El nanomundo en tus manos
4. Nuevos materiales para una nueva revolución tecnológica
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Un descubrimiento curioso acerca de los fullerenos fue realizado recientemente usando el telescopio Spitzer de la NASA. En el curso de sus observaciones, un grupo de astrónomos encontraron, cerca de las estrellas «XX Ophiuchi» (distantes 6500 años-luz de la Tierra), un elevado número de diminutas partículas sólidas, que resultaron estar compuestas por moléculas de C60. Hasta ese momento, en el cosmos únicamente se habían encontrado fullerenos en fase gaseosa, siendo la primera vez que se observaba su existencia en el espacio en fase sólida. Además, el número de fullerenos detectados fue tal que podría formarse con ellos el equivalente a 10 000 montes Everest. Para entender cómo pueden formarse este tipo de estructuras, podemos recurrir a las palabras de uno de los descubridores, N. Evans; de la Universidad de Keele, en Inglaterra: «los fullerenos se apilan unos sobre otros de la misma manera que se apilarían naranjas en una cesta hasta constituir las partículas sólidas detectadas. Éstas son minúsculas, mucho más pequeñas que la anchura de un cabello, pero cada una puede contener millones de buckybolas apiladas». Además de los fullerenos descritos hasta el momento, también se han hallado evidencias de otros más complejos (por ejemplo, C240 conteniendo en su interior C60) en los alrededores de nebulosas planetarias. A su vez, en los alrededores de estrellas que se extinguen y supernovas se han encontrado moléculas consistentes en varios anillos de carbono unidos entre sí, conocidas como hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs). Y es que el espacio es una inmensa factoría de moléculas de distintas clases y tamaños. El mecanismo que permite la existencia de esta gran diversidad química es, hasta hoy, desconocido pues los datos son muy escasos y de difícil interpretación. La reciente inauguración de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), en el desierto de Atacama, ha supuesto una mejora en los radiotelescopios actuales, confirmando que existen en el espacio muchas más especies químicas de las que pensábamos. Por otra parte, los nuevos telescopios en órbita nos muestran que el espacio interestelar no sólo está poblado por moléculas, grandes o pequeñas, sino también por nanopartículas (conocidas como polvo cósmico).
Para ayudar a entender los procesos que han dado lugar a esta gran variedad química, la Unión Europea ha concedido recientemente uno de los contratos denominados ERC-Synergy Grant dotado con 15 millones de euros para realizar, entre otras cosas, experimentos de simulación con técnicas de nanociencia que permitan comprender el proceso de formación del polvo cósmico. Este proyecto, que combina lo más grande y lo más pequeño, se denomina NANOCOSMOS e involucra a dos grupos del CSIC y uno del CNRS (Francia). Los investigadores integrantes del proyecto construirán varias cámaras de simulación en las que intentarán reproducir, en un laboratorio, la atmósfera que existe alrededor de algunas estrellas, pues es ahí donde se forman los granos de polvo interestelar. Para avanzar en la comprensión del Universo, es importante dilucidar cómo se produce este proceso ya que estos granos de polvo, al cabo de millones de años, acaban formando parte de nuevas nubes interestelares donde nacerán estrellas y también planetas, algunos rocosos como la Tierra. Por algo se dice que no somos más que «polvo de estrellas».
Hasta el momento hemos comentado algunas de las posibles aplicaciones de tres nanomateriales de carbono que son fundamentales para la nanotecnología: el grafeno, los nanotubos de carbono y los fullerenos. Sin embargo, y a pesar de lo prometedor de los resultados que se están obteniendo, no hay que olvidar que la mayor parte de las aplicaciones actuales, excepto aquellas en las que el nanomaterial se utiliza como elemento pasivo, se encuentran en fase de estudio. Es decir, muchas de las ideas expuestas son todavía propuestas sobre las que se está estudiando su viabilidad.
4.4. El variado mundo de los nanocomposites
Los composites son un tipo de materiales que ha suscitado un gran interés en los últimos años debido a las interesantes propiedades que presentan y a sus múltiples aplicaciones. Aunque la traducción en español es material compuesto, el término composite es el que se utiliza prácticamente en cualquier texto científico, independientemente del idioma.
Como puede intuirse a partir de su nombre, con este término se designa a un tipo de material formado por, al menos, dos fases sólidas: una continua (la matriz), y otra dispersa en ella (el refuerzo). Puesto que la naturaleza tanto de la matriz como de la fase dispersa puede ser muy variada, las propiedades finales de los composites que se obtienen también pueden ser muy diferentes. Un ejemplo típico de composite es el formado por un polímero orgánico (normalmente sintético) y un sólido inorgánico, lo que origina un material híbrido orgánico-inorgánico, donde la contribución individual de cada componente, así como el resultado de la interacción entre ambos, va a conducir a la obtención de un material con propiedades mejoradas respecto a las que exhiben sus componentes individuales.
Para continuar adentrándonos en el fascinante mundo de este tipo de materiales, veremos un ejemplo de material híbrido orgánico-inorgánico («el azul maya») que, por un lado nos servirá para comprender mejor su estructura y, por otro, nos demostrará que a pesar de denominarse «nuevos materiales», en realidad son conocidos desde la antigüedad. Sin embargo, y al igual que ha ocurrido con los nanotubos de carbono, su estructura no ha podido dilucidarse hasta la aparición de las modernas técnicas de análisis.
A mediados del siglo XX tuvo lugar un importante descubrimiento arqueológico en el estado de Chiapas (México): Bonampak, un antiguo emplazamiento maya rodeado por la selva. En este emplazamiento se encontraron restos de pinturas murales, en las que llamaba poderosamente la atención el brillante color azul que aparecía en ellas. Esta coloración tan vistosa la proporciona el pigmento conocido como «azul maya», pues fue muy utilizado por esta civilización que lo elaboraba a partir del índigo o añil (un colorante orgánico natural) obtenido de ciertas plantas tropicales. Este pigmento presenta la particularidad de que ha sido capaz de resistir más de doce siglos en un entorno selvático sin prácticamente degradarse. Este hecho parece extraño pues los colorantes orgánicos naturales suelen ser muy sensibles a la acción de los agentes ambientales (calor, luz, humedad o ataque químico ambiental). ¿Cómo ha conseguido el color mantenerse inalterado con el paso del tiempo? La respuesta ha venido de la mano de modernas técnicas de análisis que han permitido averiguar que, en realidad, el «azul maya» no está únicamente formado por el colorante orgánico (índigo), sino que éste se encuentra atrapado en la red de canales de un mineral arcilloso (la paligorskita). La «síntesis» de un material tan particular fue realizada por los mayas sin saberlo, pues una vez extraído el índigo de las hojas, lo sometían a un proceso de lavado con aguas ricas en paligorskita. Se cree que durante el proceso de lavado, el índigo se introducía en los huecos de tamaño nanométrico de la arcilla, donde quedaba protegido. Así se conseguía un pigmento que presentaba unas propiedades mejoradas respecto a las de sus componentes individuales: al color azul intenso (proporcionado por el índigo) se le unía una enorme resistencia al ataque ambiental y una gran estabilidad (aportadas por el mineral).
En la actualidad muchos laboratorios del mundo intentan conseguir lo que ya lograron los mayas en el siglo VIII: el diseño de nuevos materiales que presenten propiedades diferentes y mejoradas respecto a las de sus constituyentes. Hoy en día, ese diseño es fruto de la investigación científica y no de la casualidad. En este sentido, un avance importante ha sido el desarrollo de nanocomposites, es decir de composites en los que uno de sus constituyentes presenta al menos una dimensión en la escala nanométrica.
En los nanocomposites, debido a la naturaleza nanométrica de alguno de sus componentes, se incrementa el número de interacciones entre las fases y como consecuencia el efecto sinérgico producido, lo que conduce a materiales con propiedades mejoradas respecto a los microcomposites. Como resultado de sus excelentes propiedades, este tipo de compuestos ha encontrado múltiples aplicaciones en diversos campos. Así por ejemplo, pueden servir como material de construcción de la carrocería de automóviles y del fuselaje de aviones debido a sus mejoradas propiedades mecánicas o como material de envasado si nos atenemos a su capacidad para constituir una barrera impermeable al paso de gases.
Una derivación novedosa es aquella en la que el polímero sintético derivado del petróleo es sustituido por uno de origen natural (biopolímero), dando lugar a un bionanocomposite. El desarrollo de este tipo de compuestos está en consonancia con la tendencia actual de dirigirse hacia una «química verde», más respetuosa con el medioambiente, ya que la utilización de polímeros naturales facilita enormemente la eliminación de residuos.
Los bionanocomposites han encontrado una clara aplicación en el área de la biomedicina, por ejemplo para transportar y liberar fármacos de manera controlada o como soportes en la regeneración de tejidos. En este sentido, no cabe duda de que la ingeniería de tejidos constituye un campo de investigación, altamente interdisciplinar, en el que el diseño de materiales con propiedades específicas (en cuanto a, por ejemplo, forma, tamaño y porosidad) desempeña un papel primordial. Estos materiales, que serán utilizados como soportes para el crecimiento celular pues favorecerán la creación de un nuevo tejido, deben ser biocompatibles (de manera que no se genere ninguna reacción adversa al organismo), biodegradables (deben ir transformándose, una vez formado el nuevo tejido, en productos que sean fácilmente eliminables en las condiciones fisiológicas) y, por supuesto, no tóxicos. A la vista de estas características, los bionanocomposites son materiales idóneos para servir de soportes en la regeneración de tejidos, pues a las propiedades habituales de los nanocomposites convencionales se unen la biodegradabilidad y biocompatibilidad aportadas por el polímero natural. Por ejemplo, en el caso de la regeneración de tejidos óseos son muy utilizados los materiales compuestos por hidroxiapatito y polímeros como el colágeno o la quitina, que intentan imitar la composición del hueso. En este caso, además de obtenerse un material final con una porosidad y unas propiedades mecánicas adecuadas para ser utilizado como soporte artificial, la nanoestructuración de los componentes hace que se obtenga una rugosidad en la escala nanométrica similar a la del hueso natural, favoreciéndose la regeneración del tejido.
Otra importante aplicación de los bionanocomposites es su utilización como bioplásticos. En estos casos, el polímero natural que se utiliza como base suele derivar de productos naturales tan habituales para nosotros como la patata o el maíz. En cuanto al refuerzo, numerosos estudios han demostrado que la utilización de sólidos inorgánicos (por ejemplo, arcillas naturales) logra conferir al material resultante propiedades mejoradas respecto al polímero natural. En este caso concreto, las interacciones en el nivel nanométrico que se establecen entre ambos componentes permiten la obtención de un material más estable frente a la degradación térmica, más rígido y que presenta una mayor capacidad para impedir el paso de gases a través de él. Puesto que además es biodegradable, se paliaría el gran impacto ambiental que acompaña a la utilización de plásticos convencionales. Todas estas características hacen que este material sea idóneo para sustituir a los plásticos convencionales en el envasado de alimentos o en campos como la agricultura o la construcción. Sin embargo, a pesar de las ventajas que presentan, todavía queda mucho camino por recorrer para que los bioplásticos sustituyan a los plásticos derivados del petróleo pues su precio es entre cuatro y cinco veces superior. Es fundamental, por tanto, que la investigación avance, ofreciendo cada vez más productos, con mejores propiedades y un menor precio. En este sentido, cabe ser optimista pues, según las conclusiones publicadas por European Bioplastics (asociación que agrupa a distintos productores), se estima que el mercado de bioplásticos en Europa quintuplicará su tamaño en cinco años.
4.5. Los intrincados pasadizos de los materiales nanoporosos
Otro tipo de materiales, cuya síntesis despierta un enorme interés en la investigación actual, son los materiales porosos. Teniendo en cuenta el origen griego de la palabra poro, que significa pasadizo, resulta fácil imaginar la estructura de este tipo de materiales e incluso anticipar alguna de sus posibles aplicaciones, pues a través de dichos pasadizos puede producirse el paso de moléculas.
La clasificación de los materiales porosos puede realizarse atendiendo a diversos criterios, como el método de producción, la morfología o el tamaño del poro. Si tenemos en cuenta las posibles aplicaciones del material, la clasificación más útil es ésta última. Así, dependiendo del tamaño del poro, la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) clasifica los materiales porosos en tres grupos: materiales microporosos (tamaño de poro inferior a 2 nm), materiales mesoporosos (tamaño de poro entre 2 y 50 nm) y materiales macroporosos (tamaño de poro superior a 50 nm). Puesto que esta clasificación parece contradecir la definición de «nano», conviene aclarar que actualmente se denominan materiales nanoporosos a aquellos que presentan un tamaño de poro inferior a 100 nm. En cuanto a la morfología del poro existen dos posibilidades: que los poros estén conectados con el exterior (poros abiertos) o que no lo estén (poros cerrados), lo cual evidentemente también va a influir en la aplicación a la que puede destinarse el material.
Obviamente, las principales aplicaciones de estos materiales son consecuencia de la presencia de poros en su estructura. En concreto, una estructura porosa presenta una menor densidad y un área superficial específica mucho mayor que una estructura similar pero sin poros, siendo esta última propiedad fundamental para que estos materiales puedan ser utilizados como catalizadores. Otras posibles aplicaciones, como veremos a continuación, están relacionadas con su uso como adsorbentes de líquidos o gases, como tamices moleculares o como vehículos para llevar a cabo un reconocimiento molecular.
Entre los materiales microporosos más interesantes se encuentran las zeolitas, que son minerales conocidos desde el siglo XVIII, cuyo nombre, derivado de dos términos griegos «zeo» (hervir) y «lithos» (piedra), se debe a que parecen hervir al ser calentados a la llama. Tras su descubrimiento se comprobó que estos materiales eran capaces de retener de manera selectiva ciertas sustancias ya que, debido al pequeño tamaño del poro, algunas moléculas pueden atravesarlos quedando adsorbidas dentro, pero otras no. Las zeolitas son, por tanto, capaces de actuar como un tamiz molecular, lo que vendría a ser algo similar a un filtro, aunque más sofisticado pues su funcionamiento se produce en el nivel molecular.
FIGURA 4.9. Estructura de la zeolita ITQ-37. Reproducido con permiso de Macmillan Publishers Ltd: Nature, n.º 458, pp. 1154-1158. Copyright 2009.
Desde que, a mediados del siglo XX, se consiguiese sintetizar en el laboratorio la primera zeolita artificial, el avance ha sido significativo, y existen en la actualidad cerca de 200 zeolitas sintéticas distintas que reciben nombres como ZSM5, MCM9 o ITQ-15.
Una zeolita típica está formada por unidades tetraédricas de SiO4 y AlO4 unidas entre sí por los átomos de oxígeno de los vértices de manera que se originan poros de tamaño molecular. La estructura así formada presenta una cierta carga negativa, que es compensada gracias a la presencia de cationes que se sitúan en el interior de los poros. Estos cationes tienen una gran movilidad y, gracias a esta propiedad, las zeolitas tienen una notable aplicabilidad como intercambiadores de cationes pudiendo, por ejemplo, «ablandar» un agua. Las aguas denominadas «duras» poseen un alto contenido en calcio y magnesio, y pueden originar algunos problemas en los electrodomésticos por cuyas tuberías circulan, ya que van produciendo depósitos e incrustaciones en ellas. Al poner en contacto zeolitas con este tipo de aguas se produce un intercambio entre los cationes de la zeolita (por ejemplo, potasio y sodio) y los del agua (calcio y magnesio), lográndose así que el agua se ablande. De la misma manera, es posible utilizar las zeolitas para eliminar residuos contenidos en aguas, como por ejemplo metales pesados, que pasarían de estar en el agua a quedar atrapados en la red del material.
Por último, las zeolitas encuentran una gran aplicación como catalizadores, siendo ampliamente utilizadas en la industria, por ejemplo, en procesos petroquímicos para lograr la obtención de gasolina a partir del petróleo crudo. Para hacernos una idea de la enorme eficacia que presentan respecto a otros catalizadores convencionales, basta con pensar que la extensa red de canales repletos de centros activos de una muestra de zeolita de 1 gramo equivale a disponer de una superficie de cientos de metros cuadrados. Algo así como si en el interior de 1 gramo de zeolita pudiese encontrarse un campo de fútbol. Además, otra propiedad destacable de las zeolitas es que, debido a la morfología y al tamaño de sus poros, son capaces de «reconocer» moléculas, es decir, de permitir o no el paso a través de sus poros de una determinada molécula en función del tamaño y forma que ésta posea. Esta selectividad de forma es una propiedad muy importante de estos compuestos, pues si estamos utilizándolos como catalizadores en una determinada reacción química, son capaces de controlar la entrada de reactivos o la salida de productos pudiendo llegar a diferenciar entre compuestos idénticos en composición (formados por los mismos átomos), pero que difieran en su forma y tamaño (por la disposición que adoptan esos átomos en el espacio). Imaginemos que en una industria se está llevando a cabo una reacción catalítica en la que a partir de un determinado reactivo se pueden formar tres productos distintos. En este caso es evidente que, una vez finalizado el proceso, sería necesario dedicar tiempo, medios y esfuerzo para separar el compuesto que tenga interés industrial de los otros dos. Pues bien, si esta reacción se llevase a cabo sustituyendo el catalizador anterior por una zeolita, sería posible que de los tres productos formados únicamente uno de ellos, debido a su tamaño y forma, tuviese preferencia para difundir desde los poros hacia el exterior. El avance que representa el haber logrado inducir una selectividad de forma es evidente, pues en catálisis es importante no sólo lograr que el proceso de transformación de una sustancia en otra se acelere, sino también que éste sea lo más selectivo posible, pues así se facilita el aislamiento y la purificación del producto final.
El pequeño tamaño de poro que presentan las zeolitas puede en ocasiones ser una desventaja, pues impide su utilización en reacciones donde las moléculas sean más grandes que dicho tamaño de poro. Como consecuencia, numerosas investigaciones actuales se dirigen a la síntesis de zeolitas con un diámetro de poro superior al de las zeolitas convencionales y que, por tanto, permitan el acceso a un mayor número de moléculas. Otro reto importante consiste en desarrollar zeolitas capaces de distinguir entre moléculas que sean imágenes especulares no superponibles (isómeros ópticos), es decir que teniendo igual composición, tamaño y forma, difieren en su orientación espacial. Es como si la zeolita pudiese diferenciar entre nuestras dos manos, que aun siendo iguales, no son superponibles sino imágenes especulares (así un guante de la mano derecha no podemos ponérnoslo en la izquierda). El material podría, por tanto, reconocer únicamente a una de ellas y hacer que fuese ésta la que reaccionase selectivamente. La importancia de este hecho en farmacología es indudable, pues en muchas ocasiones sólo uno de los isómeros ópticos es efectivo como fármaco, pudiendo ser el otro inactivo o incluso perjudicial. Un ejemplo de este tipo de zeolitas, sintetizada por investigadores pertenecientes a la Universidad de Estocolmo (Suecia) y al Instituto de Tecnología Química de Valencia (UPV-CSIC), es la representada en la Figura 4.9.
En definitiva, es evidente que a la hora de desarrollar nuevas zeolitas con funcionalidades específicas, es necesario controlar el tamaño, la forma, la uniformidad y la periodicidad de los poros. La incesante investigación en esta área está permitiendo no solo incrementar el tamaño de poro en las zeolitas sino sintetizar otros materiales, por ejemplo, los materiales mesoporosos ordenados, que se caracterizan por disponer de un sistema ordenado de mesoporos con una elevada superficie.
Si pensamos en la ingente cantidad de dinero que mueven ciertas empresas, como las petroleras, las farmacéuticas o las de automoción, está clara la importancia que en términos monetarios representa el desarrollo de materiales con una actividad mejorada respecto a los catalizadores convencionales. Así por ejemplo, si se lograse una mejora de un 1% o 2% en la producción de gasolina, las empresas que refinan petróleo aumentarían enormemente sus beneficios. Este hecho, por sí solo, bastaría para explicar el gran interés que despiertan los avances que se van produciendo en investigación relacionados con el campo de la catálisis.
El mundo de los nanocatalizadores no se reduce únicamente a los materiales nanoporosos, sino que se extiende también a otros nanomateriales, originando un campo muy relevante en la investigación actual: la nanocatálisis. Un ejemplo típico de un nanomaterial que presenta una enorme importancia en la catálisis de diversos procesos son las nanopartículas metálicas, que serán descritas en el Capítulo 6.
De una manera general, las principales aplicaciones de los nanocatalizadores están relacionadas con la síntesis de productos químicos, como fármacos o cosméticos, el refinado del petróleo y la protección del medioambiente. En este último caso, destaca el desarrollo de nanocatalizadores que sean aplicables a la industria de la automoción y que permitan reducir las emisiones de sustancias altamente perjudiciales para el medioambiente, como el monóxido de carbono o los óxidos de nitrógeno, convirtiéndolos en productos inocuos. Las consideraciones medioambientales también hacen que en el diseño actual de procesos industriales se tienda a sustituir los catalizadores convencionales por otros que sean inofensivos para el medioambiente, tanto en su fabricación, como en su uso y posterior reciclado. Nos encontramos de nuevo ante la necesidad de dirigir nuestros esfuerzos al desarrollo de procesos que se encuentren en consonancia con una química verde, que permita un desarrollo sostenible.
4.6. Materiales biomiméticos o bioinspirados
A lo largo del presente capítulo se ha realizado un breve recorrido por una serie de materiales que están siendo sintetizados actualmente con el objetivo de dar respuesta a las diversas necesidades que van surgiendo en nuestra sociedad. Sin embargo, no está de más recordar que muchos de ellos no son el resultado de una auténtica invención, sino que para sintetizarlos se ha buscado inspiración en el mundo natural que nos rodea. Este tipo de materiales sintetizados por el hombre, pero basados en ideas obtenidas de la naturaleza, reciben el nombre de materiales biomiméticos o bioinspirados, y constituyen una interesante línea de investigación seguida por numerosos laboratorios de todo el mundo.
Así, por ejemplo, tomando como maestra a la naturaleza se han desarrollado materiales altamente hidrofóbicos, es decir, que repelen el agua. Para ello es posible inspirarse en las hojas de loto (Figura 4.10.A), pues se caracterizan por presentar esa misma propiedad. En una hoja de loto, el agua no se extiende sobre toda su superficie, sino que permanece formando gotitas esféricas que acaban resbalando hasta caer, arrastrando con ellas la suciedad. De esta manera, la hoja no solo no se moja sino que se «autolimpia» por efecto del agua. La importancia que tendría disponer de materiales que presentasen este mismo comportamiento frente a los líquidos es innegable. Podrían fabricarse, por ejemplo, camisas que fuesen inmunes no sólo a la lluvia sino a las manchas de vino o parabrisas que permaneciesen secos y limpios independientemente de las condiciones meteorológicas. Sin embargo, para poder llegar a obtener materiales que reproduzcan las propiedades de las hojas de loto, es necesario comenzar estudiando cuál es su composición y su estructura.
Al visualizar mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) una de estas hojas se observa que está formada por micromontículos (Figura 4.10.B) y, si nos acercamos más, puede verse como éstos, a su vez, se encuentran recubiertos de nanopelos (Figura 4.10.C). La combinación de estas micro y nanoestructuras dota a la hoja de una rugosidad que, junto con la hidrofobicidad intrínseca aportada por la presencia de sustancias de tipo cera en su superficie, va a ser la responsable de minimizar su contacto con el agua. Entre los numerosos intentos que se están realizando para mimetizar la estructura de la hoja de loto comentaremos el desarrollado por K. Lau y colaboradores que han utilizado bosques de nanotubos de carbono como base para obtener materiales superhidrofóbicos.
En la Figura 4.10.D puede verse una imagen de SEM de una superficie recubierta con nanotubos de carbono alineados verticalmente donde se ha controlado tanto el diámetro como la longitud de los nanotubos de manera que se genere una superficie uniforme. Estos nanotubos son recubiertos con un polímero, el politetrafluoroetileno (PTFE), que se caracteriza por su impermeabilidad. La combinación de estos dos elementos, los nanotubos de carbono y el PTFE, permite mimetizar las micro(nano)estructuras y la composición cérea de la hoja originando superficies con una altísima hidrofobicidad, como demuestra la Figura 4.10.E, donde puede verse lo que ocurre al añadir una gota de agua sobre la superficie creada artificialmente. La gota adopta una forma esférica para intentar minimizar el contacto con la superficie hidrofóbica.
Otros materiales bioinspirados destacables son aquellos basados en ciertos biocomposites naturales fabricados por organismos vivos y que desempeñan una función protectora, como son los exoesqueletos de moluscos, insectos o crustáceos. La concha de un molusco presenta una estructura formada por láminas de aragonito (carbonato de calcio) que se encuentran cohesionadas gracias a la presencia de ciertas proteínas que hacen las veces de pegamento. El material híbrido orgánico-inorgánico resultante presenta interesantes propiedades, destacando su gran resistencia a la rotura. Si nos fijamos en cómo está constituido este material, podremos tomarlo como base para sintetizar artificialmente un material similar; lo que se logrará, al igual que ocurría en el caso de las hojas de loto, mimetizando la jerarquía existente entre los diferentes componentes de los materiales naturales.
FIGURA 4.10. A). Fotografía de hojas de loto. B) y C) Imágenes de SEM de distinta resolución de una hoja de loto. Adaptado con permiso de Nanotechnology n.º 17, pp. 1359-1362, 2006. IOP Publishing. D) Imagen de SEM del material biomimético generado utilizando nanotubos de carbono alineados verticalmente funcionalizados con un polímero. E) Imagen que permite observar el comportamiento de la superficie biomimética frente al agua. Adaptado con permiso de NanoLetters n.º 3, n.º 1701-1705. Copyright 2003 Sociedad Americana de Química.
Otro ejemplo similar es el desarrollado por D. Ingber y J. G. Fernández, de la Universidad de Harvard (EE.UU.). Estos investigadores han desarrollado un material, denominado Shrilk, que mimetiza la cutícula de los insectos no solo en composición sino también en arquitectura; y que, por tanto, presenta unas propiedades similares a ésta. Es decir, además de ser biocompatible y biodegradable, presenta una gran resistencia, una gran dureza y una baja densidad. Todo ello lo hace idóneo como sustituto de determinados plásticos o para ser utilizado en aplicaciones médicas. Tanto su bajo precio como su propio nombre derivan de que los materiales de partida son polisacáridos de quitosano aislados de cáscaras de gambas (shrimp shells) y proteínas derivadas de la seda (silk).
Los ejemplos mencionados nos permiten hacernos una idea de lo útil que puede ser mirar a nuestro alrededor y estudiar la naturaleza. Este estudio resulta cada vez más asequible a nuestras posibilidades, pues hoy en día disponemos de multitud de modernas técnicas de análisis que nos permiten acceder a la estructura más íntima de los materiales. Así, aprendiendo de lo que en la naturaleza se ha ido perfeccionando a lo largo de millones de años de evolución, podremos conseguir fabricar materiales que cada vez serán más sofisticados y sobre los que, desde nuestro mundo macroscópico, podremos tener un control a nivel nanométrico que a su vez nos permita influir en las propiedades resultantes del material.
4.7. Los nanomateriales y la vida diaria: los beneficios y riesgos de lo «nano»
A la vista de lo expuesto hasta el momento, es innegable la gran diversidad de potenciales aplicaciones que es posible desarrollar utilizando como base nanomateriales, tales como el grafeno, los fullerenos, los nanotubos de carbono, los nanocomposites o las nanopartículas metálicas. Sin embargo, a su vez, es evidente que existe una considerable distancia entre los avances realizados en un laboratorio de investigación y su aplicación industrial, llegando a transcurrir a veces largos periodos de tiempo entre uno y otro. No obstante, como se mostrará posteriormente, ya existe una gran cantidad de productos que incorporan algún nanomaterial en su diseño. Estos nanoproductos abarcan desde el deporte hasta la alimentación, pasando por la industria textil y la cosmética. Por tanto, no cabe ninguna duda de que la nanotecnología ya está presente en nuestras vidas.
En paralelo a esa progresiva implantación de la nanotecnología en los productos de consumo, se están alzando algunas voces de alarma que advierten sobre los riesgos que puede conllevar su fabricación y su uso. De hecho, es evidente que los importantes avances que se están produciendo actualmente deben ir acompañados por estudios que evalúen el riesgo potencial en la salud y en el medioambiente que entraña el uso de esta nueva tecnología, basada en el control y la manipulación de la materia en la escala nanométrica. Por tanto, resulta imprescindible desarrollar y aplicar una normativa legal rigurosa, pero que a la vez evite un alarmismo infundado cuando la inocuidad de un producto se haya probado. A este último punto también ha de contribuir una formación adecuada de los consumidores en los temas relacionados con la nanotecnología, como ya se está impulsando desde Europa y Estados Unidos. Estos aspectos normativos y educativos serán comentados en detalle en el Capítulo 8, donde reflexionaremos sobre los diferentes aspectos que inciden en la percepción social de la nanociencia y la nanotecnología.