Nanotecnología EN Medio Ambiente PDF

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Un pequeño resumen sobre la nanotecnología y el medio ambiente ...

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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ciencia Departamento de Física

NANOTECNOLOGÍA EN MEDIO AMBIENTE Matías Fuenzalida Cáceres [email protected]

INTRODUCCIÓN La nanotecnología es una “ciencia” prácticamente nueva, lo que la ata a muchas incertidumbres y no es ajena a futuros problemas. Esta ciencia que se desarrolla a nanoescala viene del griego nânos que significa enano, pero en la actualidad se ha tomado para significar o intentar controlar un mundo muy pequeño que va desde los 10^-7 a los 10^-10 metros, un mundo medido en nanómetros (nm). En este mundo como se expresa anteriormente, se manipulan los materiales a nanoescala lo que trae como consecuencia los nanomateriales (NM), y a su vez, los nanoproductos (NP). Sin embargo, esto no quiere decir que las nanopartículas no hayan existido previamente a la invención de esta tecnología, sino que por el contrario, siempre han existido en el medio ambiente por lo que podemos expresar que las NP tienen un origen natural y otro antropogénico o artificial. Generalmente a las nanopartículas presentes en la tierra se les denomina coloides y las que se encuentran en el aire partículas ultra finas. Pero ¿Por qué hacer las cosas más pequeñas? o ¿Por qué intentar manipular los materiales o elementos a esta escala tan diminuta?, la respuesta es sencilla, porque cada vez que avanzan las generaciones queremos productos más rápidos, más económicos, más eficientes, es decir productos cada vez mejores en todo sentido, además, es considerada por algunas personas como una solución para salvar empleos, el planeta, etcétera. Por otro lado, a medida que se reduce el tamaño de los materiales aparecen nuevos fenómenos físicos que son importantes para la ciencia y tecnología. Esta nueva rama de la ciencia tiene un amplio campo de aplicaciones en distintos ámbitos, como en la medicina, ingeniería, biología, química, entre otros, que traen consigo un gran número de nuevos desafíos y con ello nuevos investigadores. En el presente reporte se busca exponer cómo se encuentra presente la nanotecnología en el medio ambiente y su impacto en el.

METODOLOGÍA Este trabajo está basado en diversos estudios que hablan acerca de la nanociencia, nanotecnología y cómo influye esta en el medio ambiente y ecosistemas, para ello se realizó una búsqueda bibliográfica en diversas revistas científicas, tales como ACS publications, web of science, entre otras. Objetivo: Exponer cómo se encuentra presente la nanotecnología y la nanociencia en el mundo actual, y a su vez poner en evidencia los posibles efectos tanto positivos como negativos en el medio ambiente. Para lograr una mejor comprensión del trabajo es necesario contextualizar el tema y tener en cuenta los siguientes conceptos claves ¿Qué es la nanociencia y la nanotecnología? Para comenzar diferenciaremos la Nanociencia de la Nanotecnología. En primer lugar nos referiremos a la “Nanociencia como el estudio de los fenómenos y la manipulación de materiales a escala nanométrica” (Royal Society, 2004) y en segundo lugar a la Nanotecnología como “el diseño, caracterización y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas complejos mediante el control de la forma, el tamaño y las propiedades de la materia a escala nanométrica” (Royal Society, 2004). Cuando hablamos de escala nanométrica nos referiremos a “medidas” o unidades de longitud muy pequeñas, las cuales van entre los 10^-7 y 10^-10 metros, es decir, mucho más pequeño que el diámetro de un cabello (el diámetro de un cabello está dentro del orden de 10^-4 y 10^-5 metros). Esta rama de la ciencia vanguardista al manipular la materia (átomos y moléculas) produce nanoproductos (NP) y nanomateriales (NM) que pueden llegar a tener propiedades físicas y químicas novedosas al compararlas con otras de mayor tamaño, por ejemplo, imaginemos un típico cubo o terrón de azúcar que vamos dividiendo cada vez en partes más pequeñas, de este modo aumentamos la superficie de contacto de dicha sustancia sin modificar su volumen inicial, esto tiene como consecuencia una mayor reactividad, en otras palabras, el azúcar cambia sus propiedades físicas y/o químicas. Además, es importante mencionar que en la naturaleza podemos encontrar partículas, moléculas, etcétera, que se encuentran en esta escala (nanométrica), como algunas proteínas, las cadenas de ADN, coloides, partículas ultrafinas, entre otras.

Resultados Actualmente existe un debate gigantesco sobre la nanociencia y nanotecnología, en cuanto a sus consecuencias tanto positivas como negativas. Algunas personas consideran que esta tecnología prácticamente nueva es considerada como “ una panacea para salvar vidas, empleos e incluso al planeta” (Innovación educativa, 2007), otras creen que tendrá serias repercusiones sobre la salud y el medio ambiente. Tanto la Organización de las Naciones Unidas (ONU), la Royal Society Británica, la Unión Europea (UE) y las asociaciones ecologistas coinciden en admitir que el conocimiento sobre sus efectos es bastante escaso. “Los desarrollos nanotecnológicos son un arma de doble filo” (Innovación educativa, 2007), ya que es tan limitada la información acerca del destino de las NP que nadie sabe hasta donde se extienden y/o se acumulan, dejando la inquietud que puedan depositarse en organismos vivos y puedan alterar o dañar los ecosistemas y la biodiversidad. Las nanopartículas al ser tan pequeñas pueden introducirse fácilmente en el cuerpo humano, ya que pueden atravesar fácilmente la barrera de la piel, ingresar al organismo y modificar algunas proteínas e inclusive atravesar la barrera hematoencefálica afectar el cerebro y al sistema inmunológico, sin embargo, la nanotecnología podría desempeñar un papel importante en el mejoramiento de tratamientos médicos y cumplir un rol importante en la protección del medio ambiente. Las aplicaciones en este último ámbito “incluyen el uso de nanopartículas para atrapar contaminantes del agua o para mejorar las emisiones de gases, tal y como lo demuestra un proyecto de investigación Nanogas, respaldado por la UE” (Innovación educativa, 2007). Principales nanopartículas “Cuatro son las principales clases en las que en general son clasificados los nanomateriales” (Epa 2004), entre ellos están los materiales de base de carbono (Fullerenos), estos cuando poseen una forma esférica son denominados, generalmente, buckyballs, y cuando poseen una estructura cilíndrica hueca se les denomina nanotubos. Debido a sus propiedades únicas tales como la resistencia a elevadas temperaturas, elasticidad, conductividad térmica y eléctrica se utilizan en un gran número de fábricas e industrias, es más, centenares de productos que circulan por el mercado pueden contener estas pequeñas partículas sin etiquetas ni advertencias. También se encuentran materiales de base metálica como los quantum dots, (que son transistores de un solo electrón), nanopartículas de plata, oro o metales reactivos como el dióxido de titanio. Dendrímeros que son polímeros de escala nanométrica construidos a modo de árbol, y por último encontramos a los composites, en donde estos combinan NP con otras u otros materiales de mayor tamaño (arcilla nanoestructurada).

Consideraciones ambientales Tanto la Royal Society como la Royal Academy of Engineering Británicas estan de acuerdo con que las nanopartículas, en especial los nanotubos deben ser considerados como químicos nuevos y deben ser objeto de observación y cautela. En la reunión de la Asociación Americana de Química, del año 2005, se presentó un informe que muestra que las nanopartículas de carbono se disuelven en agua, contradiciendo el conocimiento científico existente, y que aun en concentraciones muy pequeñas son tóxicas para las bacterias del suelo, lo cual levantó un alerta sobre la interacción con los ecosistemas naturales. Desde 2003, un estudio publicado en la revista científica Nature mostraba que las nanopartículas pueden ser absorbidas por las lombrices y otros organismos del suelo. (Innovación educativa, 2007, p.76) En este sentido podemos afirmar que la presencia de nanopartículas en el medio ambiente pueden transmitirse en las cadenas tróficas y llegar a la mayoría de los ecosistemas, es más, actualmente ya existen grandes fuentes de contaminación de productos a nanoescala, como las empresas productoras de transgénicos o laboratorios (Monsanto, Bayer, entre otros), en el caso de la empresa Monsanto se investiga y producen compuestos químicos que se encuentran en el mercado (plaguicidas) y son utilizados en campos y/o cultivos. El impacto que puedan tener las nanopartículas sobre el medio ambiente a largo plazo aún son una interrogante, y a corto plazo son muy escasos, en especial en el ecosistema marino, en donde, son casi inexistentes. Se ha demostrado que las propiedades de las nanopartículas son bien especiales, como una superficie altamente reactiva y la habilidad de atravesar membranas debido a su tamaño muy pequeño, lo que podría significar un peligro bastante importante. Las nanopartículas al tener una superficie proporcionalmente muy grande, estas pueden llegar a tener una gran afinidad con los metales y productos químicos como los hidrocarburos, por lo que se cree que estos contaminantes aumentan la toxicidad de algunas NP. También se señala que existen “nanopartículas con características coloidales, según un informe de la aseguradora Swiss Re, podrían ser ideales para la transportación a larga distancia (dígase acuíferos) de material tóxico como contaminantes hidrofóbicos y metales pesados” (Delgado, 2006). El autor Delgado (2006) indica en un artículo de revista de ciencias ambientales Tropical Journal of Environmental Science que:

“las implicaciones ambientales en relación con tal toxicidad y con la biodegradabilidad de las nanopartículas y los efectos de éstas en la salud de las diversidad de especies (incluyendo la humana), en el corto y en el mediano plazo, son de consideración puesto que se estima que podrían interferir en las funciones vitales. (p.35)” Acerca de la Nanotoxicología Debido al desarrollo de estas nuevas tecnologías aparece una nueva rama para estudiar

los

efectos

de

toxicidad

de

las

partículas

ultrafinas

denominada

Nanotoxicología. Como se mencionó anteriormente, el medio ambiente está expuesto a estas nanopartículas artificiales, sin embargo, siempre han existido de manera natural y el ser humano no es ajeno a ello, pero dicha exposición ha ido aumentando a medida que avanzan las generaciones debido a las fuentes antropogénicas. Por lo que es urgente el desarrollo de este campo, ya que necesitamos información sobre la seguridad y peligros que conllevan las nanopartículas “los resultados de estudios biocinéticos más antiguos de NPs y los estudios epidemiológicos y toxicológicos más nuevos con partículas ultra finas pueden considerarse la base para el campo en expansión” (Oberdöster G., Oberdöster E., Oberdöster J., 2005) En base a todo lo dicho anteriormente, a continuación se presenta una serie de imágenes que creemos importante señalar.

[Imagen I; financiamiento] Fuente: http://www.administracion.usmp.edu.pe/institutoconsumo/wp-content/uploads/2013/08/La-Nanotenolog%C3%ADa-Guillermo-Foladori.pdf

[Imagen II; Origen de las nanopartículas] Fuente: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1257642/table/t1-ehp0113-000823/?report=objectonly

[Imagen III; relación de moléculas de superficie y tamaño de partículas ] Fuente: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/core/lw/2.0/html/tileshop_pmc/tileshop_pmc_inline.html?title=Click%20on%20image%20to%20zoom&p=PMC3&id=1257642_ehp0113-000823f1.jpg

[Imagen IV; Fuente: http://www.administracion.usmp.edu.pe/institutoconsumo/wp-content/uploads/2013/08/La-Nanotenolog%C3%ADa-Guillermo-Foladori.pdf

Imagen V Fuente: http://www.administracion.usmp.edu.pe/institutoconsumo/wp-content/uploads/2013/08/La-Nanotenolog%C3%ADa-Guillermo-Foladori.pdf

Análisis En la imagen I podemos apreciar una cantidad considerable de fondos que se ha invertido en programas de estudios e investigaciones para este nuevo campo científico a nanoescala, para que se logre dimensionar la magnitud de esta inversión si lo trasladamos al contexto latinoamericano, esta suma de dinero supera la deuda internacional latinoamericana considerablemente. Con esto deseamos destacar la importancia que ha generado en las grandes naciones e independientes este nuevo pequeño mundo recién en progreso. En la segunda imagen podemos observar una tabla con los distintos orígenes de las nanopartículas, naturales, involuntarias e intencionales, en donde “las moléculas de origen biológico que se encuentran dentro de los organismos desde el comienzo de la vida pueden servir como modelos de materiales nanométricos. Por ejemplo, la magnetita biogénica.” (Oberdöster G., Oberdöster E., Oberdöster J., 2005). Por otro lado, las partículas artificiales de generación involuntaria o voluntaria son de naturaleza polidispersa y complejas (químicamente hablando), generalmente, compuesto de carbono elemental, soluble y volátil. En la imagen III nos expresa la relación entre la superficie y el total de átomos o moléculas aumenta exponencialmente a medida que disminuye el tamaño de las partículas. “Con lo anterior podemos destacar que la importancia del área de la superficie se hace evidente cuando se considera que los átomos o moléculas de la superficie juegan un papel dominante en la determinación de las propiedades” (Oberdöster G., Oberdöster E., Oberdöster J., 2005). lo anterior quiere decir que, los átomos o moléculas aumentan su reactividad comparadas con partículas más grandes (siempre y cuando sean solubles). Esto puede tener un efecto positivo y deseable (administración de fármacos) o un efecto negativo y no deseable (Toxicidad), o bien, una mezcla de ambos. La imagen cuatro quiere expresar las “vías de exposición, absorción, distribución y degradación de las Nanopartículas en el medio ambiente. Las letras magenta indican las posibles rutas de degradación y las azules indican posibles sumideros y fuentes de NPs.” (Oberdöster G., Oberdöster E., Oberdöster J., 2005). Aquí se puede señalar que una de las principales fuentes de NP es la naturaleza y sobre todo el ser humano, el suelo, el agua marítima, las corrientes de agua subterráneas y el aire son los principales sumideros de estas sustancias, lo que podría provocar que la flora y fauna presente en estos ambientes pueden consumir estas sustancias y posteriormente llegar a los seres humanos. Algunas posibles fuentes de degradación son la degradación UV, la ingesta de algunos animales y la degradación química. “Para hacer que los nanomateriales sean más biocompatibles se han incorporado tanto revestimientos superficiales como modificaciones covalentes de la superficie.” (Oberdöster G., Oberdöster E., Oberdöster J., 2005)

En la imagen V se aprecian los receptores de los productos a nanoescala, sus causas y posibles consecuencias, creemos importante señalar que esta ciencia vanguardista tiene repercusiones en todos los ámbitos que nos imaginemos, desde medicina, cultivos hasta aplicaciones en posibles guerras biológicas. Conclusiones La introducción de las nanopartículas a nuestras vidas ha sido de gran utilidad para distintos campos en desarrollo, abriendo enormes posibilidades para aplicaciones en la tecnología, medicina, ingeniería, productos de consumo, electrónica, óptica, agua, suelo, entre muchas otras, de modo que nos podrían ayudar a resolver diversos problemas. Una de los aspectos “negativos” de esta nueva rama de la ciencia es la dependencia de varios factores políticos y sociales, ya que el desarrollo de esta debe ser financiado y aceptado por el gobierno y por la población, de modo se condiciona aún más el avance de la nanotecnología y nanociencia, centrándose, generalmente, en aquellos países que presentan un mayor ingreso y desarrollo, es decir, países desarrollados, no obstante, el surgimiento de estos avances siempre va acompañado de promesas de bienestar social, como la reducción de la pobreza, contaminación, el mejoramiento de la calidad de vida, etc. Hoy en día existe un gran número de empresas e instituciones que fabrican y utilizan nanopartículas en sus productos sin saber las repercusiones que pueden tener en los ecosistemas a corto, mediano y largo plazo, lo que lo puede transformar en un posible futuro problema. Cabe mencionar que los efectos negativos de las nanopartículas aún no son claros en muchos campos de aplicación de esta tecnología, en especial en los ecosistemas marinos, situación que puede traer grandes consecuencias, al ser el mar uno de los principales sumideros de estas sustancias consideradas como químicas por la Royal Society. Las considerables aplicaciones actuales y potenciales de las nanopartículas carecen en muchos sentidos de datos referentes a los problemas de exposición o límites de ciclo de vida e impacto en el medio ambiente, haciendo necesario y exigiendo estudios de efectos ambientales que se puedan ocasionar. En este sentido es indispensable el avance y creación de normas para la regulación de la producción de nanopartículas y para los trabajadores que se exponen a ellas, ya que, pese a que el ser humano siempre ha estado expuesto a nanopartículas (naturales), nunca se han visto expuestos a las NP antropogénicas. Del mismo modo se debe considerar que cada tipo de nanopartícula debe ser estudiada en cuanto a riesgos, resaltando que los hallazgos que se logren obtener no deben generalizarse a cualquier tipo de NP debido a sus propiedades intrínsecas, la toxicidad puede ser diferente.

Uno de los problemas principales para establecer normas referentes a nanomateriales es que aún no existe una definición universal para nanomaterial, lo que

incluye a las

nanopartículas (Reyes R., Galván L., Medina M., 2015). Por lo tanto es necesario mejorar los datos sobre los peligros y la comprensión sobre las NP, también se requiere mejorar la información actual de los índices de liberación de NP de los productos de consumo y de los procesos industriales. A raíz de lo mencionado anteriormente se plantea la siguiente interrogante ¿Cómo proteger a la sociedad de los riesgos de esta nueva tecnología? Una de las respuestas puede contemplarse en el levantamiento de información, educar al público y elaborar leyes. Finalmente quiero expresar algunas preguntas para una posible continuación de este reporte, ¿Cómo cambian las nanopartículas una vez llevan tiempo presentes en el ambiente? ¿Quiénes serán los responsables si algo pasa? Las industrias o particulares que fabrican nanoproductos o los utilizan ¿están preparados para ello? ¿Cómo es posible proteger efectivamente a los trabajadores de estos sectores a la exposición de nanopartículas? Referencias de

(2007). Nanotecnología y medio ambiente. Innovación Educativa, 7(36),73-77.[fecha Consulta

18

de

Noviembre

de

2020].

ISSN:

1665-2673.

Disponible

en:

https://www.redalyc.org/articulo.oa?id=1794/179420814007 -

Nanoscience and Nanotechnologies: opportunities and uncertainties, 2004, Reporte

preparado por la Royal Society, the UK National Academy of Science and the Royal Academy of Engineering, [Fecha de consulta 18 de Noviembre de 2020] Disponible en: https://royalsociety.org/-/media/Royal_Society_Content/policy/publications/2004/9693.pdf -

Epa (Environmental Protection Agency), 2005. Nanotechnology White Paper. EPA’s

Science Policy Council. EU. [Fecha de consulta 19 de noviembre de 2020] Disponible en: https://archive.epa.gov/osa/pdfs/web/pdf/epa-nanotechnology-whitepaper-0207.pdf -

Oberdörster, G., Oberdörster, E. y Oberdörster, J. (2005). Nanotoxicología: una

disciplina emergente que evoluciona a partir de estudios de partículas ultrafinas. Perspectivas de salud ambiental , 113 (7), 823–839. https://doi.org/10.1289/ehp.7339 -

Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación y

Organización Mundial de la Salud, ...