TÉCNICAS AVANZADAS EN QUÍMICA
Aplicadas a Nanopartículas
Máster en Química Sostenible
NANOPARTÍCULAS EN QUÍMICA SOSTENIBLE
Las nanopartículas (NPs) tienen un tamaño a escala nanométrica en al menos una de sus dimensiones y su origen puede ser sintético o natural. Además, pueden ser diseñadas específicamente para elaborar productos de consumo y ser utilizadas en nuevas tecnologías como en el sector energético, en la medicina, en la industria del textil y construcción entre otras muchas.
Las nanopartículas están ganando un gran protagonismo en campos como la biología o farmacología ya que se pueden desarrollar fármacos con administración dirigida. También se pueden aplicar en campos como cosméticos y en nuevos dispositivos electrónicos de almacenamiento.
TOXICIDAD
Las propiedades físico-químicas y eléctricas de las nanopartículas son diferentes de sus correspondientes materiales a granel y eso es debido a tu tamaño. Estas nuevas propiedades pueden causar problemas de toxicidad desconocidos hasta ahora, ya que algunas de las nanopartículas que se están desarrollando tienen el mismo tamaño que otras moléculas biológicas, y pueden atravesar membranas biológicas, llegar a la sangre o incluso acumularse en los órganos.
Para regular el uso de las NP es necesario conocer los niveles de toxicidad, y es por eso por lo que se están desarrollando métodos tanto experimentales como computacionales para determinarlos.
Nanospain, la Red Española de Nanotecnología, asignó esta tarea a 5 grupos de investigación y se especializaron en la técnica de modelado computacional cuantitativo de la relación nanoestructura-toxicidad (“Quantitative Nanostructure-Toxicity Relationships”, QNTR). Se trata de modelos computacionales, alternativos a las pruebas experimentales que tienen como objetivo la predicción de los efectos eco-tóxicos mediante el estudio de las propiedades físico-químicas y geométricas de las nanopartículas.
APLICACIONES DE NANOPARTICULAS EN QUIMICA SOSTENIBLE
1- Desarrollan nanopartículas magnéticas a partir de residuos del aceite de oliva para tratar agua contaminada.
Universidad de Alicante
Se han desarrollado unas nanopartículas de hierro metálico (<0.05micras) que son capaces de eliminar del agua elementos como níquel, cromo o zinc. Estos elementos son procedentes de las actividades industriales.
Esta investigación se desarrolló en el Grupo de Investigación Residuos, Energía Medioambiente y Nanotecnología (REMAN) y forma parte de la tesis doctoral de la investigadora Blanca Calderón.
Las nanopartículas se prepararán a partir del residuo de la producción de aceite de oliva mediante un posesos económico que se basa en la carbonización hidrotérmica (HTC).
“De esta manera, se consigue cumplir principios de sostenibilidad ya que es posible obtener un nanomaterial valioso a partir del aprovechamiento de un residuo difícil de tratar por su fitotoxicidad, es decir, por el efecto contaminante que produce el alpechín”, señalan los investigadores de la UA y directores de la tesis, Andrés Fullana e Ignacio Aracil.
El desarrollo de este tipo de nanopartículas aportaría un gran avance en países donde el acceso al agua potable es muy complicado y donde no se puede construir una panta de tratamiento de aguas debido a su gran coste económico.
“En definitiva, se ha diseñado un método muy económico y sostenible de producción de nanopartículas magnéticas a partir de un desecho agrícola”, señalan desde el grupo REMAN.
2- Nanopartículas para el manejo de enfermedades de las plantas.
Se pueden desarrollar nanopartículas diseñadas para funciones tipo bactericidas, fungicidas e incluso como fertilizantes para mejorar la salud de las plantas.
La mayoría de las nanopartículas diseñadas para mejorar la salud de las plantas se han basado en Ag, Cu y Zn ya que se conoce su actividad antimicrobiana y su capacidad para alterar las defensas del huésped.
Este tipo de nanopartículas pueden utilizarse tanto en invernadero con en el campo, y además con el uso de nanopartículas se evita la entrada masiva y descontrolada de metales en el medioambiente que ocurría con fertilizantes y fungicidas tradicionales.
Sin embargo, lo que se esta investigando en este momento es si se deben desarrollar nanopartículas especificas para cada planta y cada enfermedad que estas puedan sufrir, y aquí es donde los químicos se plantean un gran reto, que sin duda si es resuelto será un gran avance para la agricultura de este tiempo.
3- Nanopartículas para fabricar paneles solares más eficientes que aprovechen la luz infrarroja
Precisamente en el campo de la energía, el estudio de dispositivos fotovoltaicos basados en nanoestructuras semiconductoras ha cobrado especial relevancia en los últimos años, a partir de cálculos teóricos que predicen para esta clase de dispositivos, por ejemplo, celdas solares de banda intermedia basadas en puntos cuánticos (QDSCs: Quantum Dots Solar Cells), eficiencias superiores al 60%, aproximadamente el doble de las eficiencias disponibles en el mercado actual para silicio.
La creciente demanda de energía hace necesario desarrollar maneras más eficientes de conseguir energías renovables. De entre las tecnologías disponibles hoy en día, la energía fotovoltaica se reivindica como una de las más limpias. Sin embargo, para que sea totalmente viable, es necesaria una evolución en las placas fotovoltaicas para lograr una mayor eficiencia.
Varias son las vías para lograr una reducción de los costos de la energía fotovoltaica. Una de las más promisorias es el incremento de la eficiencia de conversión de la energía solar en eléctrica mediante el uso de la nanotecnología. Celdas fotovoltaicas que permiten una mayor absorción de fotones del espectro solar funcionan en base a pozos cuánticos, superredes y puntos cuánticos. Estos noveles dispositivos se encuentran en pleno desarrollo, tanto desde el punto de vista tecnológico como científico.
El límite de Shockley-Queisser (designa a la máxima eficiencia teórica de una célula fotovoltaica basada en una unión p-n.), que establece que la eficiencia máxima de una célula fotovoltaica de una sola capa sea del 33,7%, supone que solo se puede generar un par de orificios de electrones (excitón) por fotón entrante. Los principales avances en este campo están llegando a través de dispositivos realizados mediante Puntos Cuánticos o Quantum Dots (QDs). Se trata de nanoestructuras semiconductoras que poseen un espectro discreto de energía cuantizada, lo que unido la característica que reemiten la luz incidente con una longitud de onda fija, hace muy interesante su aplicación en campos como la medicina, la computación cuántica o la fotovoltaica.
Se trata, generalmente de una nanoestructura semiconductora con unas características eléctricas que vienen determinadas por su tamaño . De esta manera, cuanto más pequeño es cada punto cuántico, más energía se necesita para excitarlo, asimismo, cuando el cristal vuelve a su estado de reposo más energía es liberada. Un Quantum Dot confina el movimiento, en las tres direcciones espaciales, de los electrones de la banda de conducción, los huecos de la banda de valencia, o excitones (pares de enlaces de electrones de conducción de banda y huecos de banda de valencia) . Tienen un espectro discreto de energía cuantizada y contienen un número finito de cargas eléctricas elementales (electrones, huecos o excitones). Una de sus propiedades más interesantes es que al recibir luz, reemiten esta luz en una longitud de onda específica que depende del tamaño del Quantum Dot . Cuanto menor es su tamaño, menor es la longitud de onda de emisión.
Tipos de celdas basadas en QDs:
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Recubrimiento de Nitruro de aluminio para modificar la superficie de TiO2 sobre CdSeTe.
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Celdas solares con QDs de Pbs intercambiados con ligandos de 1,2-etanodiol (EDT).
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Celdas solares con QDs de sulfuro de cobalto y cadmio en TIO2
4- Uso de nanopartículas de Fe2O3 en sistemas LID de construcción sostenible
Las nanopartículas tambien se pueden utilizar en el campo de la construcción sostenible, y permite ahorrar energía, costes, uso de fuentes no renovables y reducir la toxicidad y la cantidad de residuos. . En lo referente a la protección del medio hídrico, esta tecnología puede proporcionar materiales útiles para el control de la contaminación del agua de escorrentía urbana mediante los sistemas LID (por las siglas de Low-impact development)
Se han desarrollado unas nanopartículas de Fe2O3 para oxidar contaminantes presentes en escorrentías urbanas. Estas se han probado en una simulación de agua con iones amonio, óxidos de nitrógeno y fenoles. , los resultados desvelan que pasado un determinado tiempo y habiéndose expuesto al sol los iones amonio y los fenoles se oxidaron. De esta manera estas nanopartículas se podrían utilizar en pavimentos permeables para eliminar o disminuir la contaminación de aguas.
5- Uso de nanopartículas metálicas para síntesis de compuestos orgánicos
Las nanopartículas se pueden utilizar para síntesis orgánica bien térmicamente o utilizando luzpara promover la reacción. Puedes leer el artículo completo escrito por González-Béjar en Anales de Química (2018, 114(1);página 31) para más información.
