La nanotecnología con su capacidad de innovar construyendo con átomos y moléculas permite brindar variadas respuestas a las dificultades actuales del planeta. En el presente artículo se presentan ocho aspectos de la disciplina con capacidad para contribuir a menguar la problemática ambiental.

I. Producción de energías alternativas

Entre los aportes de la disciplina ubicamos los nanocatalizadores especialmente diseñados para la conversión del dióxido de carbono en metano (componente principal del gas domiciliario). También existen otros nanocatalizadores, nanofotocatalizadores y electro-nanofotocatalizadores para obtener a partir del dióxido de carbono ambiental hidrocarburos con más átomos de carbono (ejemplo etileno).

A los paneles solares clásicos, se la agregan los que utilizan puntos cuánticos (nano partículas semiconductoras) capaces de aumentar su eficiencia e incluso, regulando su tamaño, funcionar de noche captando la radiación infrarroja causante del efecto invernadero. En la actualidad también se lograron realizar paneles en los cuales la diferencia de potencial generada está vinculada con la humedad ambiente. Sus celdas contienen proteínas con grupos carboxílos laterales, los mas externos se protonan con la humedad estableciendo un gradiente de potencial eléctrico entre la parte superior e inferior (1). Los denominamos paneles humedales con la licencia de considerar la palabra humedal como zona húmeda vinculada con la humedad ambiental normal. Estos paneles presentan la ventaja adicional de poder ser utilizados dentro de las viviendas.

Otro aspecto importante es el relacionado con los autos eléctricos. Las reservas de litio (Li) solo alcanzarían para convertir el 1% de los autos circulantes en eléctricos. En cambio las baterías de aluminio-grafeno, aún en desarrollo, permitirían mejorar la situación debido a la abundancia del aluminio (Al) en la naturaleza. La producción mundial anual de Al (año 2019) fue de 62.8 millones de toneladas y la de Li solo 0,077 millones de toneladas.

II. Producción agrícola sustentable.

La mayor cantidad de agua dulce del planeta la consume la agricultura. Por causa de la notoria ineficiencia de los agroquímicos debido su forma de aplicación, menos del 5% de fertilizantes y pesticidas son absorbidos por las plantas (2). Los pesticidas contaminan el agua y los fertilizantes nitrogenados ingresan en un ciclo natural conducente a la formación de gases NxOx que contribuyen al calentamiento global. Los nanofertilizantes y nanopesticidas, en los cuales los principios activos se adsorben a nanopartículas (NPs), permiten su retención en el suelo dando más tiempo a la planta para su incorporación. Mejor aún, su utilización foliar permite el ingreso casi total en los vegetales llegando a la raíz aproximadamente solo el 1%. Lo expuesto permite un importante ahorro de agroquímicos y el inicio de una producción agrícola realmente sustentable.

III. Desalinización del agua de mar.

La desalinización de agua de mar resulta inviable debido a los importantes costos por el consumo de la energía necesaria, aun generando la energía con paneles solares la mejora no es suficiente. Los plasmones de resonancia superficial localizada son NPs de metales conductores. Cuando la frecuencia electromagnética de la nube de electrones superficiales (plasma) entra en resonancia con alguna frecuencia de la radiación solar, las NPs absorben la energía incrementando sensiblemente su temperatura. Colocadas en recipientes con agua de mar ese aumento de temperatura no se transmite a toda la masa de líquido, se forma una burbuja de vapor a su alrededor, sube a la superficie y libera el vapor, luego las NPs vuelven para iniciar otro ciclo. Este método de desalinización solo requiere de nanopartículas reutilizables y sol. Por su casi nulo consumo energético es recomendado por la UNESCO (3).

IV. Ambiente sin virus y sin bacterias.

La nanofotónica se basa en el hecho que una parte de la “luz” interactúa con las nanopartículas de dióxido de titanio generando con la humedad ambiente los radicales superoxidantes: O2. y OH. , capaces de destruir las membranas de virus, bacterias y hongos. El radical OH. es el oxidante más importante en la troposfera a tal punto que el Premio Nobel Paul Crutzen lo denominó el "detergente de la atmósfera". Pinturas con nanopartículas de dióxido de titanio se utilizan para eliminar virus, bacterias, hongos y sus metabolitos en hospitales, esculturas, comedores, restaurantes, escuelas, monumentos, etc. Para lograr el mismo efecto en ventanas se emplean membranas fabricadas con nanofibras del citado óxido.

V Nanosensores

Una cantidad importante de nanosensores y nanobiosensores permiten obtener información instantánea sobre distintos problemas ambientales como la concentración de dióxido de carbono, la detección rápida de incendios forestales, el estrés hídrico de las plantas, la cuantificación glifosato y la detección de contaminantes metálicos, entre muchas otras aplicaciones.

VI Mejora de la eficiencia energética.

El aislamiento térmico de las viviendas puede contribuir en forma importante a la disminución del gasto de energía. Recubrimientos poliméricos con nanobubujas de aire en su interior dificultan la transmisión del calor manteniendo las condiciones térmicas de la vivienda(4). Así en verano se puede disminuir significativamente la utilización del aire acondicionado y en invierno la calefacción. También podemos citar las mejoras provenientes de la nanotecnología en la eficiencia de la iluminación domiciliaria.

VII. Eliminación de contaminantes de aguas y suelos.

La gran adsorción de las nanopartículas unidas al carácter magnético de las NPs férricas permite adsorber arsénico de aguas arsenicales y su posterior separación del fluido por campos magnéticos. La misma técnica se puede utilizar en aguas/suelos contaminados por hidrocarburos. En algunos casos se hacen NPs de óxido de titanio con núcleo férrico de modo de extraer los contaminantes orgánicos y finalmente destruirlos mediante la oxidación nanofotónica.

VIII. Purificación del agua

Se puede purificar el agua utilizando filtros comerciales realizados con una variedad importante de nanomateriales (3). Por ejemplo, filtros realizados con nanofibras de alúmina de 2 nm de diámetro, permiten separar del agua virus, bacterias, endotoxinas, ADN, ARN, entre otros.

Se describieron ocho contribuciones de la nanotecnología para combatir la creciente problemática ambiental. Muchas de ellas se integran y/o complementan. Es tan solo una pequeña muestra de como construyendo con átomos y moléculas podemos intentar mantener un planeta viable.

Bibliografía:

1) Power generation from ambient humidity using protein nanowires. Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley & Jun Yao. Nature volume 578, pages550–554 (2020) https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9

2) Nanoparticle Size and Coating Chemistry Control Foliar Uptake Pathways, Translocation, and Leaf-to-Rhizosphere Transport in Wheat. Astrid Avellan*, Jie YunJie , Yilin Zhang, Eleanor Spielman-Sun, Jason M. Unrine, Juergen Thieme, Jieran Li, Enzo Lombi, Garret Bland, and Gregory V. Lowry. ACS Nano 2019, 13, 5, 5291–5305. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b09781

3) Low Cost Nanomaterials for Water Desalination and Purification. Mona B. Mohamed. Final Technical report. UNESCO http://www.unesco.org/new/fileadmin/MULTIMEDIA/FIELD/Cairo/Desalination%20Final%20UNESCO%20rep ort.pdf

4)Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling. Jyotirmoy Mandal, Yanke Fu, Adam C. Overvig, Mingxin Jia, Kerui Sun, Norman N. Shi, Hua Zhou, Xianghui Xiao, Nanfang Yu and Yuan Yang, Science 19 Oct 2018. Vol. 362, Issue 6412, pp. 315-319 https://science.sciencemag.org/content/362/6412/315

Alberto Luis D’Andrea
Alberto Luis D’Andrea

Director de Nanotecnología y Nuevas Tecnologías de la Universidad CAECE (Buenos Aires, Argentina).Profesor y Doctor en Ciencias Químicas egresado de la Universidad de Buenos Aires (UBA). Posgrado de Ingeniería Biomédica dictado en conjunto por la Fundación Favaloro y la Facultad de Medicina (UBA). Presidente de la Confederación Argentina de Biotecnología (CAB) y de la Confederación Argentina de Nanotecnología (CAN). Coordinador de la Comisión de Biotecnología y Nanotecnología del Colegio de Ingeniería Agronómica (CPIA). Autor de numerosos trabajos de investigación en revistas internacionales, libros relacionados con la docencia y artículos en diarios y revistas. Último libro (2017) "La Convergencia de las Tecnologías Exponenciales & la Singularidad Tecnológica". Creador y redactor del periódico online Biotecnología & Nanotecnología al Instante. Creador y columnista del programa radial Café Biotecnológico.

http://albertodandrea.blogspot.com.ar 

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Una visión del futuro desde la nanotecnología.

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