Nanomateriales: nueva generación de materiales para aplicaciones industriales y tecnológicas

Todo es materia. Las plantas, los animales, los humanos, las construcciones, las montañas, el agua y el universo. Las propiedades de la materia, como por ejemplo la resistencia y la deformación de los metales como el hierro, son asociadas a una escala pequeñísima, llamada estructura atómica.

Estas moléculas pueden estar conformadas por dos o más átomos iguales o bien de átomos de elementos diversos. Por ejemplo, el agua está estructurada molecularmente por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno (H2O), en el que cada átomo de hidrógeno está unido al de oxígeno mediante enlaces químicos. Es decir, el agua es una sustancia compuesta por dos elementos y no un elemento puro.

La nanotecnología consiste en el diseño y la manipulación de los materiales a nivel molecular o atómica. Para comprender las dimensiones nanométricas, se puede dividir el ancho de un pelo humano en 60.000 partes iguales y se obtendrá el tamaño de un nanómetro, que es la mil millonésima parte de un metro. Por ejemplo, el coronavirus SARS-CoV-2 mide entre 40 y 150 nanómetros, y en un nanómetro cúbico caben 258 átomos de carbono.

La nanotecnología es una ciencia relativamente nueva, que está viviendo un explosivo avance desde la década de los 90, en aplicaciones tan disímiles como medicina, electrónica, cosmética, medio ambiente, construcción y un sinnúmero de industrias que recurren a ella para mejorar sus productos o procesos dotándolos de propiedades nuevas y diferenciadoras gracias al tamaño alcanzado y a la sinergia entre otros materiales, de ahí que se haya ganado en resistencia, capacidad de almacenamiento de energía, impermeabilidad, durabilidad, biodegradabilidad u otras. Los denominados nanomateriales miden entre uno a 100 nanómetros.

“Hasta este momento no alcanzamos a dimensionar la amplia gama de aplicaciones de la nanotecnología. En medicina se ha avanzado en la cura de enfermedades y se dirige a la prevención; en energía se obtendrá cada vez una mayor capacidad de almacenamiento de energías renovables no convencionales; en el área de medio ambiente, se puede generar iones que puedan atrapar contaminantes; y así suma y sigue. La nanotecnología va a cambiar el mundo que hoy conocemos”, dice Johanna Castaño, ingeniera y doctora en Ciencias e Ingeniería de los materiales, lleva más de una década investigando materiales a nanoescala, y que hoy se desempeña como investigadora y docente en la Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Universidad San Sebastián (USS), sede de Concepción.

“Tenemos en nuestras manos el poder para generar un futuro muy enriquecido por la nanotecnología, que nos ayude a vivir más y mejor; pero en las mismas manos tenemos un uso de la nanotecnología de una forma indiscriminada, sin ética. Tenemos como humanidad ambas opciones”, reflexiona y pasa a relatar las aplicaciones en las que ha estado investigando y desarrollando.

“Comencé estudiando los polímeros sintéticos (plásticos obtenidos del petróleo). Pero viendo las nuevas regulaciones a los plásticos, me introduje en la potencialidad de los polímeros naturales. Esto ocurrió hace 10 años, cuando a una empresa chilena se le exigió un nuevo envase para entrar a nuevos mercados de países desarrollados, donde en esa época ya existía la responsabilidad extendida del productor en materia de residuos y una guerra contra los plásticos de un solo uso en Europa, pero no en Chile. En concreto, trabajé para cambiar los envases de polímeros sintéticos en los que iba la exportación de berries exigido por la Unión Europea. Nos tardamos seis años en generar un envase idéntico, pero a base de un biopolímero biodegradable y amigable con el medio ambiente. Fue un gran desafío, porque las propiedades mecánicas de los polímeros naturales son diferentes que las de los polímeros sintéticos”, cuenta la investigadora.

“Las aplicaciones de polímeros sintéticos de larga data, que van a estar en aplicación mucho tiempo, como las tuberías de PVC, es lo que como humanidad requerimos. El plástico está satanizado por el mal uso que le estamos dando al emplearlo en aplicaciones de corta vida o un solo uso, en circunstancias que pueden degradarse muy lentamente, con una utilidad de entre 200 y 400 años”, dice Castaño, y agrega que “si usamos polímeros amigables con el medio ambiente de origen renovable, como el almidón, entonces podríamos conseguir menos tiempo de degradabilidad. Para estas aplicaciones de corta vida, lo ideal es usar polímeros naturales; para las de largo plazo, sintéticos”.

La dra. Castaño también ha estudiado un tipo de hormigón para la construcción entre 33 y 37% más resistente sobre la base a la incorporación homogénea de grafeno. Para los científicos en nanotecnología, el grafeno se ha convertido en el nanomaterial más importante en la actualidad, el más interesante de trabajar y aplicar. Proviene del carbono, que en sí no es un nanomaterial, pero cuando se modifica su estructura molecular se obtiene láminas o nanopartículas de grafeno, que es algo completamente diferente a la nanoestructura del carbono. El grafeno es más resistente que el acero, es transparente y más liviano que el aluminio.

“Trabajamos en una tesis en la USS para dar una nueva formulación a la estructura molecular del hormigón, la cual modificamos reduciendo uno de los elementos y agregamos grafeno. Este nuevo material resistente es ideal para la minería, la cual trabaja con ácidos fuertes y requiere materiales resistentes”, afirma la docente.

Cápsulas para células madre

Otra área en la que está trabajando la Dra. Castaño es la biomedicina, en la búsqueda de biomatrices biodegradables para encapsular células madre. Cuenta que “he encontrado un grupo interdisciplinario muy bueno en la USS, con el cual venimos trabajando en la búsqueda de biomatrices que sean usadas para implantes y para la generación de parches. Se trata de hidrogeles de biomatrices poliméricas con encapsulación, a través de diferentes técnicas que estamos estudiando, para encapsular células madre”, dice.

La investigadora participa en el grupo multidisciplinario Biosmartcell de la USS, el cual se enfoca en el desarrollo y testeo de biomateriales inteligentes, capaces de vehiculizar y permitir la monitorización de elementos biológicos, tales como células, proteínas y ácidos nucleicos, con un amplio rango de aplicaciones, que van desde la biomedicina, la nutrición y hasta el packaging.

El último de sus proyectos es un prototipo de material que tiene forma de pellet con dos funcionalidades para mejorar los suelos de uso agrícola y forestal: que retenga el agua y que aporte nutrientes y fertilizantes. Se trata del desarrollo de compuesto denominado Power Hydrochar, basado en un sistema de núcleo-coraza, donde el núcleo está compuesto de biochar activado, el cual se obtiene a partir de desechos agrícolas y forestales; y la coraza está constituida por hidrogeles a partir de materiales biopoliméricos, tales como alginato y celulosa. Este proyecto fue ganador del concurso Fondef 2021 y se adjudicó recursos por $ 200 millones.

La Dra. Castaño señala que “es un desafío y una oportunidad generar tecnologías verdes que respondan y contribuyan a las necesidades hídricas del país. Además, de crear valor a productos nacionales, ya que en Chile no existe ninguna empresa fabricando una tecnología de similares características que apuntan a una economía circular que responde a los efectos del cambio climático”.