación del recurso hídrico.
Por otra parte, el mercado de nanosensores para la detección, medición y monitoreo de señales y agentes químicos o biológicos crece de manera exponencial. Con la implementación de nuevas tecnologías y métodos de nanofabricación, se hace posible mejorar sustancialmente la precisión y sensibilidad de estos dispositivos. Ya se han diseñado nanosensores que permiten monitorear con una gran sensibilidad procesos biológicos, identificar explosivos, hacer vigilancia ambiental, medir la concentración de contaminantes en aguas, suelos y aire, monitorear niveles de glucosa en pacientes con diabetes y hacer una detección temprana de cáncer. Mejorando, pues, la portabilidad, los costos y la detección selectiva, los nanosensores pronto alcanzarán el nivel de desarrollo suficiente para incorporarlos masivamente en procesos y actividades de investigación y desarrollo[24-25].
En otro aspecto, la industria de la construcción está siendo drásticamente impactada por los acelerados avances en materia de nanotecnología. Ya resulta viable el desarrollo y la implementación de recubrimientos autolimpiables para fachadas y de polímeros como barreras protectoras en carreteras, con capacidad de reparación autónoma de daños y deterioro por uso. En la figura 1.5 se presenta una imagen sem de nanohilos recubiertos con nanopartículas de óxido de sílice funcionalizadas (preparadas para ser utilizables), que permiten la confección de nanomateriales superhidrófobos y con capacidad de aislamiento térmico, los cuales son estratégicos para que puedan ser implementados en la industria de la construcción.
Figura 1.5 Imagen sem de un nanohilo recubierto con nanopartículas de SiO2. Se muestra un nanomaterial con propiedades de autolimpieza y aislamiento térmico
Fuente: Edgar Emir González Jiménez.
Uno de los avances más sobresalientes para la industria de la construcción es el desarrollo de hormigón nanobioestructurado y autorreparable en caso de producirse agrietamiento y deterioro. Este tipo de material ya se encuentra a disposición en el mercado. El hormigón nanoestructurado se caracteriza por ser más resistente y liviano. Sus láminas son aptas para controlar el flujo térmico desde y hacia el interior de las viviendas, lo que permite mejorar sustancialmente el ahorro de energía.
Por su parte, en el área de la salud, se llevan a cabo importantes esfuerzos interdisciplinarios orientados a desarrollar nuevas estrategias y herramientas para asistir las tareas de prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades[26]. Se destaca principalmente el desarrollo de materiales programados con funciones terapéuticas, transporte y suministro de fármacos (ver figura 1.6), localización y destrucción de células enfermas y sensores ultrasensibles. Ya se han aprobado algunas nanoterapias en seres humanos, tal como el sistema integrado MFH(R)300F para el tratamiento termoterapéutico de tumores cancerosos sólidos con el uso de nanopartículas magnéticas.
Figura 1.6 Nanopartículas programadas para realizar transporte y entrega controlada de medicamentos. La fotografía, tomada con un microscopio electrónico de transmisión, muestra nanopartículas de oro porosas, funcionalizadas con polímeros termosensibles que liberan entidades farmacológicas
Fuente: Edgar Emir González Jiménez.
El agro y la industria alimentaria son otros de los sectores beneficiarios de las bondades y expectativas de la nanotecnología. El control eficiente de plagas con bajo impacto ambiental, la entrega localizada de herbicidas, la reutilización de residuos agrícolas, el desarrollo de redes de nanosensores para la detección de patógenos y contaminantes, el monitoreo de condiciones del suelo y el desarrollo de empaques inteligentes son, entre otros, algunos de los logros y posibilidades de la tecnología nanoescalar[27]. Con un uso cuidadoso y responsable con el ambiente y los seres vivos, estas tecnologías emergentes se convierten en un recurso invaluable en la búsqueda de una agricultura de precisión, sostenible y más eficiente.
En conclusión, las expectativas que está generando la transición hacia la nanoescala han llevado a estos logros del conocimiento a convertirse en plataformas tecnológicas con agendas estratégicas propicias para el desarrollo de iniciativas en torno a unos objetivos comunes: la innovación, el desarrollo y la competitividad. Esperamos que, con un uso responsable, estas tecnologías contribuyan a mejorar el bienestar y la calidad de vida de las generaciones presentes y futuras.
Bibliografía