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TECNOCIENCIA CHIHUAHUA, Vol. XV (3) e 861 (2021)
https://vocero.uach.mx/index.php/tecnociencia
ISSN-e: 2683-3360
Artículo de Divulgación
Un acercamiento a los fundamentos y aplicaciones de
la nanotecnología
An approach to the fundamentals and applications of nanotechnology
*Correspondencia: rbalandran@ciad.mx (René Renato Balandrán Quintana)
DOI: https://doi.org/10.54167/tecnociencia.v15i3.861
Recibido: 02 de octubre de 2021; Aceptado: 12 de octubre de 2021
Publicado por la Universidad Autónoma de Chihuahua, a través de la Dirección de Investigación y Posgrado.
Resumen
La nanotecnología consiste en la comprensión, manipulación y aprovechamiento de las
propiedades que tienen los materiales en la nanoescala, es decir, en dimensiones que se encuentran
en el rango de 1 a 100 nm, para desarrollar productos con utilidad práctica. En la década de 1990
inició la revolución nanotecnológica gracias a una mejor comprensión de las propiedades de la
materia en la nanoescala. Estas propiedades novedosas se derivan de una gran área superficial e
incluyen una mayor reactividad química, depresión de las temperaturas de fusión, alta resistencia
mecánica, elevada conductividad eléctrica, efectos ópticos inusuales, entre otras. La nanotecnología
permite el desarrollo de materiales innovadores con aplicaciones en todas las ramas de la industria.
Destacan las industrias biomédica, farmacéutica, electrónica, química, alimentaria, agrícola, de la
construcción, textil, cosmética, de deportes y manufacturera. A pesar de estar presente en artículos
de uso cotidiano, la sociedad tiene percepciones erróneas sobre la nanotecnología, principalmente
debido a la desinformación. La presente comunicación tiene como objetivo informar objetivamente
sobre el concepto de nanotecnología a través de presentar, de una manera sencilla, los
fundamentos de esta disciplina y ofrecer ejemplos de aplicaciones reales.
Palabras clave: nanociencias, nanomateriales, bionanotecnología, divulgación tecnológica,
nanopartículas.
Abstract
Nanotechnology consists of the understanding, manipulation and use of the properties that
materials have at the nanoscale, whose dimensions are in the range of 1 to 100 nm, for the
development of devices with practical utility. In the 1990s, the nanotechnology revolution began
thanks to a better understanding of the properties of matter at the nanoscale. These novel
René Renato Balandrán Quintana1*, Ana María Mendoza Wilson1
1Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo, A.C. Coordinación de Tecnología de
Alimentos de Origen Vegetal. Carretera Gustavo Enrique Astiazarán Rosas No. 46. Col. La Victoria,
C.P. 83304, Hermosillo, Son., México
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properties are derived from a large surface area and include greater chemical reactivity, depression
of melting temperatures, high mechanical strength, high electrical conductivity, unusual optical
effects, among others. Nanotechnology allows the development of innovative materials with
applications in practically all branches of industry. The biomedical, pharmaceutical, electronic,
chemical, food, agricultural, construction, textile, cosmetic, sports and manufacturing industries
stand out. Despite being present in articles of daily use, society has erroneous perceptions about
nanotechnology, mainly due to misinformation. The objective of this communication is to
objectively inform about the concept of nanotechnology by presenting, in a simple way, the
fundamentals of this discipline and offering examples of real applications.
Keywords: nanosciences, nanomaterials, bionanotechnology, technology dissemination,
nanoparticles.
Introducción
La nanotecnología está en nuestra vida diaria, pero pasa desapercibida. Esto se debe a múltiples
factores. Por un lado, en nanotecnología se utilizan con frecuencia materiales que nos resultan
familiares, porque se encuentran presentes en artículos de uso cotidiano. Por otra parte, desde hace
unas décadas estamos tan acostumbrados al acelerado avance tecnológico que rara vez
reflexionamos sobre los mecanismos que hacen posible este. Si a ello se suma una mala publicidad,
los resultados pueden ser desastrosos en términos de la aceptación pública.
No ha faltado quien publicite la nanotecnología como la creación de nano robots que como plaga
van a consumir la tierra, o que pueden ser introducidos en el cuerpo para llevar a cabo viajes
fantásticos y apoderarse de la voluntad de los seres humanos, todo al puro estilo de las películas de
ciencia ficción. La realidad es que esto último carece de fundamentos, pero provoca reacciones
violentas por parte de grupos extremistas, como fue el caso de ataques con paquetes bomba
enviados a científicos mexicanos expertos en nanotecnología (SciDevNet, 2011). Pero sin duda lo
que más prevalece es la desinformación. En una encuesta reciente se demostró que la sociedad
mexicana tiene ideas erróneas sobre la nanotecnología. Si bien la muestra de la población
encuestada fue relativamente pequeña, los resultados hicieron patente la necesidad de brindar al
público en general información objetiva sobre el tema (Camarillo-Abad et al., 2019).
En el presente artículo se presentan, de una forma narrativa, los fundamentos de la nanotecnología
y la línea del tiempo en cuanto a su desarrollo. Se explica por qué los materiales en la nanoescala
tienen propiedades únicas y cómo se pueden aprovechar estas para encontrar soluciones
innovadoras a problemas reales. También se dan ejemplos de diferentes tipos de nanomateriales y
los métodos de producción.
La escala de tamaños
Para una mejor comprensión de la nanotecnología, primero es necesario ubicar la escala de
tamaños. Para efectos prácticos, sólo nos referiremos a las porciones de la escala que permiten
explicar a qué parte de esta corresponden los nanomateriales, lo que se señala en la Fig. 1. Se
recomienda visitar el sitio de internet Nanowerk para observar un video en el que se muestran
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imágenes reales que comprenden desde la escala astronómica hasta la de las partículas
subatómicas (Nanowerk, 2021).
El prefijo micro significa una millonésima parte de algo, así que en unidades de longitud un
micrometro o micra (m) es la millonésima parte de un metro (1m = 1x10-6 m). El prefijo nano
indica una milmillonésima, por lo que, en unidades de longitud, un nanómetro (nm) es la
milmillonésima parte de un metro (1 nm = 1x10-9 m). Mediante un cálculo sencillo se encuentra que
1 m = 1,000 nm. La escala micrométrica o microscópica es la que corresponde a tamaños entre 1 y
1,000 m (0.001 1 mm), seguida por la macroescala (>1 mm). En la escala subnanométrica están los
tamaños inferiores a 1 nm, que corresponden al tamaño de moléculas, átomos y partículas
subatómicas.
Lo anterior puede llevar a pensar, con toda lógica, que la escala nanométrica se encuentra dentro
del rango de 1–1,000 nm. Sin embargo, por razones que se exponen más adelante, se determinó que
la escala nanométrica, también llamada mesoescala o nanoescala, es aquella entre 1 y 100 nm. Los
tamaños que se encuentran entre 100 y 1,000 nm, se dice que pertenecen a la escala
submicrométrica o submicroscópica.
Figura 1. Esquema que ubica aproximadamente la escala nanométrica, para dar una idea de las dimensiones
de los nanomateriales. Los objetos no están dibujados a escala, sólo es una representación para efectos
comparativos.
Figure 1. Scheme that approximately locates the nanometric scale, to give an idea of the dimensions of
nanomaterials. The objects are not drawn to scale; it is only a representation for comparison purposes.
En la microescala se encuentran cosas tan pequeñas como las partículas de polvo, los
microorganismos y aun nuestras mismas células. Para observarlos es necesario un microscopio
óptico, como del que se dispone en casi cualquier laboratorio. No obstante, para la observación en
la escala nanométrica se requieren microscopios más potentes, como los de transmisión y de
barrido de electrones. Algo tan delgado como un cabello humano, tiene un diámetro promedio de
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80 m, es decir 80,000 nm. Así, el tamaño de los objetos en la nanoescala es entre 8,000 y 80,000
veces más pequeño que el grueso de un cabello. Si una persona con una estatura de 1.70 m se
encogiera hasta alcanzar el tamaño de 1 nm, el grosor de una hoja de papel ordinario (0.1 mm)
representaría 170 km para esa persona. Estos ejemplos dan una idea clara de lo diminutas que son
las dimensiones de los nanomateriales. Una vez ubicada la escala de tamaños, se puede comenzar a
hablar de nanotecnología.
Definición de nanotecnología
La nanotecnología consiste, por una parte, en la fabricación de materiales cuyo tamaño es
nanométrico, es decir, entre 1 y 100 nm, en al menos una de sus dimensiones. Aquí cabe hacer un
paréntesis para mencionar que los nanomateriales se clasifican como cerodimensionales (0D),
unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D), según el número de
dimensiones que tienen en la nanoescala (Fig. 2).
Figura 2. Clasificación de los nanomateriales de acuerdo con sus dimensiones y ejemplos genéricos de cada
uno de ellos. El prefijo numérico indica el número de dimensiones que el material tiene en la macroescala, es
decir >100 nm. Los nanomateriales 3D son conglomerados de nanopartículas que, en conjunto, son
responsables por las propiedades únicas de ese material, generalmente son sólidos cristalinos.
Figure 2. Classification of nanomaterials according to their dimensions and generic examples of each of them.
The numerical prefix indicates the number of dimensions that the material has on the macroscale, that is> 100
nm. 3D nanomaterials are conglomerates of nanoparticles that, together, are responsible for the unique
properties of that material, generally they are crystalline solids.
Un nanomaterial 0D es aquel en el que sus tres dimensiones están reducidas a la escala
nanométrica, por ejemplo, una nanopartícula. En los 1D, solo dos de las dimensiones están en la
nanoescala nanométrica, las nanofibras y los nanotubos son buenos ejemplos de ello ya que tienen
un diámetro nanométrico y un largo superior a los 100 nm, el que incluso puede ser de varios m.
Los nanolaminados o nanopelículas son representativos de los nanomateriales 2D, donde sólo una
dimensión (el grosor) es nanométrica, mientras que la longitud y anchura están en las escalas
microscópica o macroscópica. Por último, los nanomateriales 3D están constituidos generalmente
por cristales de tamaño nanométrico, los que se agrupan mediante interacciones físicas hasta
formar estructuras macroscópicas.
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En el rango de tamaños de 1 100 nm, los materiales presentan propiedades muy diferentes a las
que tienen en las escalas macroscópicas, submicroscópica o subnanométrica, aunque hay
excepciones. La otra parte de la nanotecnología es aprovechar esas propiedades únicas que surgen
en la nanoescala, para construir, a partir de los nanomateriales, dispositivos y artículos novedosos
con utilidad práctica, o bien introducir mejoras innovadoras en los ya existentes. Otro aspecto
distintivo de la nanotecnología es que se realiza con fundamento científico, lo cual es
imprescindible, pues estudiar y manipular los cambios que experimenta la materia al pasar de una
escala de tamaño a otra requiere de conocimiento científico y, en algunos casos, alto grado de
sofisticación (Borisenko and Ossicini, 2008). No obstante, es de destacar que el uso de algunos
nanomateriales se remonta a épocas pasadas.
Uso de los nanomateriales en la antigüedad y en la Edad Media
Aunque el conocimiento científico de las propiedades de los nanomateriales ha tenido su mayor
avance en el Siglo XX, en la antigüedad y la Edad Media estos ya se utilizaban, quizá
inadvertidamente. Entre los ejemplos más utilizados sobre el uso de nanomateriales en la
antigüedad están las espadas de Damasco y la copa de Licurgo. Las espadas de acero de Damasco
eran famosas por su fortaleza mecánica y filo “eterno”.
En la época actual se descubrió, mediante microscopía electrónica de alta resolución, la presencia
de nanotubos de carbono en una espada auténtica de Damasco del Siglo XVII (Reibold et al., 2006).
Los nanotubos de carbono son partículas nanométricas provistas de una alta resistencia mecánica,
que seguramente se formaban durante el forjado del acero al alto carbono que se utilizaba para
fabricar las espadas de Damasco, lo cual explica las características tan particulares de estas.
Por otra parte, la copa de Licurgo (Fig. 3), fabricada por los romanos en el Siglo V, D.C., está hecha
de una matriz de vidrio en la que se encontraron, dispersas, nanopartículas de oro, plata y cobre
con tamaños de entre 50 y 100 nm. Esto resulta en que la copa presente diferentes coloraciones,
dependiendo de la dirección de la luz incidente (Loos, 2015). Hoy también se sabe que los efectos
vistosos en los vitrales de las catedrales medievales son debidos a que contienen mezclas de
nanopartículas de oro y plata (Loos, 2015). Más adelante, en el presente artículo, se revisan los
fundamentos científicos que explican las propiedades ópticas de algunas nanopartículas metálicas.
El conocimiento científico en aquellas épocas no permitiría encontrar explicación para esos
fenómenos, eran construcciones basadas en conocimiento empírico, producto de la habilidad
artesanal, no puede decirse que ya existía la nanotecnología, al menos no formalmente. De igual
manera, es necesario hacer notar que en la Naturaleza siempre han existido estructuras funcionales
formadas por bloques de tamaño nanométrico, como el DNA, los virus, los complejos enzimáticos
incrustados en las membranas celulares, por mencionar solo algunos. A esto último tampoco se le
puede llamar nanotecnología porque en la construcción de tales estructuras no está involucrada la
mano del hombre.
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Figura 3. Copa de Licurgo, fabricada por los romanos en el Siglo V. Está hecha de una matriz de vidrio que
contiene una mezcla de nanopartículas de oro, plata y cobre. La coloración es diferente dependiendo de si la
fuente de luz se encuentra en el interior de la copa o incide desde el exterior.
Figure 3. Lycurgus Cup, made by the Romans in the 5th century. It is made of a glass matrix that contains a
mixture of gold, silver and copper nanoparticles. The coloration is different depending on whether the light
source is inside the glass or is incident from the outside.
Créditos a las imágenes (Image credits): (A) DeBrit_Mus_13sept10_brooches_etc_044.jpg:Johnbodderivativework:
Johnbod(talk)-Brit_Mus_13sept10_brooches_etc_044.jpg,CCBY-SA3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11549754; (B) De Desconocido - Marie-Lan Nguyen (2011), CC BY
2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15475096
Periodo de gestación de la nanotecnología
Las nanociencias y la nanotecnología tuvieron un avance relativamente lento al principio, como
lo constata la línea del tiempo (Fig. 4). La idea visionaria de manipular la materia átomo por átomo
para construir dispositivos útiles de tamaño nanométrico se atribuye a Richard Feynman, ganador
del premio Nobel de Física, aunque no precisamente por ser el pionero intelectual de la
nanotecnología, como muchos lo reconocen hoy.
En 1959, Feynman dictó una conferencia ante la Sociedad Americana de Física en la que visualizó
objetivamente la posibilidad, en un futuro no muy lejano, de fabricar bloques moleculares a partir
de átomos. A su vez, esos bloques podrían utilizarse para construir estructuras de mayor tamaño, y
así sucesivamente, hasta finalmente llegar a dispositivos con alguna función preconcebida
(Feynman, 1961). Es decir, síntesis química mediante manipulación mecánica. Aunque la idea
parecía muy atractiva, en ese entonces y en los siguientes veintitantos años no existía posibilidad
alguna de la manipulación átomo por átomo.
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Figura 4. Línea del tiempo del avance de la nanotecnología, desde 1959 hasta la década de 1990. El suceso más
importante durante este periodo fue la invención de los microscopios de efecto túnel y de fuerza atómica.
Figure 4. Timeline of the advancement of nanotechnology, from 1959 to the 1990s. The most important event
during this period was the invention of tunneling and atomic force microscopes.
En 1974, el investigador Norio Taniguchi definió la nanotecnología como “el proceso de
separación, consolidación y deformación de materiales por átomo o molécula” (Bayda et al., 2019).
Según la historia, esta fue la primera vez que se utilizó la palabra nanotecnología. Sin embargo, fue
unos años más tarde, en la década de los 80s, cuando se cristalizó la idea de la manipulación átomo
por átomo, una vez que se inventaron los microscopios de efecto túnel (Binnig et al., 1982) y de
fuerza atómica (Binnig et al., 1986).
Utilizando conceptos teóricos cuya explicación está fuera del objetivo de este artículo, y haciendo
uso de los avances en computación logrados hasta entonces, fue posible construir “puntas” con
unos cuantos átomos de un cierto material. El acercamiento de esas puntas a la superficie de otro
material permite “arrancar” átomos superficiales y posteriormente posicionarlos en otro lugar.
Así se obtuvieron imágenes muy llamativas a manera de demostración, como la que se muestra en
la Fig. 4. Aunque este fue un hecho extraordinario, era y es absurdo construir dispositivos átomo
por átomo, pues sería un proceso extremadamente lento. Los microscopios de efecto túnel y de
fuerza atómica se utilizan para observar indirectamente átomos y moléculas, así como para
caracterizar las propiedades físicas de los nanomateriales, sin embargo, su invención fue el punto
de partida que originó una avalancha de investigaciones. El científico Eric Drexler, a través de la
publicación de libros como Engines of creation. The coming era of nanotechnology, desempeñó un papel
importante en cuanto a popularizar los potenciales de la nanotecnología molecular. Puede decirse
que en la década de los 80s se estableció formalmente el concepto de nanotecnología, pero lo que
sucedió unos cuantos años más adelante fue el detonante de una revolución.
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Revolución nanotecnológica en la década de los 90s
En 1985 se descubrieron unas estructuras esféricas constituidas enteramente por átomos de
carbono (ACS, 2010), a las que se les llamó Buckminsterfulerenos, en alusión a las estructuras
arquitectónicas que distinguen al arquitecto Sir Buckminster Fuller. Estas esferas, también
llamadas simplemente fulerenos, tienen 60 átomos de carbono. Se asemejan a un balón de futbol
soccer, consistente en 20 hexágonos y 12 pentágonos, donde cada uno de los vértices está ocupado
por un átomo de carbono, como se muestra en la Fig. 5A.
Esta forma del carbono es diferente a las del diamante y el grafito y tiene propiedades inusuales,
entre las que sobresale una elevada conductividad eléctrica. Posteriormente fue posible dividir el
grafito en sus monocapas, cada una de las cuales se conoce como grafeno (Fig. 5B). El grafeno es
otra forma de carbono de la familia de los fulerenos, que también posee propiedades únicas, como
una elevada conductividad eléctrica, transparencia, flexibilidad y alta resistencia mecánica (Inagaki
et al., 2014).
En 1991 se descubrieron los nanotubos de carbono (Fig. 5C), los cuales se asemejan a láminas
enrolladas de grafeno y que comparten algunas propiedades de este, como una elevada
conductividad eléctrica y gran resistencia mecánica. Los nanotubos de carbono son partículas de 1
3 nm de diámetro interno, 2 100 nm de diámetro externo y 0.2 a varios m de longitud (He et al.,
2013).
Figura 5. Representaciones de: (A) Estructura de los fulerenos; (B) estructura del grafito, constituido por
monocapas de grafeno; (C) estructura de los nanotubos de carbono, los cuales consisten en láminas de grafeno
“enrolladas”.
Figure 5. Representations of: (A) Structure of fullerenes; (B) structure of graphite, made up of graphene
monolayers; (C) Structure of carbon nanotubes, which consist of "rolled" sheets of graphene.
Créditos a las imágenes (Image credits): (A) http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/; (B) Capas grafito.svg Anton
(rp) 2004 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/; (C) Encyclopædia Britannica
https://www.britannica.com/science/carbon -nanotube#/media/1/956965/217195
Aunque ya hacía años que se estudiaban los fenómenos superficiales y las propiedades de las
nanopartículas, tal vez el descubrimiento de los fulerenos y posteriormente de los nanotubos de
carbono fueron sucesos relevantes para que la nanotecnología se consolidara como disciplina. A
esto último lo apoya la gran cantidad de publicaciones científicas que aparecieron a partir de 1990,
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en cuyos títulos, resumen o palabras clave aparecen las palabras nanotecnología o nanopartículas
(Fig. 6).
Figura 6. Número de publicaciones científicas en las que aparecen las palabras nanotecnología o nanopartículas,
entre 1960 y 2020. Fuente: SCOPUS, consultado el 29 de septiembre de 2021.
Figure 6. Number of scientific publications in which the words nanotechnology or nanoparticles appear, between
1960 and 2020. Source: SCOPUS, consulted on September 29, 2021.
Importancia del tamaño nanométrico en la nanotecnología
Las propiedades físicas y químicas de la materia en la nanoescala son muy diferentes a las de la
macroescala y las escalas atómica o subatómica. Las propiedades en la macroescala se predicen
mediante las leyes de la Física clásica, mientras que las de átomos y partículas subatómicas
mediante las de la Física cuántica, pero muchas de las propiedades en la nanoescala no se pueden
explicar en su totalidad mediante ninguna de esas leyes, por lo que se recurre a modelos teóricos
que corresponden tanto a unas como a otras.
El carácter innovador de la nanotecnología radica fundamentalmente en el conocimiento,
manipulación y aprovechamiento de propiedades de la materia que surgen en el rango de 1 a 100
nm, las cuales eran desconocidas hasta hace poco. Esto es lo que determina si un nanomaterial es
innovador y útil para que se le considere como artefacto nanotecnológico. Podrá haber
nanomateriales para los cuales no se han encontrado propiedades nuevas utilizables, por lo que,
mientras no se descubran, su sola producción no es del ámbito de la nanotecnología.
El estudio de los fenómenos que ocurren en la nanoescala es materia de las nanociencias. Con
mucha frecuencia las nanociencias y la nanotecnología trabajan al unísono, pero hay una clara
distinción entre ambas. Entonces, el tamaño definitivamente importa, pero en nanotecnología no lo
es todo. Otras interrogantes de interés son cuáles son las propiedades únicas en la nanoescala, por
qué surgen tan drásticamente y, sobre todo, cómo se aprovechan de tal suerte que son causa de
toda una revolución.
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Propiedades en la nanoescala que se derivan de un gran aumento en el área superficial
Cuando un material se somete a un proceso de reducción de tamaño, por ejemplo, hasta
transformarlo en un polvo consistente en partículas de unos cuantos m de diámetro, el área
superficial total aumenta considerablemente. Al nivel de la nanoescala, el aumento en el área
superficial es impresionante. Por ejemplo, si un cubo de cualquier sustancia sólida, con lados de 1
cm y área superficial de 6 cm2 (0.06 m2), se divide en cubitos de 10 nm de lado, el área superficial
total aumenta 10,000 veces, es decir pasa a ser de 600 m2, equivalente a una extensión de 30 x 20 m.
Para entender el efecto del área superficial sobre las propiedades de la materia hay que recordar
que las propiedades físicas y químicas de un material sólido en la macroescala, mejor conocido
como material voluminoso o bulk, son resultado de las interacciones existentes entre los trillones de
átomos que conforman a dicho material, aún en masas tan pequeñas como las del orden de
miligramos. No obstante, hay una diferencia importante entre los átomos de la superficie del
material con respecto a los del interior: los primeros tienen un menor número de interacciones con
otros átomos, lo que los hace estar menos fuertemente sujetos (Fig. 7).
El menor grado de conectividad entre los átomos superficiales les ofrece la posibilidad de
interaccionar con átomos o moléculas en la interfase, al tiempo que les da una mayor libertad de
movimiento y mayor propensión a “escapar” de la superficie. En otras palabras, los átomos de la
superficie son más reactivos y requieren de la aplicación de menos energía para su movilización.
Sin embargo, la cantidad de átomos en la monocapa superficial es infinitamente menor a la
cantidad de átomos presentes en todo el bulk, por lo que propiedades como la reactividad y los
puntos de fusión y ebullición de ese material las determinan las interacciones entre los átomos del
bulk (Kuncser and Miu, 2014).
Ahora consideremos el caso de una nanopartícula metálica. Una nanopartícula es un
conglomerado de unos cuantos átomos, que pueden ser cientos o miles, lo cual depende del tipo de
átomo y del tamaño de la nanopartícula; extremadamente pocos si se consideran los trillones que
hay en el material bulk. En un conglomerado de tan pocos átomos, estos se disponen de tal forma
que la mayoría quedan expuestos en la superficie, con menor conectividad entre ellos en
comparación a los del bulk. Es decir, una nanopartícula está literalmente formada por átomos
superficiales (Fig. 7), por lo que estos determinan las propiedades de esa nanopartícula;
propiedades que, como ya se mencionó en el párrafo anterior, son diferentes a las del bulk. Así, las
nanopartículas de oro, por ejemplo, tienen una mayor reactividad y un menor punto de fusión que
el oro en bulk. Estas son solo dos de tales propiedades, que, aunque simples en apariencia,
permiten el desarrollo de dispositivos y materiales innovadores de uso cotidiano.
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Figura 7. Las propiedades físicas y químicas de la materia son el promedio de los trillones de átomos y
moléculas que la componen. Los átomos o moléculas superficiales se comportan diferente a los del bulk, por
estar menos conectados entre sí. Una nanopartícula está compuesta de pocos átomos, la gran mayoría de los
cuales se disponen en la superficie. Por lo tanto, las nanopartículas tienen propiedades superficiales, como
una mayor reactividad y menor punto de fusión.
Figure 7. The physical and chemical properties of matter are the average of the trillions of atoms and
molecules that compose it. Surface atoms or molecules behave differently from bulk, as they are less
connected to each other. A nanoparticle is made up of few atoms, the vast majority of which are arranged on
the surface. Therefore, nanoparticles have surface properties, such as higher reactivity and lower melting
point.
Una mayor reactividad tiene aplicaciones muy importantes en catálisis (Ishida et al., 2020). Por
ejemplo, en los catalizadores que convierten monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono
(CO2), la reacción se lleva a cabo en un soporte sobre el que se encuentra el metal que cataliza la
conversión; la eficiencia catalítica depende en gran medida del área superficial. Bajo este
razonamiento, si el soporte se “cubre” con nanopartículas de catalizador, la eficiencia catalítica
aumenta cientos de veces no solo por una mayor área superficial sino también porque las
nanopartículas son más reactivas.
Por otro lado, la depresión del punto de fusión permite que algunas nanopartículas se utilicen
como agentes de relleno en procesos que requieren de temperaturas altas, como el sinterizado de
cerámicas o la soldadura de microcircuitos eléctricos. Las cerámicas se fabrican a partir de sólidos
secos o lodos hechos de materiales pulverizados, los que se moldean, se secan y se sinterizan a
altas temperaturas. El objetivo del sinterizado es hacer un material denso, homogéneo y resistente.
Sin embargo, es inevitable la presencia de huecos microscópicos que quitan resistencia mecánica,
pues sirven como puntos de partida para la propagación de grietas. Aprovechando la gran área
superficial y los bajos puntos de fusión de nanopartículas, se puede sinterizar “en frío” (<200 °C)
para no solo obtener cerámicas densas sino también hacer más sostenible el proceso (Guo et al.,
2016). En el campo de la electrónica la miniaturización es ya una necesidad y las nanopartículas
metálicas encuentran aplicación en la micro o nanosoldadura. Las soldaduras utilizadas en
electrónica deben ser libres de plomo, pero sin este elemento la temperatura de fusión de la
soldadura se eleva en más de 35 °C, lo cual puede resultar perjudicial para los componentes
electrónicos. Una solución es llevar al nivel de nanopartículas la soldadura, para así disminuir su
temperatura de fusión (Gao and Gu, 2016).
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Propiedades ópticas de las nanopartículas y aplicaciones diferentes a las ornamentales
Las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas son aún más interesantes. En un metal
conductor en bulk, los electrones fluyen libremente por todo el material al aplicarse un campo
electromagnético, como la luz; de hecho, sobre la superficie hay una nube de electrones. Pero en
una nanopartícula el tamaño es tan reducido, que ocurre un fenómeno conocido como
confinamiento cuántico, equivalente a que los electrones quedan “enjaulados”.
Cuando nanopartículas metálicas, como las de oro o plata, se encuentran dispersas en un líquido, o
en un sólido transparente o translúcido como el vidrio, y son expuestas a la luz, el campo
electromagnético obliga a los electrones de cada nanopartícula a moverse de un lado a otro dentro
de esta, en todas las direcciones.
Este movimiento, al ser oscilatorio, genera una onda de una frecuencia característica que depende
del tipo, tamaño y forma de las nanopartículas. Esta frecuencia puede ser detectada como un pico
de absorbancia en un espectrofotómetro. La señal se amplifica debido a la gran cantidad de
nanopartículas que hay en la dispersión y se manifiesta visualmente en la coloración de esta. Este
efecto, que se conoce como resonancia plasmónica superficial o plasmón superficial, es indicativo
de la formación de nanopartículas durante el proceso de síntesis y se presenta solo en un rango
estrecho de tamaños (2 100 nm). Es decir, no es detectable cuando en la dispersión solo hay átomos
metálicos o conglomerados muy pequeños, ni cuando las nanopartículas exceden de un tamaño
mayor a 100 nm (Selvemani, 2019).
La absorbancia característica de las nanopartículas de plata es de 420 nm y 550 nm para las de oro.
El fenómeno del plasmón superficial explica la variedad de colores en las vidrieras de las
catedrales medievales y en la copa de Licurgo, las cuales contienen mezclas de nanopartículas
metálicas de diferente tipo y tamaño. Sin embargo, la investigación científica ofrece usos mucho
más sofisticados para las nanopartículas metálicas.
Otro tipo de nanopartículas que tienen propiedades ópticas únicas son los puntos cuánticos,
también llamados QDots. A diferencia de las nanopartículas de oro y plata, hechas de metales
conductores, los QDots se producen a partir de semiconductores, como el selenuro de cadmio.
Debido al pequeño tamaño de los QDots (2 6 nm), los electrones están confinados cuánticamente.
La naturaleza semiconductora hace que los electrones, en respuesta a la radiación
electromagnética, vayan de un estado de mínima energía hasta otro mayor, donde podrían actuar
como conductores. Sin embargo, al estar confinados no tienen la posibilidad de fluir como lo harían
en el material bulk, por lo que regresan a su nivel basal de energía. En ese regreso emiten energía en
forma de luz, es decir, son fluorescentes. Una característica muy interesante de los QDots es que el
color de la fluorescencia depende del tamaño de la nanopartícula, de tal forma que manipulando el
tamaño de esta se logra un espectro de colores de alta pureza, desde el rojo al azul (Cotta, 2020).
Hoy día, tanto el fenómeno del plasmón superficial de las nanopartículas metálicas, como el de
fluorescencia de los QDots tienen un gran potencial en el diagnóstico temprano y efectivo de
enfermedades (Katas et al., 2018; Badilli et al., 2020). Las nanopartículas en su forma prístina no son
muy útiles para estos propósitos; de hecho, su potencial citotoxicidad es una limitante para su uso
clínico. Sin embargo, hay maneras de funcionalizarlas o cubrirlas con ciertas moléculas, de tal
forma que no solo se vuelvan biocompatibles, sino que tengan la capacidad de reconocer células
específicas, como las cancerosas, incluso en las etapas más tempranas del desarrollo de la
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enfermedad. En casos como ese es necesario complementar los estudios con técnicas de
imagenología para detectar el lugar exacto en donde se encuentran las nanopartículas y, por tanto,
las células enfermas. Actualmente se realiza un gran esfuerzo de investigación para que las
nanopartículas sean utilizadas no únicamente en el diagnóstico clínico sino también para el
transporte de agentes terapéuticos hasta tejidos o células específicas, para evitar así efectos
secundarios (Sanità et al., 2020).
Mientras tanto, las nanopartículas metálicas se usan en la industria biomédica como herramientas
de diagnóstico rápido in vitro. Para esto se saca ventaja de las propiedades ópticas de las
nanopartículas para generar señales detectables a la vista, como indicadores de positivo o negativo.
Un buen ejemplo es la prueba rápida de embarazo, que se realiza humedeciendo con orina una tira,
la cual se encuentra dentro de un dispositivo que es diseñado para tal fin. Sobre la tira están
dispersas nanopartículas muy pequeñas de oro, funcionalizadas con anticuerpos de la hormona del
embarazo. Al impregnar el dispositivo con orina, si la hormona del embarazo se encuentra
presente se fija a las nanopartículas debido a su especificidad por el anticuerpo.
El efecto global es que las nanopartículas pequeñas se aglomeran y forman otras de mayor tamaño,
para dar lugar al plasmón superficial. El efecto se nota visualmente: la aparición de una banda roja
indica positivo, mientras que en ausencia de la hormona del embarazo se produce una coloración
verdosa, señal de negativo (Dykman and Khlebtsov, 2011). Hay que mencionar que los
inmunoensayos ya existían desde antes de la nanotecnología, de hecho, el oro coloidal se utilizaba
para algunas aplicaciones, incluyendo la prueba de embarazo, pero hoy día los métodos se han
optimizado mediante el uso de nanopartículas y anticuerpos monoclonales.
Las nanopartículas metálicas también ejercen acción bactericida. Desde hace mucho tiempo la plata
coloidal se utiliza como antiséptico. No obstante, el efecto bactericida de las nanopartículas es
mayor debido a una mayor reactividad (Zhang et al., 2016). Esta propiedad ha dado la pauta para
el uso de las nanopartículas de plata en artículos de uso cotidiano y en situaciones donde se
requiere de un ambiente aséptico, por ejemplo calcetas deportivas, equipos de purificación de aire,
recubrimientos para paredes y pisos de hospitales, etc.
Producción de nanopartículas
Podría pensarse que la obtención y manipulación de nanopartículas requiere de métodos de
reducción de tamaño y de equipo altamente especializado, lo cual es parcialmente cierto. Aunque
muchas nanopartículas se pueden producir utilizando el equipamiento de un laboratorio de
química convencional, la caracterización de forma, tamaño, área superficial y otra serie de
propiedades sí requiere de equipos más especializados, como el microscopio electrónico, al menos.
La sofisticación depende en gran medida de las aplicaciones que se pretendan. Por otro lado, en un
gran número de casos no es necesario reducir de tamaño, pues es posible fabricar nanopartículas
mediante métodos llamados “bottom-up”, es decir, mediante el ensamblado espontáneo de átomos
y moléculas, lo cual se puede lograr por métodos fisicoquímicos. Algunos ejemplos de esto se
describen a continuación, a grandes rasgos.
Para producir nanopartículas de plata, simplemente se mezclan proporciones adecuadas de dos
soluciones, una conteniendo los átomos de plata, como el nitrato de plata, y otra con un agente
reductor, como el citrato de sodio. El citrato neutraliza las cargas positivas de los átomos de plata,
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lo que propicia que estos se aglomeren mediante atracciones de Van der Waals para formar
pequeños racimos. En la medida que transcurre la reacción, estos aglomerados crecen hasta formar
nanopartículas de tamaño homogéneo.
El tamaño deseado de las nanopartículas se logra deteniendo la aglomeración mediante la adición
de algún compuesto químico que estabilice el sistema e impida la interacción de unas
nanopartículas con otras; en ocasiones el mismo agente reductor, como el citrato, actúa como
estabilizador. Finalmente, las nanopartículas se recuperan por filtración y se secan, quedando listas
para su funcionalización, dependiendo de la aplicación deseada (Zhang et al., 2016). En este
proceso la reacción se inicia a alta temperatura, pero esta se omite utilizando agentes reductores
fuertes, como el borohidruro de sodio. Este último reactivo es muy corrosivo y hace riesgosa su
manipulación, por lo que actualmente existe la tendencia de encontrar agentes reductores fuertes,
de origen natural, que hagan más sustentables los procesos de síntesis de nanopartículas de plata y
oro.
Los nanotubos de carbono, por otro lado, se fabrican sometiendo a altas temperaturas algún
material carbonáceo, el cual puede ser sólido, como el grafito, o líquido, como algún solvente
orgánico. El proceso se realiza dentro de un horno diseñado especialmente, donde los materiales se
vaporizan debido a la alta temperatura y los átomos de carbono se alinean e interaccionan unos
con otros, de tal forma que se producen las estructuras típicas de los nanotubos. Estos se depositan
sobre las superficies del interior del horno, de donde hay que recuperarlos mediante raspado una
vez terminado el proceso. Si sobre una de las superficies internas del horno se dispersan
intencionalmente nanopartículas de un metal catalizador, se forman nanotubos de carbono de una
sola capa, cuyo diámetro dependerá del tamaño de las nanopartículas metálicas. Si no se adiciona
el catalizador, se obtienen mayormente nanotubos de carbono multicapa, de diámetro variable
(Eatemadi et al., 2014).
La fabricación de nanopartículas de origen biológico, como las derivadas de proteínas, es también
un proceso “bottom-up”, espontáneo y relativamente fácil de realizarse ya que no requiere de
equipos super especializados, además de que ocurre a temperaturas cercanas a la del ambiente.
Una estrategia es la hidrólisis enzimática para liberar péptidos específicos, los cuales actúan como
bloques moleculares que posteriormente se ensamblan espontáneamente para formar
nanopartículas proteicas.
La forma y tamaño de las nanopartículas depende de la proteína y enzima utilizadas. Como las
proteínas tienen una gran diversidad estructural, se puede lograr una infinidad de formas, como
nanoesferas, nanotubos y nanovesículas, así como aprovechar los grupos funcionales presentes en
las mismas para aplicaciones muy específicas.
La compleja estructura química de las proteínas puede también ocasionar un ensamble
descontrolado, que resulta finalmente en precipitación. Esto se puede evitar mediante la adición de
grupos funcionales que estabilicen a las nanopartículas ya formadas. Debido a su
biocompatibilidad y tamaño, así como a las propiedades funcionales de emulsificación y formación
de geles, las nanopartículas proteicas tienen un gran potencial en las industrias alimentaria y
farmacéutica como transportadores de fármacos y compuestos bioactivos (Bourbon et al., 2019).
Hay una clase de proteínas, las albúminas, que tienen una afinidad natural por las células
cancerosas. Esta propiedad las hace candidatas para la preparación de nanopartículas cargadas con
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fármacos, para dirigir estos directamente a las células tumorales y así evitar los efectos secundarios
de los tratamientos convencionales (Hong et al., 2020).
Propiedades de la nanoescala para la manufactura de productos novedosos
Para aplicaciones relacionadas con propiedades mecánicas u otras, se preparan
nanocompuestos. Un nanocompuesto es un material sólido que consiste en varias fases, al menos
una de las cuales tiene una, dos o tres dimensiones de tamaño nanométrico. La fase o fases
nanométricas pueden ser nanopartículas, nanofibras o nanoarcillas y se dispersan dentro de una
matriz metálica, cerámica o polimérica (Omanović-Mikličanin et al., 2020).
Un nanocompuesto de matriz metálica consiste en una fase metálica (o de aleaciones), como
aluminio, fierro, magnesio, estaño y plomo, la cual se refuerza con un material nanométrico para
darle mejores propiedades de ductilidad, tenacidad, así como de resistencia mecánica y a las altas
temperaturas. Los nanocompuestos metálicos tienen aplicaciones en las industrias aeroespacial y
automotriz.
Por otro lado, las cerámicas convencionales tienen el problema de fragilidad y propensión a la
fractura, debido a la propagación de grietas. Los nanocompuestos de matriz cerámica resuelven en
gran medida este problema porque la matriz se refuerza con una nanofase metálica dúctil, que le
otorga una mayor durabilidad y resistencia mecánica. Los nanocompuestos cerámicos encuentran
aplicaciones en amplios sectores de la industria, desde la aeroespacial y automotriz, hasta la militar
y biomédica. Respecto a esta última, las biocerámicas representan un gran potencial para
desarrollar una nueva generación de implantes y prótesis, ya que no solo se pueden mejorar las
propiedades mecánicas, sino que el efecto se puede combinar con propiedades bioactivas para
reducir el riesgo de rechazo y/o aumentar la proliferación de células regeneradoras de hueso.
Los nanocompuestos de matriz polimérica consisten en una fase polimérica en la que se dispersa
algún relleno o filler. Los fillers, más correctamente llamados nanofillers, para este caso, pueden ser
nanotubos de carbono, nanopartículas metálicas, nanoarcillas y muchos otros. A nivel molecular se
dan interacciones entre el polímero y el nanofiller, lo que resulta en un cambio en las propiedades
del material, entre las que se incluye una alta estabilidad térmica, así como mejores propiedades
mecánicas y de permeabilidad a gases (Omanović-Mikličanin et al., 2020).
La industria electrónica es uno de los mejores testigos de lo que se puede lograr mediante la
nanotecnología. El desarrollo de pantallas de última generación utiliza tecnología con base en
QDots, ya que estos proporcionan colores de alta pureza, con lo que se obtiene una resolución
excelente. Igualmente, la alta conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono y el grafeno,
además de otras propiedades de este último, como la transparencia y ductilidad, los hace
excelentes para aplicaciones en electrónica. No está muy lejos el día en que se comercialicen
computadoras y pantallas “enrollables”.
Los nanotubos de carbono también se utilizan en nanocompuestos para fabricar artículos
deportivos y automotrices, más resistentes y ligeros que los convencionales. En el envasado de
alimentos, las cubiertas que están en contacto con estos pueden contener nanomateriales que les
otorgan propiedades innovadoras, como actividad antimicrobiana y antioxidante, indicación de la
presencia de microorganismos patógenos, permeabilidad controlada a los gases y al agua, registro
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del historial de temperaturas, etc. Incluso es posible elaborar envases multifuncionales e
inteligentes, es decir que contengan más de un componente nanotecnológico y que cada uno de
ellos lleve a cabo acciones específicas en respuesta a cambios en el ambiente circundante (He et al.,
2020).
Las telas para la fabricación de prendas de vestir repelentes al agua y la suciedad se tejen con hilos
previamente impregnados con nanopartículas de sílice, para darles la propiedad de hidrofobicidad
(Wei et al., 2020). Algunas preparaciones farmacéuticas y cosméticas se hacen en forma de
nanoemulsiones, donde los compuestos sensibles se encapsulan dentro de las gotas nanométricas
de la emulsión. Esto último tiene la ventaja de proteger a los compuestos bioactivos mediante su
encapsulación, además de hacer sensorialmente atractivos a los productos.
La imitación de la Naturaleza como herramienta poderosa para la innovación
Algunos de los desarrollos nanotecnológicos están inspirados en nanoestructuras naturales.
Tomemos como ejemplos el efecto loto y el efecto geco. La planta de loto es conocida por crecer en
zonas pantanosas y sin embargo siempre permanecer limpia. Un análisis microscópico de la
superficie de las hojas de loto revela la presencia de cristales de cera de dimensiones nanométricas.
La cera en las hojas de las plantas es normal, es un material de naturaleza lipídica que proporciona
características hidrofóbicas a la superficie, es decir, repele el agua. No obstante, el tamaño
nanométrico de las estructuras cerosas en las hojas de loto es lo que explica por qué estas se
autolimpian constantemente.
El área de contacto entre las gotas de agua (condensadas del ambiente) y los nanocristales de cera
de la superficie, es extremadamente pequeña. A esto se le conoce como superhidrofobicidad y
ocasiona que las gotas rueden espontáneamente a la menor inclinación, arrastrando consigo
cualquier resto de suciedad. Al fenómeno en conjunto se le llama efecto loto y su imitación se
aprovecha para la manufactura de pintura para superficies autolavables, así como para la
fabricación de telas repelentes al agua y la suciedad (Wei et al., 2020).
Existe otro fenómeno conocido como efecto geco, que explica la capacidad de los gecos y de muchos
insectos y artrópodos de caminar sobre cualquier superficie plana o inclinada, incluso sobre vidrio.
La razón es que las patas de los gecos están cubiertas de fibras nanométricas en forma de espátula,
cada una de las cuales tiene ancho y largo de 200 nm y 20 nm de grosor. Cada espátula, al estar en
contacto con una superficie, experimenta atracción hacia esta por medio de fuerzas de Van der
Waals, las cuales son un tipo de interacción electrostática. Estas interacciones son de las más
débiles conocidas, pero el conjunto de millones de espátulas (entre 50 y 500 millones en cada
almohadilla de cada dedo) hace crecer la fuerza de atracción a tal grado que se soporta el peso del
geco y este se mantiene firme sobre cualquier superficie (Greiner, 2010).
El estudio del efecto geco fue la inspiración para desarrollar nanopartículas que se utilizan como
aditivos para concreto, con la finalidad de promover una mayor adhesión entre partículas, lo que
resulta en una mayor resistencia mecánica debido a la baja probabilidad de fisuras o grietas.
Estudiar el efecto geco también ha permitido una mejor comprensión de los fenómenos superficiales,
por lo que hoy existe el potencial de desarrollar productos de interés en biomedicina, por ejemplo
adhesivos fibrilares que remplacen la sutura y las grapas quirúrgicas.
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Conclusiones y perspectivas
El presente artículo aborda, de forma general, diferentes aspectos relacionados con las
propiedades, producción y aplicaciones de nanomateriales. La discusión dista mucho de ser
exhaustiva, ya que cada sección merece una revisión completa. Igualmente, se dan algunos
ejemplos que, a juicio de los autores, pueden ayudar a introducirse en el tema, pero existe una
enorme cantidad de otras propiedades y aplicaciones. No se trataron cuestiones de seguridad, por
ser de demasiada amplitud, sin embargo, se puede comentar que los organismos reguladores de
diferentes regiones del mundo están trabajando arduamente en este sentido.
Muchos de los nanomateriales son inocuos, ya sea por su origen biológico o porque ya están
clasificados como seguros. Aquellos para los que existen dudas razonables, se está llevando a cabo
la investigación pertinente para garantizar su seguridad antes de lanzarlos al mercado. Aquí cabe
aclarar que algunas de las aplicaciones son potenciales, aún se encuentran en la etapa de
experimentación, sobre todo las que involucran el introducir nanomateriales en el cuerpo humano.
La nanotecnología es una disciplina emergente que está revolucionando todas las áreas de la
industria. En estos tiempos en que la sostenibilidad es un requerimiento urgente, la nanotecnología
puede ser una alternativa en la resolución de problemas ambientales, de seguridad alimentaria y
de salud. Los detractores de la nanotecnología o los medios de comunicación poco serios pueden
influir negativamente en la aceptación de los productos nanotecnológicos e incluso causar pánico,
por lo que existe el reto de proporcionar información objetiva. También se reconoce que, aunque
una variedad de los nanomateriales es inocua debido a su origen biológico, hace falta investigación
para responder a diversas interrogantes en lo que concierne a la seguridad. Por último, la
Naturaleza es ejemplo de nanoestructuras funcionales perfectas, de manera que imitarla
seguramente resultará en mayores innovaciones y en un planeta sostenible.
Agradecimiento
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT-México) por el financiamiento del
proyecto A1-S-40197 de la Convocatoria de Ciencia Básica 2017-2018.
Conflicto de interés
Los autores declaran no tener ningún conflicto de interés.
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