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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
NANOTECNOLOGÍA PARA ELABORAR PELICULAS AGRÍCOLAS NANOESTRUCTURADAS Y SU USO EN
DIVERSOS CAMPOS
CASO DE ESTUDIO
PRESENTADO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE:
ESPECIALIZACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
OPCIÓN: AGROPLASTICULTURA
AC ftRO
2 OCI 7'3
PRESENTA:
.R EC1' ING. JOSE ENRIQUE CARRASCO FLORES
SALTILLO, COAHUILA OCTUBRE 2013
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
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NANOTECNOLOGÍA PARA ELABORAR PELICULAS AGRÍCOLAS NANOESTRUCTURADAS Y SU USO EN
DIVERSOS CAMPOS.
CASO DE ESTUDIO
PRESENTADO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE:
ESPECIALIZACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
OPCIÓN: AGROPLASTICULTURA
PRESENTA:
ING. JOSE ENRIQUE
- CENtRO DE I Ó
FLORES 2 OCT 2ü3
R EcIB1rQ
PhD. R,/Hugo Lira
SALTILLO, COAHUILA OCTUBRE 2013
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
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NANOTECNOLOGÍA PARA ELABORAR PELICULAS AGRÍCOLAS NANOESTRUCTURADAS Y SU USO EN
DIVERSOS CAMPOS.
CASO DE ESTUDIO
PRESENTADO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE:
ESPECIALIZACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
OPCIÓN: AGROPLASTICULTURA
PRESENTA:
ING. JOSE ENRIQUE CARRASCO FLORES 2 OC
l"0 EVALUADORES:
arraéne\
M.C. yantiago Sánchez
SALTILLO, COAHUILA OCTUBRE DE 2013
CONTENIDO
Pagina
Índice de figuras 11
Dedicatoria iv
Agradecimientos y
Resumen vi
Introducción 1
Planteamiento y justificación 3
Objetivo general 4
Alcances de la propuesta 5
Antecedentes 9
¿Qué es una nanoestructura? 10
¿Qué son los materiales nanoestructurados 10
Nanocompuesto 11
Importancia de la nanotecnología 13
Historia de la nanotecnología y la nanociencia 14
¿Qué es la nanotecnología? 15
Clasificación de la nanotecnología 16
Escalas de la nanotecnología 17
Conceptos y fundamentales de la nanotecnología 17
Nanoparticulas 24
Nanopartículas de almidón 32
Propiedades de las nanopartículas 33
Nanoparticulas en la agroplasticultura 34
Propiedades ópticas de las películas plásticas nanoestructuradas para cubiertas
en Invernadero 36
Aplicación de los nanocompuestos en la agricultura 38
Uso de películas nanoestructuradas en el empaque 47
Aplicación de la nanotecnologia en la industria 47
Aplicación de la nanotecnología en la medicina 49
Otras aplicaciones 53
Panorama de la nanotecnología en el mundo 56
Aplicaciones de la nanotecnología en el medio ambiente 56
Riesgos de la nanotecnología en el medio ambiente 59
Áreas de oportunidad 61
Conclusiones 63
Referencias 65
INDICE DE FIGURAS.
Pagina
Figura 1. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas
estructuras como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo humano 5
Figura 2. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica
nanoestructurada conteniendo nanoalambres o nanohilos 7
Figura 3. Película plástica nanoestructurada con alambres ferromagnéticos que tienen
la capacidad de atraer e inmovilizar pequeñas cantidades de nanomateriales de forma
local en los nanohilos o nanoalambres magnéticos 8
Figura 4. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la
nanotecnología en diversos aspectos de la agricultura moderna. 10
Figura 5. Interacciones de la nanotecnología con diferentes disciplinas, así como con
el área biológica y de ingeniería mecánica, de materiales y eléctrica 16
Figura 6. Esquema que ilustra y compara la escala manométrica con la micrométrica 17
Figura 7. Modelo de pamam (poliamidoamina) dendrímero y las escalas
nanométricas. 18
Figura 8. La gripe aviar es causada por la cepa H5NI de la misma familia de virus
que causa el resfriado común, la cual tiene escala nanométrica. 19
Figura 9. Nanoalambres que sirven, entre tantos usos a nanoprocesadores que
posibilitan la telefonía celular 19
Figura 10. Los Nanotransportadores están siendo usados para aplicaciones
biomédicas 21
Figura 11. Nanoparticulas que pueden ser utilizadas para matar cierto tipo de células
utilizando campos magnéticos o para reforzar la respuesta del organismo a
infecciones 22
Figura 12. Diagrama conceptual de nanotubos de carbono utilizados como
transportadores de proteínas y sistemas de entrega y conducción de fármcos para
combatir el cáncer. Se muestran las típicas dimensiones de longitud, ancho y
distancia de separación entre las capas de grafeno. 23
Figura 13. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus
causantes de gripas (flu) y graves enfermedades como el HIV o Sida. 25
Figura 14. Nanopartículas de oxido de aluminio (A1203) con un tamaño promedio en
el rango de 20 a 60 nm. 26
Figura 15. Nanopartículas de plata antiolores pueden ser incorporadas en playeras de
algodón (Layani, et al. 2012) 27
Figura 16. Nanopartículas de plata funcionalizadas con tiocarboxilato sintetizadas y
caracterizadas en términos de sus propiedades térmicas y eléctricas. 28
Figura 17. Nanopartículas de plata combinadas con nanocobre, las cuales vienen
siendo usadas en tubos del condensador, mezcladoras de baño, en filtros de secado en
refrigeración, en paredes internas de refrigeradores, etc 31
Figura 18. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de
NPs de Fe304 en plantas de calabaza. 39
Figura 19. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de
cristales de ADN que tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden
unirse a otra molécula de una manera organizada. 40
la
Figura 20. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que
recibieron el tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron más rápido 41
Figura 21. Fiorikan NANO 16-5-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene
nanopartículas 42
Figura 22. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy significativo
como bactericida contra Paramecium caudatum 46
Figura 23. Empleo de la nanotecnología para la entrega y liberación de fármacos en
un punto específico del cuerpo humano donde se tiene un tumor activo y maligno 51
DEDICATORIA
Conviene que yo declare las señales y milagros que el Dios Altísimo ha hecho
conmigo. Daniel 4:2
A Dios gracias por darme la oportunidad de terminar la especialidad de
agroplasticultura
A mi esposa Juana María Bocanegra Malacara por su apoyo incondicional para la
terminación de mis estudios, Gracias. Te amo
A mis hijos Juan Enrique y Nissi Johanna. Jocabed por ser mi impulso para superarme
día a día. Gracias los amo
A mi padre Raúl Carrasco López y mi madre Jacinta Flores Granados por ser un
ejemplo y apoyo invaluable en mi vida. Gracias
A mis hermanos Rosa Elva, María Elena, Raúl, Mario Alberto, Jorge Alfonso, Blanca
Patricia e Hilda Alicia, Sergio Arturo, que sin ellos mi vida no estaría completa Gracias
iv
AGRADECIMIENTOS
A mis maestros por sus conocimientos y ejemplo
A mis compañeros Pedro, Eriberto, Elva y Yesy por su amistad y apoyo
A mis compañeros de la biblioteca José Luis, Uriel y Patricia, por su ayuda en mis
tareas,
A Ángel Montes, Jaime, Eleazar, Raymundo, Enrique, Román, Gerardo, Fátima,
Nadia, Gorgonio, Adriana, Luz maría Adriana, David y Ángel Vargas
A mi asesor Dr. Hugo Lira y los evaluadores Dr. Luis Ibarra, y M.C. Santiago Sánchez
A más de un compañero que conviví con ellos.
Al CIQA y todo su personal que hicieron posible que terminara mis estudios
GRACIAS
y
NANOTECNOLOGIA PARA ELABORAR PELICULAS AGRÍCOLAS
NANOESTRUCTURADAS Y SU USO EN DIVERSOS CAMPOS.
RESUMEN
Al hablar de nanotecnología es hablar de partículas de tamaño pequeñísimo, de la
millonésima parte de un milímetro. La nanotecnología a tenido incursión en todas las ramas
de la ciencia, en el sector agrícola, industrial, de la medicina de las comunicaciones etc.
Algunos trabajos que se han hecho en esta área son:
En la agricultura En el CIQA se realizó un trabajo sobre cubiertas de invernadero,
usando el polietileno como cubierta añadiendo el copolímero etileno alcohol
vinilo(EVOH/arcilla), obteniéndose resultados favorables ya que estas nanopartículas opacan
la radiación infrarroja actuando como un filtro para solo entre la RFA que es necesaria para la
fotosíntesis y se redujo la transmisión de luz de 90% a 77% en promedio, evitando que la
radiación UV llegue en menor porcentaje al cultivo (Montes, 2011).
Otro experimento en la agricultura son los nanotubos de diversos materiales han venido siendo
utilizados en la agricultura para promover el crecimiento de plantas (Figura 20), en la cual se
puede apreciar que el agua en el recipiente de la derecha es negro debido al contenido de los
nanotubos y la planta de tomate que germinó y creció en el interior del recipiente es más
grande que la de la izquierda, que no fue expuesta a los nanotubos. Estos resultados han sido
generados por investigadores de la Universidad de Arkansas en el Centro de Nanotecnología
de Little Rock, USA, quienes han descubierto que la exposición de las semillas de tomate a los
nanotubos de carbono hace que las plantas de tomate crezcan más rápido (Khodakovskaya et
al., 2009). Ellos describen los resultados aunque siendo preliminares, sugieren que los
nanotubos de carbono podrían ser una bendición para la agricultura y las industrias de
biocombustibles y dar lugar a nuevos tipos de fertilizantes con nanocompuestos.
En la medicina El uso de esta imagen (todavía a nivel académico) en un marco clínico
relevante puede ser útil para la lucha contra el cáncer, pero es un desafío científico y
vi
tecnológico. Ya se han identificado estrategias nano terapéuticas que están diseñados para
aumentar la eficacia y al mismo tiempo reducir al mínimo los efectos secundarios tóxicos
asociados comúnmente con quimioterapias de cáncer (Heath y Davis, 2008)
En la industria.La Universidad de Texas desarrolló una tela a base de nanotubos de
carbono que es 17 veces más resistente que el kevlar(actualmente usado para fabricar los
chalecos antibalas) y que puede conducir carga eléctrica, lo que permite activar equipos
electrónicos, como teléfonos celulares, etc. El usuario puede generar electricidad mientras se
mueve, sin embargo es claro, que dependiendo del valor de la corriente eléctrica que pase por
un cuerpo humano, siempre causa algún efecto directo en la salud (Geranio et al., 2009).
vii
NANOTECNOLOGÍA PARA ELABORAR PELICULAS NANOESTRUCTURADAS Y SU USO EN DIVERSOS CAMPOS
INTRODUCCION
La nanotecnología (NT) representa una de las más novedosas innovaciones científicas,
y en muchos sentidos, la de mayor alcance en lo referente a la alta tecnología para la
agricultura y los alimentos frescos. Se estima que en la actualidad en todo el mundo hay más
de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado y se prevé que para el año 2015
la NT se utilizará en el 40% de la industria alimentaria.
La agricultura es un área donde las nuevas tecnologías se aplican para mejorar el
rendimiento de los cultivos. Nano agricultura implica el empleo de nanopartículas (NPs) en la
agricultura, considerando que estas NPs impartirán algunos efectos beneficiosos para los
cultivos. La aparición de la NT y el desarrollo de nuevos nanodispositivos y nanomateriales
abren nuevas aplicaciones potenciales en la agricultura y la biotecnología. Las NPs son
materiales que son lo suficientemente pequeños como para caer dentro del rango nanométrico
(10 v a 101), teniendo sus dimensiones de menos de unos pocos cientos de nanómetros. Estos
materiales pueden ser usados para liberar pesticidas o fertilizantes en un momento y
orientación específico. Logrando de estas manera aplicar sustancias en aéreas muy localizadas
que podrían reducir el daño a otros tejidos de la planta y a la vez en cantidades pequeñas
reduciendo así el efecto adverso al medio ambiente (Srilatha, 2011).
Las nanopartículas (NPs) son de gran relevancia en la investigación científica, debido a
que tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos biomédico,
biológico, óptico y electrónico, entre otros. El uso principal de las NPs en la industria
alimentaria se debe a su actividad antimicrobiana, por ejemplo el dióxido de titanio, es un
colorante alimentario que puede utilizarse como barrera de protección en el envasado de
alimentos o las NPs de plata utilizadas como agentes antimicrobianos en los paneles de los
refrigeradores y frigoríficos, así como en los recipientes de almacenamiento, líneas de
envasado y otras superficies destinadas a entrar en contacto con los alimentos. Las NPs
1
orgánicas se emplean principalmente para mejorar el valor nutritivo de los alimentos,
utilizándose como vehículo para la liberación de vitaminas y otros nutrientes (nanocápsulas).
Mediante la NT se elaboran nanopartículas NPs metálicas y de polímeros capaces de
unirse a bio macromoléculas específicas que son de interés significativo, ya que las NPs
pueden ser utilizadas como aditivos de películas plásticas para bioespacios en agricultura
protegida, para empaques plásticos de alimentos, así como para elaborar materiales
funcionales de bajo costo y estables para la medicina, para direccionar los fármacos a sitios
específicos, para usarse en biosensores, en diagnóstico y como antimicrobiales de toxinas,
bacterias, hongos y virus (Adner et al., 2013).
El enfoque no biológico de las NPs crea posibilidades muy diversas con gran potencial
en numerosas actividades del ser humano, incluyendo los envases plásticos y películas de
polietileno (PE) nanoestructuradas para usos diversos. Recientemente, este enfoque se ha
extendido a objetivos biológicamente interesantes, incluyendo péptidos y proteínas. Las
condiciones relativamente sencillas de polimerización por precipitación utilizando acrilamidas
tales como N-isopropilacrilamida han sido óptimas para la impresión biomacromolecular
(Hoshino et al., 2008).
Con el fin de fabricar películas de plástico opcionales a las existentes, en la última
década se ha dado un gran impulso a la elaboración de nanocompuestos de PE modificado con
una gran variedad de materiales como el ácido metacrilato reforzado con nano oxido de titanio
(nano-Ti02), así como con arcillas, zinc, cobre, plata, oro y otros materiales.
Estas nuevas películas nanoestructuradas han modificado notablemente sus
propiedades mecánicas y ópticas, resultando en muchas ocasiones mejores que las elaboradas
con PE tradicional. Por ejemplo, se ha demostrado que empleando como aditivo nano-Ti02 al
PE, el módulo de tensión se incrementó hasta un 40% con la adición de 5% de ese
nanocompuesto, mientras que la deformación y/o elongación del material se redujo debido a la
disminución en la movilidad de las cadenas del PE por la presencia del nano-Ti02. La
resistencia a la tensión muestra un efecto reforzante de 15% con un contenido de 3% de nano-
Ti02, indicando esto la buena interacción entre los grupos funcionales del PE por la presencia
del nano-Ti02. Los resultados de espectroscopia UV también mostraron que la incorporación
2
de las NPs de nano-Ti02 disminuyen en aproximadamente 85% la transmitancia en los
materiales de nanocompuestos con respecto al polímero base, esto debido a la alta capacidad
de absorción de la luz UV que presentan las NPs de Ti02( Valdez-Garza et al., 2009). Es decir,
el nanocompuesto es factible para la fabricación de diversos productos poliméricos incluyendo
películas para emplearse en embalaje y posiblemente en acolchado para suelos, túneles,
microtúneles e invernaderos.
Es a inicios de! siglo XX cuando se desplegó una amplia información sobre
calefacción, riego y fertilización en invernaderos. En Holanda se desarrollaron gradualmente
invernaderos para un mejor uso de los cultivos, hasta que en 1937 se construyó el invernadero
Venlo a base de acero y crista!, el cual podía ser utilizado para diferentes cultivos. Es a partir
de la Primera Guerra Mundial cuando aparecen los plásticos y con ellos su uso en la
agricultura, utilizando materiales a base de PE, poliestireno o PVC. A partir de la Segunda
Guerra Mundial aparecieron los plásticos rígidos como el poliéster en USA y Europa (Enoch
et al., 1999). En los últimos años se ha incorporado los plásticos a la agricultura con buenos
resultados, la inserción de NPs de acilla, oro, plata, cobre, aluminio, almidón, etc., han
mostrado que confieren a las cubiertas de invernadero plásticas propiedades deseables para el
mejor desarrollo del cultivo y como consecuencia una mejor producción.
PLANTEAMIENTO Y JUSTIFICACION
Mundialmente se vienen realizado novedosos trabajos de investigación con la finalidad
de producir películas de PE para invernaderos y túneles que contengan ciertos aditivos que
permitan bloquear luz UV para lograr una mayor vida útil de la película, además se aplican
otros componentes para conseguir mayor transmisión de luz difusa y PAR, así como conferir
propiedades térmicas, antigoteo y otras más (Agam y Guo, 2007). La producción de hortalizas
para exportación bajo condiciones de agricultura protegida en las áreas de trópicos húmedos es
extremadamente vulnerables a estreses abióticos como temperatura, humedad, flujo de aire,
etc., por lo que se deben formular y fabricar películas que impidan o minimicen el efecto
adverso de esos factores y los bióticos como los causados por mosquita, trips, áfidos, etc.
3
A la fecha, la población mundial que está demandando alimentos es de 6,768 millones
y de acuerdo con proyecciones de estadísticas la población continuará creciendo hasta el 2050
(http://www.census.gov/main/www/poclock.html) sin embargo, la superficie de siembra se ha
estancado debido a que ya no existen más áreas que se estén abriendo a la agricultura, por lo
que deberemos incrementar la eficacia en el uso de los recursos para aumentar la
productividad agrícola bajo condiciones de agricultura protegida en bioespacios, incluyendo
invernaderos, túneles, casasombras, etc.
La situación económica actual y la incógnita del futuro han resultado ya en un número
record de productores hortícolas fuera del negocio. Tiempos de estrés y de grandes cambios se
están viviendo. En el horizonte, algunos eventos prometen traer más complicaciones. Entre
ellos la utilización de invernaderos de alto costo para la producción de hortalizas, los cambios
ecológicos empujados por el calentamiento global, la contaminación y las enfermedades
patogénicas detectadas en la población por el consumo de hortalizas contaminadas(Costa et al
2002). Debido a eso, se deben promover innovaciones y desarrollos tecnológicos que nos
permitan ser más competitivos mediante bioespacios y agrosistemas de producción
sustentables para condiciones de horticultura protegida que sean más amigables con el
ambiente y más efectivos para utilizar la radiación PAR (Izaguirre et al., 2007)
OBJETIVO
Compilar información reciente relacionada con los nuevos materiales poliméricos que
pueden ser empleados en numerosas aplicaciones de envasado y embalaje, así como en la
agricultura protegida, los cuales a través de la formulación con nanopartículas de diferente
naturaleza, producen un mejoramiento sustantivo, no solo en lo que se refiere a la durabilidad
de los materiales y sus características ópticas y de transmisión de la radiación solar, sino
también, porque es posible utilizarlos para reducir la presencia de insectos, hongos y bacterias
causantes de graves enfermedades en los cultivos agrícolas.
4
ptcomtr
NnothrcIog Comparior
ALCANCES DE LA PROPUESTA
La investigación con materiales plásticos nanoestructurados se fundamentan en la inserción de
NPs inorgánicas en películas de PE que impidan o mejoren el paso, según el tipo de partículas
de radiación UV, campos magnéticos, etc., sin alterar la transparencia de los mismos (Buzea et
al.,2007). En el CIQA se ha venido trabajando en la formulación de películas para invernadero
coextruídas, donde una de las capas tiene nanopartículas exfoliadas.
Las nanopartículas actúan como filtros para controlar la longitud de onda incidente y
de esta forma se controla la temperatura y la radiación solar. La escala nanotecnológica se
representa en la Figura 1, en la cual se pone en perspectiva diferentes tamaños de partículas y
estructuras.(http://www. google.com/imgres?imgurlhttp ://www.terressentials.com/uploadedj
mages/NANO_SCALE-Illustration).
e .1 DUA
Figura 1. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas estructuras
como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo humano.
También en las aplicaciones de acolchados plásticos se ha explorado el uso de NPs,
que encapsulan nutrientes dentro de la película y los liberan de manera progresiva durante su
aplicación, o bien se pueden incorporar nanopartículas de plata que pueden tener una acción
bactericida o fungicida, reduciendo así el efecto adverso de microorganismos patogénicos que
afecten el sistema radicular de las plantas.
5
Con la utilización de las diferentes películas para invernaderos y mallasombras
conteniendo nanopartículas en su formulación que les proporcionen mayor fuerza tensil
resistencia (Nagalingam et al., 2010), se pueden reducir costos e incrementar
significativamente los rendimientos unitarios de manera competitiva a los sistemas de
producción de invernaderos que con películas de plástico tradicional, logrando en la mayoría
de los casos menor costo energético y mayor rentabilidad por tonelada producida así como
mayor durabilidad de los materiales empleados.
En relación con las películas de plástico para usos diversos, (Fragouli et al., 2010)
presentó una técnica sencilla para la formación de un campo magnético inducido, así como el
montaje y el posicionamiento de nanocables magnéticos en una película de polímero. A partir
de una solución de nanopartículas de óxido de polímero fundido / hierro que se dejaron secar
películas de nanocompuestos junto con la aplicación de un campo magnético débil, que al
estar alineados se obtienen nanocristales construidas con matrices de nanoalambres o
nanohilos (Figura 2).
El control de las dimensiones de los nanocables y de su localización a través de la
matriz del polímero se logra mediante la variación de la duración del campo magnético
aplicado, en combinación con la dinámica de evaporación. Estas películas plásticas
multifuncionales anisotrópicas conteniendo nanocompuestos muestran alta anisotropía
magnética, lo cual les permite que se puedan utilizar en un amplio campo de aplicaciones
tecnológicas, que van desde los sensores y dispositivos para microfluidos magnéticos, hasta
para usarse en agricultura.
r.i
Figura 2. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica nanoestructurada
conteniendo nanoalambres o nanohilos.
Más recientemente los resultados de (Fraguoli et al., 2013) señalan que desarrollaron
un método para crear, alinear, y localizar cables magnéticos a lo largo y en la superficie de las
matrices de polímero modelado, después del transporte magnetoforético y auto-ensamblaje de
NPs ferromagnéticas bajo un campo magnético estático durante la fotopolimerización de láser
emitidos por soluciones del monómero/nanopartícula (Figura 3). Las películas resultantes
tienen la capacidad de atraer e inmovilizar pequeñas cantidades de nanomateriales magnéticos
de forma local en los hilos ferromagnéticos, como quedó demostrado por un estudio detallado
de microtopografia.
Estudios magnéticos sobre las películas antes y después de la deposición espontánea,
demuestran que los nanomateriales depositados alteran significativamente el carácter
magnético del sistema de plástico, haciendo así posible su identificación macroscópica. Esto
ofrece la posibilidad de realizar dispositivos de detección basados en materiales híbridos con
propiedades magnéticas.
FA
Magnetic Swa
e
T(K)
Figura 3. Película plástica nanoestructurada con alambres ferromagnéticos que tienen la
capacidad de atraer e inmovilizar pequeñas cantidades de nanomateriales de forma local en los
nanohilos o nanoalambres magnéticos.
A partir de la información colectada de la literatura científica sobre el tema, de trabajo
se ha elaborado un documento que pone en perspectiva la relevancia de las NPs y sus usos
potenciales en la agroplasticultura, haciendo énfasis en su uso respecto a los siguientes
aspectos: (a) paso de la radiación del espectro visible (b) radiación PAR (c) radiación roja y
roja lejana (d) radiación UY (e) potencial de su vida útil en bioespacios (invernaderos,
casasombras, túneles, etc.)
51
ANTECEDENTES
Uno de los aspectos más importantes a considerar cuando se planea construir un
invernadero o casasombra para el cultivo de hortalizas de alto valor económico, es lo relativo a
las películas PE para su cubierta, ya que de ello depende la eficiencia que se puede lograr para
tener un adecuado balance térmico y las condiciones óptimas para el crecimiento y desarrollo
del cultivo (Borisov et al., 2008; Buzea et al., 2007). Los materiales de cubierta más eficaces
en los invernaderos y casasombra son películas de PE que contienen componentes que
absorben la luz UV para prolongar la vida de los materiales, pero manteniendo los niveles de
transmisión de radiación PAR (Costa et al., 2002).
La mayor parte de los invernaderos en México no tienen sistemas automatizados de
enfriamiento y calefacción por lo que el ambiente interior del invernadero, depende
básicamente del tipo de películas de PE que se utiliza como cubierta. Las características
ópticas de la cubierta del invernadero pueden modificar significativamente la calidad de
radiación afectando a los cultivos, principalmente en cuanto a la diferencia del uso de la
radiación (Lamont, 2005). Un problema, al que se enfrentan muchos agricultores que utilizan
invernaderos son las elevadas temperaturas en los meses de verano, lo que provoca numerosos
efectos adversos como: estrés fisiológico, aborción floral, disminución de rendimiento y
calidad de las hortalizas, ennegrecimiento de pétalos en flores de corte, quemaduras en
plántulas y otros más.
Para contrarrestar lo antes señalado los agricultores tienen que utilizar pantallas
metalizadas, mallasombras, sistemas de nebulización o encalar las cubiertas del invernadero,
con el subsecuente incremento en los costos para la adquisición de las mallas y pantallas o la
disminución de la vida útil de las películas de PE, ya que al encalar el plástico se extraen los
aditivos de las películas y se degradan más rápidamente. Otros plásticos modernos contienen
NPs de cobre o plata que confieren propiedades antimicrobiales (Delgado et al., 2013).
¿QUÉ ES UNA NANOESTRUCTURA?
En términos sencillos, nano es un prefijo que significa "enano" y al usarlo en términos
y conceptos denota una amplia gama de fenómenos y objetivos cuyas dimensiones son de una
millonésima parte de un milímetro. Nanotecnología (NT) es el diseño, caracterización y
aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas complejos mediante el control de la forma, el
tamaño y las propiedades de la materia a escala manométrica (1 0 9).La palabra NT hace
referencia a la integración de diferentes disciplinas científicas capaces de crear y desarrollar
nuevos materiales, estructuras funcionales y aparatos a escala manométrica. En la Figura 4 se
muestra un esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la NT en diversos
aspectos de la agricultura moderna (Ghormade et al., 2011).
Detección de: Químicos Biopesticidas Residuos de tiendas Vetetaies (rnetabofltes)
Enfermedades Micinorganismos
E nr so Sun hdaidores
Antibiótinos/sonino
Nano- Entregad
re da iflilCOS
uestiiníentos
Reducción catalítica ación En e Biofertitizantes
Microorganismos fertilizantes
Micronutrientes
Reguladores de Reducción fotocat1ica
depests cidas
Estructura cidos
del suelo nctéicos
Reniediación ADN
Unión de suelo ARNi
Nanoarciltas naturales
Figura 4. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la nanotecnología en
diversos aspectos de la agricultura moderna.
¿QUE SON LOS MATERIALES NANOESTRUCTURADOS?
Los materiales nanoestructurados son una clase general de estos materiales con una
microestructura modulada de cero a tres dimensiones con un tamaño de escala menor de 100
'o
nm. Son materiales con átomos agrupados ordenadamente en agrupaciones de tamaño
nanométrico, los cuales son la base para construir estructuras mayores de este tipo de
materiales. Cualquier material con una dimensión menor de 1 100se considera un material
nanoestructurado. Nos referimos a un material nanoestructurado cuando el material está
constituido por partículas primarias manométricas y presentan una elevada uniformidad
(homogeneidad) de tamaños, estructuras, etc. Estas NPs primarias dan lugar a estructuras
secundarias ordenadas (denominadas nanoestructuras). Los materiales nanoestructurados con
arquitectura controlada pueden ser los siguientes:
Copolímeros de bloque e injerto
Micelas de micro- y compuestos macromoleculares
Polímeros funcionales
Materiales con adición de nanopartículas
Estructuras supramoleculares
NANOCOMPUESTOS
Los nanocompuestos poliméricos, es la mezcla de una matriz polimérica con
inclusiones de partículas: orgánicas o inorgánicas de escala manométrica. Existen tres
categorías básicas de los nanomateriales dependiendo de las dimensiones espaciales del
material: nanopartículas, nanotubos y nanolaminillas (Bharat, 2004). Los nanotubos tienen su
diámetro y espesor de un tamaño nanométrico, pero su longitud puede ser mayor pudiendo
llegar a ser micrométrica (Hiroi et al., 2004). Las nanoarcillas presentan sólo una dimensión a
nivel nanométrico, esto es, tienen forma de láminas de un espesor de un nanómetro
aproximadamente, sin embargo su largo y ancho es de lOOnm a 200 nm (Ray et al., 2003.
Kojima et al,, 1993).
11
Los nanocompuestos son una nueva generación de polímeros emergente en todos los
aspectos de nuestras vidas. Ellos muestran una gran promesa para aplicaciones potenciales
como de alto rendimiento en materiales biodegradables, que son nuevos tipos de materiales
basados en plantas, animales, y otros materiales naturales. Para seguridad de los alimentos,
nano-estructurados será posible evitar la invasión de bacterias y microorganismos, los nano-
sensores integrados en el envase deben alertar al consumidor si un alimento está en mal estado
(Ruixiang et al., 2008).
Las fibras nanoestructuradas compuestas, son las que dieron inicio a la era de los
nanotejidos, estas fibras tienen compuestos de NPs tales como arcilla, óxidos metálicos,
carbono negro, grafito y nanotubos de carbonos. Además este tipo de nanoestructuras, existen
otros tipos de fibras compuestas que son producidas a través de procesos de espuma, y otras
que usan rellenos de tamaño manométricos. Así se aumenta la resistencia mecánica y mejoran
las propiedades fisicas tales como conductividad y comportamientos anti-estáticos.
De esta forma las NPs tienen una mejor interacción con los polímeros y por su gran
área de cubrimiento superficial mejora la interacción entre las moléculas. Al encontrarse en
una escala manométrica el recubrimiento es mayor e interfiere en los movimientos de la
cadena polimérica recibiendo mejor movilidad. Las NPs poliméricas distribuidas pueden
transportar carga, aumentar la resistencia y abrasión. Los tejidos con acabados nanologicos
recién ahora empiezan a llegar al mercado. Estos tejidos no son solamente sintéticos, sino
también vegetales y naturales. Para trabajar en escala nano es posible incorporar cualquier
nanopartícula en las más diversas superficies, manteniendo siempre la misma característica,
propiedad, suavidad, brillo y caída. Un ejemplo común seria el algodón.
A inicios de la década del año 2000, aproximadamente la era nanotecnológica comenzó
a generarse en los laboratorios textiles del mundo y junto con la era de la alta tecnología,
consiguieron un mayor avance en calidad y beneficios. La NT Podría clasificarse en cuatro
grupos por beneficios: a) Estética, permite que las piezas puedan resistir derrames de líquidos
sin ser absorbidos, que no se arruguen y sean anti-manchas.b) Terapéuticos, hidratantes,
prevención de varices y estrías, tonificador muscular y equilibrador molecular. c) Fármacos,
12
administración de vitaminas y remedios: d) Protectores, bactericida, protector de rayos
UVB/UVA, protector contra la polución y gases nocivos (Quintili, 2012).
IMPORTANCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA
La NT es tan importante porque podría tener el potencial para resolver muchos de los
problemas de la humanidad. Si se desarrolla de forma responsable, la nanotecnología podría
resolver problemas en los países más pobres del mundo tan importantes como enfermedades,
hambre, falta de agua potable. Si se desarrolla de forma no responsable, la NT podría ser algo
muy peligroso, permitiendo la fabricación de armas muy pequeñas con una fuerza de
destrucción inimaginable. Algunos expertos creen que su impacto sobre nuestra vida será tan
importante como en su día fue el impacto de la medicina o el impacto de las computadoras
(http
Con ayuda de la NT, en el futuro se podrán lograr los siguientes beneficios:
'Fabricar nuevos materiales como ropa que cambia de color, nuevos adhesivos, nuevos
materiales para la construcción que se autolimpian, robots con capacidad de "ver" y "sentir".
'Nuevas tecnologías de la información, tales como la computación cuántica y microchips
capaces de almacenar trillones de bytes de información en un aparato tan pequeño como la
punta de un alfiler. Avances médicos, incluyendo la administración de medicinas y la
detección y tratamiento de enfermedades como el cáncer. Con la nanotecnología se podrá
construir pequeños "naves sanguíneas" que transportan medicinas directamente al tumor de un
cáncer para destrozarlo.
'Beneficios para el medioambiente como la purificación de agua, sistemas para controlar la
contaminación, nuevas fuentes de energía sostenible, etc.
Este campo de la NT se promueve fundamentalmente por dos aspectos:
Porque permite modificar radicalmente las propiedades de los materiales
conocidos e incluso crear otros nuevos.
13
Porque hace posible maquilar con extrema precisión ciertos materiales.
Las causas de las propiedades de los nanomateriales difieren de las de otros que son el
incremento del área superficial y los efectos cuánticos.Los metales nanoestructurados ofrecen
una resistencia mecánica cuatro o cinco veces mayor que los metales "normales" (Mendoza y
Rodríguez, 2007).
HISTORIA DE LA NANOTECNOLOGÍA Y LA NANOCIENCIA
La NT y la nanociencia (NC) se dio con la idea de utilizar estructuras atómicas
construyendo átomos sobre átomos comenzó con el Dr. Richard Feynman en el año de 1952,
cuando anticipó conceptos que hoy son realidad en las actividades nanotecnológicas.El
nombre nanotecnología (NT) fue atribuido en el año de 1974 por el Prof. Nono Taniguchi de
la Universidad de Ciencias de Tokio, en un artículo publicado con el siguiente título: "NT
consiste en el procedimiento de separación, consolidación y deformación de materiales átomo
por átomo o molécula por molécula".
Durante ese año de 1974 la NT comenzó a crecer con fuerza y condujo a los científicos
más optimistas a trabajar con empeño en distintos temas. La idea de que en algún sentido se
podría tocar los átomos y las moléculas, surgió en la década delos ochenta, cuando estudiosos
apoyados por la teoría propuesta por el Dr. K. Eric Drexler, consiguieron manipular los
átomos y las moléculas. Esto causó una gran controversia de opiniones en su época y dio
motivos para que la justicia interviniera por el temor de que sea usado con intenciones bélicas
o ilícitas.Los finlandeses dieron su gran colaboración a esta nueva ciencia cuando
consiguieron realizar un "proceso de camadas atómicas". Este trabajo hizo que toda la
comunidad científica terminase por aceptar e instaurar definitivamente la NT como una
ciencia del futuro (http://en.wikipedia.org/wiki/Molecularnanotechnology).
Desde entonces el nombre NT, viene siendo utilizado para caracterizar los nuevos
avances tecnológicos desenvueltos por la NC, que tiene por principio, controlar y manipular la
materia en una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. La
NC y la NT, abren un abanico de innumerables posibilidades, para el crecimiento de las áreas
tecnológicas, científicas y económicas de cualquier país que quiera crecer. Ya en los primeros
14
. años de la década de los ochentas hubo una evolución significativa en la NC. Los principales
laboratorios del mundo, tales como el de IBM, BELL, MIT, desarrollaron medios para
visualizar y manipular los átomos y moléculas.
En 1985 los Profesores Kroto y Smalley, cuando estaban realizando experimentos en
los que se trataba de convertir carbono gaseoso en partículas (hollín), fenómeno que se
produce en las estrellas, encontraron unas nuevas estructuras estables de las cuales la más
abundante fue una molécula de fórmula C60 (Carbono sesenta), la cual constituye una nueva
forma de carbono. La estructura del C60 es similar a la de una pelota de fútbol (de ahí el
nombre de futbolanos o buckybolas como también se les conoce). En general, se conoce con el
término de fullerenos(en honor del arquitecto Buckminster Fuller).La importancia del
descubrimiento de estos tipos de moléculas, abrieron ya en el final de los años ochentas, un
nuevo campo de posibles aplicaciones en la elaboración de nuevos tipos de polímeros,
superconductores, estructuras con metales o con otros átomos atrapados dentro de estos
agrupamientos de carbono, así como nuevos catalizadores, productos farmacéuticos y otras
posibles aplicaciones industriales(Quintili, 2012).
¿QUÉ ES LA NANOTECNOLOGÍA?
La NT se define como el campo de las ciencias aplicadas dedicadas al control y
manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos
y moléculas. Para tener una idea de lo que estamos hablando, la medida Nano equivale a 70
mil veces menos que la espesura de un cabello.La NT trabaja claramente con materiales
estructurados en escala manométricas o sea nanoestructuras. Estas nanoestructuras forman
bloques de construcción (building blocics) como clúster, nanopartículas, nanotubos y
nanofibras que a su vez se forman a partir de átomos y moléculas. Manipulando estos bloques
de construcción se forman los materiales y dispositivos nanoestructurados que es el objetivo
central de la NT.La NT tiene gran influencia en muchas áreas del conocimiento humano como
física, química, áreas de la ingeniería, etc., lo anterior se ilustra en la Figura 5.
15
Figura 5.Interacciones de la nanotecnología con diferentes disciplinas, así como con el área
biológica y de ingeniería mecánica, de materiales y eléctrica.
CLASIFICACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA
La nanotecnología se divide en dos tipificaciones, según la técnica de aplicación:
técnicas de arriba hacia abajo (Top-down) y técnicas de abajo hacia arriba (Botiom up). En
el caso de la nanotecnología Top-down, se trata de diseñar y miniaturizar el tamaño de
estructuras para obtener a nanoescala sistemas funcionales en el caso de la producción de
nanoelectrónica (miniaturización de sistemas electrónicos). Y en el caso de la nanotecnología
tipo Botiom-up, se centra en la construcción de estructuras y objetos más grandes a partir de
sus componentes atómicos y moleculares o sea este tipo de nanotecnología es acogida como el
enfoque principal de la nanotecnología ya que permite que la materia pueda controlarse de
manera extremadamente precisa.
Por otra parte se puede clasificar o subdividir la nanotecnología según el ámbito de
aplicación, como seco y húmedo. Esta clasificación se determina según el medio en que
realice y para el cual se genera tal aplicación, el medio puede ser acuoso (nanotecnología
húmeda) y el caso de la ausencia de un entorno húmedo (nanotecnología en seco).La
aplicación de la nanotecnología húmeda va dirigida al desarrollo de sistemas biológicos, éstas
incluyen la manipulación de material genético, membranas, enzimas y otros componentes
celulares, que están inmersos en un medio acuoso. Por parte de la nanotecnología seca, se
resalta como característica su predominante aplicación en el campo de la electrónica y se
16
puede mencionar como ejemplo el magnetismo, dispositivos ópticos y desarrollo de materiales
inorgánicos.
ESCALAS DE LA NANOTECNOLOGÍA
Lo que caracteriza los campos de aplicación de la NT depende de la forma,
procedimiento y fin para lo que se da la manipulación de la materia en la escala Nano (Figura
6). Estos materiales utilizados son llamados nanomateriales, los cuales pueden obtenerse del
medio ambiente con sus características naturales o pueden ser generados de forma sintética a
los cuales se les atribuye características especiales. A su vez los nanomateriales pueden ser
subdivididos en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos.
* .4 4 t 1 1 1 1 iA mm 1011111 lOOnm 1un 1 Otm
W Resolución fl-aflszstor raiior
Nanotutos Litoifica (2003) (19 70)
Figura 6. Esquema que ilustra y compara la escala manométrica con la micrométrica.
CONCEPTOS Y FUNDAMENTALES DE LA NANOTECNOLOGÍA
Las leyes del universo nanométrico de acuerdo con Mendoza y Rodríguez (2007) son
cuando se presentan las siguientes condiciones:
17
Que el intercambio de energía entre átomos y partículas solo puede ocurrir enpaquetes
discretos llamados cuantos de energía
Que las ondas de luz, bajo condiciones, se pueden comportar como partículas (fotones)
Que en algunas circunstancias las partículas se pueden comportar como ondas
Que es imposible conocer al mismo tiempo la velocidad y la posición exacta de una partícula,
cuestión que se conoce como el Principio de incertidumbre de Heinsenberg.
Los cambios en geometría y tamaño de las partículas modifican las propiedades de las
partículas de un tamaño macroscópico a un tamaño nanométrico. Los nanotubos de carbono
presenta propiedades aislantes o conductoras en función de su diámetro Los nanocristales de
material semiconductor emiten luz de color distinto en función del tamaño de dichos cristales.
Dendrímero. Son moléculas tridimensionales, nanoescalares, así llamadas porque las
estructuras semejan árboles con ramas o dendrones (Figura 7) Los dendrímeros son capaces de
alojar, ya sea en las cavidades internas como así también en la superficie, pequeñas moléculas
que después pueden liberarse en momentos, lo que hace prometedores agentes de suministro
de medicamentos y agentes de suministro de perfumes y herbicidas con liberación programada
según un esquema temporal.
a A 1
- —
O» c:4
+: d E
mPXG-Ga-(A2OJ.
,,PEGb$ok(DP.-49) 1
o
1.............. ................ ... .... ....... ...... ÓOC 15V
Figura7. Modelo de pamam (poliamidoamina) dendrímero y las escalas nanométricas.
18
Fago T4. Su diseño está inspirado en los virus, dando vida a una máquina que tiene la
capacidad de colocar sus patas sobre la superficie de las bacterias e inyectarles un determinado
ADN (Figura 8).
H5—N
Figura 8. La gripe aviar es causada por la cepa H5NI de la misma familia de virus que causa
el resfriado común, la cual tiene escala nanométrica.
Nanoalambres. Son nanoestructuras en forma de filamento (Figura 9), recubierto de
receptores biológicos específicos a determinado tipo de microorganismos yio sustancias que al
encontrarse inmerso en un medio celular puede variar su conductividad eléctrica al reconocer
el agente de acuerdo al tipo de receptores en su superficie.
.14Ytc '/
!'
.,v.
Figura 9.Nanoalambres que sirven, entre tantos usos a nanoprocesadores que posibilitan la
telefonía celular.
Nanobiosensores Fotónicos. Están basados en nanopartículas de oro o magnética que
interactúan con los Quantum Dots(puntos cuánticos) de energía de la radiación
electromagnética llamados fotones. Lo señalado por (Erickson et al., 2008) pone de relevancia
19
la utilidad de estos nanobiosensores, ya que los biosensores de última generación tienen
mejoras significativas en la sensibilidad, especificidad y paralelismo con el fin de satisfacer las
necesidades futuras de una variedad de campos que van desde el diagnóstico médico in vitro, y
la detección de patógenos en humanos y plantas. Nanobiosensores que exploran algún efecto
nanoscópico fundamental con el fin de detectar una interacción biomolecular específica, ahora
se han desarrollado a un punto en el que es posible determinar en qué casos sus ventajas
inherentes sobre las técnicas tradicionales (tales como microarreglos de ácidos nucleicos)
pueden compensar la complejidad y el costo añadido que implicó la construcción y montaje de
estos los dispositivos.
Nanobombas. Funcionan direccionalmente a través de nanoporos y nanocanales, han
atraído considerable interés por sus posibles aplicaciones en la nanofiltración, la purificación
del agua, y la generación de energía hidroeléctrica. (Qiu et al., 2011) realizando simulaciones
de dinámica molecular encontraron que un nanotubo de carbono vibración excitado (CNT) en
voladizo puede actuar como una nanobomba eficiente y simple. Las moléculas de agua en el
interior dela misma son impulsadas por fuerzas centrífugas y pueden someterse a un flujo
continuo hasta los extremos libres de la CNT. Más extensas simulaciones muestran que la
función de bombeo tiene no sólo posibilidad para una cadena de agua, sino también para
columnas de agua mayores dentro de los nanotubos de carbono más amplios.
Nanomotores: No es ningún secreto que un nuevo avance en la ciencia y la tecnología
se asocia con las NT. Actualmente la tecnología de los objetos es manipularlos en una
dirección "hacia abajo", pasando gradualmente de los objetos macroscópicos al tamaño
microscópica requerido. En la electrónica, esta forma de miniaturización se ha acercado a sus
límites naturales.Es por eso que el proceso inverso ("hacia arriba")que implica auto-
ensamblaje de átomos y moléculas en una estructura de tamaño nanométrico se vuelve cada
vez más importante. Componentes moleculares pueden mediante la interacción con los demás
elementos, organizar y reunir estructuras supramoleculares. La NT dirigida a la construcción
de estructuras supramoleculares de un conjunto de bloques de construcción molecular es de
gran interés actual.La solución de este problema permitirá abrir una vía para la construcción
de objetos de tamaño nanométrico, materiales nanoestructurados, y nanomotores moleculares
y nanosensores (Yu et al., 2008).
Nanotransportadores: Son de gran eficacia a la hora de transportar fármacos y ADN, lo
que facilita la capacidad de dirigir con precisión un fármaco a la localización deseada en el
cuerpo, tal como la de órganos particulares o células específicas (Figura 10), los cuales tiene
una gran diversidad de aplicaciones en la medicina moderna que emplea la NT. Por ejemplo,
para el tratamiento de enfermedades oncológicas se mejora la eficiencia y la reducción de las
consecuencias negativas causadas a la salud del paciente cuando se aplica la quimioterapia.
Esto puede lograrse mediante la mejora de tratamiento objetivo,cuando no se requiere
invadir a todo el organismo con un coctel de químicos, y ni siquiera un órgano tumoral entero
que se vea afectado, porqué sólo se requiere atacar las células del tumor y por otra parte,
aquellas zonas en las que son más sensibles a los efectos nocivos. El principal problema aquí
es el desarrollo de un procedimiento de entrega del agente medicinal, la complejidad de los
cuales implica no sólo las pequeñas dimensiones del objetivo, sino también la necesidad de
penetrar en la célula con los nanotransportadores (Sobolev, 2013).
Figura 10. Los nanotransportadores están siendo usados para aplicaciones biomédicas.
Nanopartículas: Las nanopartículas (NPs) de metales exhiben características fisico
químicas y propiedades biológicas inusuales, y son de gran interés para muchos campos de la
ingeniería, la medicina, la biología y la tecnología química.Una de las direcciones prioritarias
de los estudios en este campo es la preparación de materiales poliméricos
nanocompuestos(Venediktov, et al., 2012). Estos autores señalan que una NP es una pieza
pequeña de materia (Figura 11), compuesta de un elemento particular o una variedad de
21
elementos. Lo típico es que midan menos de 100 nm, de diámetro. El término puede referirse a
un amplio rango de materiales, incluida la materia en pequeñas partículas que expulsa el tubo
de escape de un automóvil. En los últimos veinte años, las partículas diseñadas con ingeniería
nanotecnológica se fabrican con fines comerciales, con el propósito de sacarle ventaja a sus
efectos cuánticos. Actualmente se están utilizando en fármacos, lubrificantes, tintas,
herramientas, tejidos entre varios otros.
Figura 11. Nanoparticulas que pueden ser utilizadas para matar cierto tipo de células
utilizando campos magnéticos o para reforzar la respuesta del organismo a infecciones.
Nanoshelis. Son nanopartículas que se conforman de una delgada capa metálica
generalmente de oro, de unos 8 a 10 nm que recubre una estructura esférica de silicio de un
diámetro aproximado de unos 100 nm.
Nanocompuestos: Son compuestos de metales, polímeros y materia biológica que
permiten comportamiento multifuncional. Aplicados donde pureza y conductividad eléctrica
importan, como microelectrónica, llantas de automóviles, equipos deportivos como raquetas y
pelotas de tenis, ropa, textiles, antisépticos entre otros.
Los nanotubos. Con el descubrimiento del C60 (carbono sesenta), el Dr. Sumio Lijima y
sus colaboradores descubrieron en 1991 los nanotubo de carbono (Lijima y Ichihashi, 1993)
que es un bloque de construcción constituido por una hoja de carbono enrollada de modo que
conecta sus extremidades formando un tubo, estos revolucionaron la nanotecnología por
mostrar la resistencia mecánica altísima y propiedades para aplicaciones singulares como
22
4 1-2 nm
4 2-25 nm
A
e ZI
.36nm
conductividad eléctrica y térmica. Luego en 1996 Richard Smalley desarrolló un método de
producción de nanotubos de diámetros uniformes y en el 2000, científicos de la universidad de
Rice desarrollaron un método para transformar nanotubos de carbono en estructuras rígidas.
Hasta antes de 1985 se pensaba que solo había dos formas ordenadas de carbono
elemental: el grafito y el diamante. Con el descubrimiento de los fullerenos y de los nanotubos
se inicia una nueva era de nanomateriales y nanoestructuras. Los nanotubos de carbono
(Figura 12) son unas de las estructuras que hoy se consideran como el mayor avance resultante
y de mayor aplicabilidad de la NT (Kam y Dai, 2005). Los nanotubos son 50 a 100 veces más
fuertes que el acero y sólo tienen 1/6 de su peso. En determinados materiales con sólo agregar
0.5% de nanotubos se puede aumentar su funcionalidad biológica y resistencia en 20 veces;
(Kam et al., 2004).
Figura 12. Diagrama conceptual de nanotubos de carbono utilizados como transportadores de
proteínas y sistemas de entrega y conducción de fármacos para combatir el cáncer. Se
muestran las típicas dimensiones de longitud, ancho y distancia de separación entre las capas
de grafeno.
El nanotubo es considerado el gran substituto de] silicio, que actualmente se utiliza en
la fabricación de componentes electrónicos. El gran obstáculo por el cual hoy no sé está
utilizando el nanotubo masivamente, es porque todavía es dificil conseguir fabricar nanotubos
en gran escala para que pueda alimentar la producción industrial. Este tema interesa a muchos
empresarios, ya que las pocas empresas que comercializan este producto lo venden en
23
aproximadamente USE) $60 por gramo. Podernos encontrar en la actualidad aplicaciones de
nanotubos principalmente en la Industria aeroespacial, automotriz, construcción y electrónica
(Quintili, 2012).
NANOPA RÍICULAS
Las nanopartículas (NPs) que se producen a partir de metales como oro, cobre y plata
presentan además características eléctricas, ópticas y microbianas. Estas últimas permiten
visualizar su aplicación efectiva en dispositivos electrónicos, catalizadores, sensores y
productos bactericidas, entre otros. Además su síntesis da lugar a mezclas de diíercntes
tamaños y morfologías. A continuación se explican las más importantes.
Las NPs de oro (Figura 13) pueden calentar un área de mil veces su tamaño; sus
propiedades caloríficas se comprueban en medios como el agua, el hielo y en una lámina de
polímero que consta de un diseño con el que se imitan los materiales presentes en sistemas
biológicos. Sus ventajas radican en que son poco reactivas, poseen una fácil funcionalización
y son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión (Chithrani el al., 2006). Las NPs de oro
que son de aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano, son
extremadamente eficientes en la dispersión de la luz. Por otro lado, las moléculas biológicas
corno los virus son intrínsecamente pobres en dispersar la luz. La agrupación de los virus con
las nanopartículas de oro es la razón por la cual fluctúa la luz dispersa en un patrón prcdccihlc
y medible (Gaiduk el al., 2011).
24
Figura 14. Nanopartículas de oxido de aluminio (A1203) con un tamaño promedio en el rango
de20a60nm.
Las NPs de plata (NPsAg). Una de las grandes ventajas de utilizar plata es que actúa
como agente antimicrobiano, razón por la cual se incorpora para la fabricación de materiales
de envasado, también no guarda olores (Figura 15) además que no presenta problema alguno
de descomposición a las temperaturas de extrusión de los plásticos, sin dejar de mencionar su
volatilidad (Layani et al., 2012). El crecimiento de microbios en los textiles durante el uso y
su almacenamiento afecta negativamente al usuario, así como el propio textil. El efecto
perjudicial pueden ser controlados por una acción antimicrobiana duradera mediante los
textiles con biocidas de amplio espectro o mediante la incorporación de productos biocidas en
fibras sintética durante la extrusión (Gao y Cranston, 2008).
La actitud de los consumidores respecto a la buena higiene y de vida activa, ha creado
un creciente mercado de textiles antimicrobianos, que a su vez ha estimulado la investigación
intensiva y el desarrollo de trabajos con NPsAg. Estos autores reportan que los más recientes
desarrollos en los tratamientos antimicrobianos de textiles están utilizando diversos agentes
bioactivos como plata, sales de amonio cuaternario, el triclosán, el quitosán, tintes y
compuestos N-halamina regenerables y peroxiácidos.
26
Uj
A
50 50
e0
iii I:EIII_ _ 50 0 lOS 2O It) 50 550
PtdI.r fr,, J Pnd I
Figura 15. Nanopartículas de plata antiolores pueden ser incorporadas en playeras de algodón.
Recientemente (Amoli et al., 2012), han venido sintetizando NPsAg funcionalizadas
con tiocarboxilato sintetizadas y caracterizadas en términos de sus propiedades térmicas y
eléctricas (Figura 16). Lo anterior ha resultado en grandes avances, ya que sea logrado por este
método reducir aún más el tamaño de las NPs Los ácidos tiocarboxílicos con longitudes de
cadena de 11 y 3 carbonos se utilizaron para funcionalizar las NPs de plata, lo que lleva a la
formación de NPs más pequeñas que 5 nm.
27
Ag—SR o
NaBH
AgMUA ethess: ANO R—SH 4 Aa—SR + NO ° Ag-MPA Whosis 4NO,- RSH 3 ASR. UO-
Ag—SR
:ASRorASR
(A) STEPI
(B) STEP2 (C)
Figura 16. Nanopartículas de plata funcionalizadas con tiocarboxilato sintetizadas y
caracterizadas en términos de sus propiedades térmicas y eléctricas.
Un método para producir de manera sencilla NPsAg de tamaño uniforme y solubles en
agua compuestas de grafeno reducido (Ag @ RGO), ha sido reportado por (Xu et al., 2011).
Su técnica permite formar nanocompuestos que se pueden preparar mediante un enfoque
simplista en ausencia de agentes reductores adicionales, las NPsAg muestran propiedades
antibacterianas mucho mejor que la de NPs de plata pura sintetizada por irradiación de
microondas, y tienen un efecto antibacteriano equivalente con la de] antibacteriano sintético
llamado ampicilina, el cual es un fármaco con potente efecto antibacteriano. En este trabajo se
realizaron pruebas de irritación de la piel de ratas con el fin de explorar la toxicidad de este
nanocompuesto; habiendo mostrado los resultados que no hubo apariciones de edema o
eritema en la piel de rata lesionada después de la exposición a los nanocompuestos de Ag @
RGO.
La plata es la substancia más citada como componente de productos nanotecnológicos
de venta en el mundo. Una NP que está comenzando a ser utilizado en tejidos, plásticos,
superficies son las NPs de plata (Suna y Simona, 2007). Por otro lado, las NPsAg tienen
propiedades antimicrobiales como ha sido demostrado por (Kvitek et al. 2008), quienes
determinaron que la concentración mínima de inhibición (MIC) se redujo bajo el "valor
mágico" de 1 mg m1'. El hecho de que no existente resistencia de las bacterias contra los
efectos antibacterianos de las NPsAg, que ya se observó a bajas concentraciones (unidades de
miligramos por litro), han provocado un rápido desarrollo en el campo de la síntesis de las
NPsAg como agentes antibacterianos (Shrivastava et al., 2007).
La investigación realizada ha demostrado que la actividad antibacteriana de las NPsAg
es dependiente no sólo de su tamaño 10-12 sino también de su forma (Pal et al., 2007). Las
imágenes de microscopía electrónica de transmisión de energía obtenidas por estos autores
revelaron cambios considerables en las membranas de las células tras el tratamiento con
NPsAg, lo que resultó en la muerte celular. Las NPsAg triangular truncado con un plano de
celosía como el plano basal mostraron la mayor acción antibacterial, en comparación con las
nanopartículas esféricas y con forma de barra. También sugieren que el tamaño de nanoescala
y la presencia de un plano se combinan para promover esta propiedad biocida contra la
bacteria Escherichia coli.
El uso de materiales de nanoescala está aumentando rápidamente, sin embargo, todavía
no se conocen con precisión los posibles efectos ecotoxicológicos. El trabajo de (Panacek et
al., 2011) constituye el primer estudio complejo que se centró en la evaluación in vivo de los
efectos tóxicos agudos y crónicos, así como los límites tóxicos de las NPsAg (Figura 13) en el
organismo de la eucariota Drosophila melanogaster. Para el propósito de ese estudio, se
prepararon NPsAg en forma de dispersión sólida utilizando el método de microencapsulación,
en el que se utiliza manitol como agente de encapsulación.
Esta dispersión sólida se preparó con una alta concentración de plata se usó para
preparar el medio de cultivo de Drosophila en un rango de concentración de plata de 10 mg U 1 a 100 mg U'de Ag en el caso de los ensayos de toxicidad aguda y a una concentración igual
a 5 mg U'en el caso de los ensayos de toxicidad crónica. Los resultados revelan que el efecto
tóxico agudo de plata NPs en D. melanogaster se obtuvo con una concentración de plata igual
a 20 mg U'.
A esta concentración de plata el 50% de las moscas ensayadas fueron incapaces de salir
de la pupa y no terminaron su ciclo de desarrollo. La toxicidad crónica de las NPsAg se evaluó
mediante una exposición a largo plazo del conjunto de ocho generaciones filiales de D.
melanogaster con NPsAg. La exposición a largo plazo a las NPsAg influyó en la fertilidad de
Drosophila durante las tres primeras generaciones filiales, sin embargo, la fecundidad de las
29
moscas en las generaciones posteriores aumentó hasta el nivel de las moscas de la muestra
control debido a la capacidad de adaptación de las moscas de la plata a la exposición de
NPsAg. El principal foco de la NT de una forma inmediata, sería promover y proveer a todos
los centros de salud públicos y privados, un nanomaterial para disminuir los focos de cultivos
infecciosos y toxicológicos o sea un bactericida desarrollado a nivel molecular, esta
sofisticada tecnología remueve el 99.9% de dos microorganismos que son perjudiciales para la
salud, como las bacterias Staphylococcus aureus y E. coli (Quintili, 2012).
Los nanomateriales de plata incluyen NPs de plata estabilizadas, sales de plata,
dendrímeros de plata, polímeros y materiales compuestos de óxido de metal, y la plata-zeolita
impregnada y activado con materiales de carbono. Si bien hay algunas pruebas que las
nanopartículas de plata pueden dañar directamente las membranas celulares de las bacterias,
los nanomateriales de plata parecen ejercer actividad bactericida principalmente a través de la
liberación de iones de plata (individualmente o en combinación) por el aumento de
permeabilidad de la membrana, la pérdida de la fuerza motriz de protones, induciendo la
desactivación de las células y de flujo de salida de fosfato, fugas de contenido celular y la
replicación del ADN interrupciones. Las células eucariotas podrían verse afectados de manera
similar por la mayor parte de estos mecanismos en la mayoría de los antimicriobianos. Los
estudios se llevan a cabo en los medios acuáticos simples o en medios de cultivo de células sin
caracterización adecuada de nanomateriales estables de plata (Marambio y Hiek, 2010).
Las NPs de cobre. Si se aplica en una matriz polimérica se obtiene como resultado un
novedoso material que se caracteriza por retardar o inhibir la proliferación de
microorganismos en su superficie, es por eso que su aplicación hacia el campo de la medicina
sea invaluable, también es usado en tubos del condensador, mezcladoras de baño, en filtro de
secado en refrigeración, etc. La Figura 17 muestra esquemáticamente NPs de cobre solas y
combinadas con NPs de plata. Estudios realizados por (Cioffi et al., 2005) evidenciaron la
bioactividad antimicrobial in vitro de tres nanocompuestos de cobre frente a la levadura
Sacharomyces cerevisiae. Análogamente, el mismo resultado se obtuvo también para otros
microorganismos como E. coli y Staphylococus aureus.
30
Figura 1 7.Nanopartículas de plata combinadas con nanocobre, las cuales vienen siendo usadas
en tubos del condensador, mezcladoras de baño, en filtros de secado en refrigeración, en
paredes internas de refrigeradores, etc.
La necesidad de polímeros antimicrobiales ha tomado importancia en el último tiempo
dado que con ellos es posible resolver problemas tecnológicos relevantes como las
enfermedades asociadas a la higiene, ya sea en contagios intrahospitalarios, o en empaque de
alimentos. Actualmente existe una variedad de métodos y materiales para preparar polímeros
biocidas, habiendo dos categorías principales, una primera que corresponde a los materiales en
que el agente biocida se agrega a la matriz y la segunda, a los materiales en que el biocida es
inherente al polímero. Se destaca dentro de la primera categoría los compuestos con NPs
metálicas, por ejemplo los de plata, con una efectividad ampliamente comprobada.Usando el
método de reducción química los nanofluidos Cu-agua con baja concentración de NPs tienen
conductividades térmicas notablemente más altos que el fluido de base agua sin Cu. Para
obtener NPs de Cu en una fracción de volumen de 0.001 (0.1 vol. %), la conductividad térmica
se ha mejorado hasta en 23.8 % (Ming et al., 2006).
A pesar que desde hace siglos es conocida la capacidad biocida del cobre, su estudio en
nanocompósitos poliméricos no ha sido estudiado en detalle, lo que permitiría preparar
polímeros basados en este metal con propiedades bactericidas. Se realizó un estudio para
preparar compósitos de polipropileno con NPs de cobre, mediante el método de mezcla en
fundido y con porcentajes de carga entre 1 y 20 % vol:vol, para estudiar sus propiedades, con
énfasis los biocidas. En particular, para los nanocompuestos al 1 y 5 % (vol-vol), se determinó
una eficacia bactericida del 40 y 90 % respectivamente, luego de 4hr en contacto. Más
31
interesantes son los resultados para una concentración de 9 y 19 % (vol:vol), encontrándose un
100% de efectividad luego de 4hr en contacto. Este trabajo permitió concluir que las NPs de
cobre dentro de una matriz de polipropileno producen un efecto bactericida sobre un cultivo
bacteriano de E. coli. De esta manera, estos nanocompuestos abren nuevas aplicaciones al
cobre (http:tesis.ucchile.cl/handle/2250/). 1
Un trabajo reportado por Ren et al. (2009) señala que NPs de óxido de cobre (CuO) se
caracterizaron e investigaron con respecto a su potencial antimicrobiano. Ellos encontraron
que las NPs CuO, generadas por la tecnología de plasma térmica, tenían tamaños en el rango
de 20-95 nm, las cuales en al ponerse en suspensión mostraron bioactividad contra una
variedad de patógenos bacterianos, incluyendo S. aureus resistente a la meticilina y E. col!,
con una concentración mínima bactericida (CMB) en el rango de 100 .tg/ml a 5,000 tg/ml. La
capacidad de las NPs CuO para reducir las poblaciones bacterianas a cero fue mayor en
presencia de concentraciones sub-CMB de NPs de plata. Esto sugiere que la adición de plata a
la suspensión de cobre resulta en un efecto sinérgico con liberación de iones para matar
bacterias.
NANOPARTÍCULAS DE ALMIDÓN
Se mostró un buen incremento en el módulo y la resistencia a la tracción de
nanocompuestos de almidón preparados en la fundición dispersos en películas de la arcilla
montmorillonita en el plastificado del almidón de la papa. Este compuesto nanoestructurado
mostró una buena exfoliación en la película pero fue frágil sin la adición de poliéster (Avella
et al., 2005). En el trabajo de Wilhelm et al. (2003) se examinaron una gama de nanoarcillas
como caolinita natural, hectorita y capas sintéticas de hidróxido doble y brucita en mezclas de
glicerol plastificado con almidón y almidón oxidado y aplicado como películas; esto mejoró la
exfoliación y las propiedades mecánicas que se encontraron en las películas de hectorita en
donde el ion de almidón de calcio tuvo una interacción más favorable. El almidón oxidado
mostró mayor intercalación de las capas de arcilla (Ruixiang et al., 2008).
32
PROPIEDADES DE LAS NANOPARTÍCULAS
Las propiedades de los materiales sólidos son sometidas a cambios drásticos cuando las
dimensiones son reducidas al tamaño nanométrico. Para los semiconductores la transición
ocurre cuando las partículas son comparables a la longitud de onda de los electrones que son
excitados a la longitud de onda de los protones (Evans et al., 1994). El método tradicional
apropiado para caracterizar las NPs incluye procesos fisicos (moliendo esferas de partículas
grandes, y medición del crecimiento de cristales formados. La ventaja de estos es su
versatilidad a materiales orgánicos e inorgánicos y a metodologías de síntesis electroquímicas
apropiadas para la construcción de NPs con distintas estructuras electrónicas constituidas por
átomos y moléculas y las estructuras de cristal en volumen (Ozin, 1997).
Diversos materiales se pueden biopolimerizar construyendo NPs madre naturales en
células. Esta avanzada técnica fue inspirada por lo trabajos con NPs realizados por Flendler
(1992) y Flendler et al. (1995). Únicamente las propiedad de los metales, semiconductores,
magnéticos, y fotoeléctricos tienen NPs que prometen un floreciente e interesante sistema. El
tamaño depende del comportamiento de las NPs, manifestándose en sí mismo y alterando el
comportamiento fisico y químico de las mismas.
En particular cambios mecánicos, ópticos, eléctricos, electro-ópticos, magnéticos y
magnético-ópticos son propiedades bien investigadas en algunas NPs la clave está en pequeñas
partículas, ya que las partículas grandes se encuentran en la superficie. Por ejemplo NPs de
oro de 2 nm de diámetro hay aproximadamente 60 % de los átomos (o moléculas localizadas
en la superficie). En semiconductores, esta disposición facilita la transferencia de electrones
yio de aceptores yio donantes que están localizados en la superficie de las NPs. En las NPs
metálicas la superficie de área y volumen permite cambios efectivos y provoca transferencia
dependiendo de los cambios en la absorción del espectro óptico. Este incremento conocido
empieza con las propiedades de las partículas que son fuertemente influenciadas por los
estados de la física y de la química (Janos, 1998).
33
NANOPARTICULAS EN LA AGROPLASTICULTURA
En la fabricación de alfombras de nanofibras antitermitas a base de nitrocelulosa con
un aglomerante energético para crear una nueva clase de nanocompuesto energético, se ha
comparado con la nitrocelulosa pura y nanoaluminio, nanofibras incorporadas por sus
actuaciones de combustión. Nanofibras antitermita muestran reducidas velocidades de
combustión, que se correlacionan con la carga masiva de nanotermita en relación con el
aglutinante en las nanofibras (Yan et al., 2012).
Estudiando la técnica de rocío pirolítico ultrasónico se pudieron obtener películas
nanoestructuradas de Sn02 en su fase tetragonal con estructura tipo rutilo, a partir de dicloruro
de acetilacetonato de estaño [(C5H802)2SnCl2]. Estas películas presentan un crecimiento
uniforme del grano, con un tamaño promedio del orden de 70 nm. Las películas obtenidas a
temperaturas superiores a + 500 oc son transparentes en la región del espectro visible con una
longitud de onda de 4.05 eV y con una resistividad de 4.54x10 3 cm, la cual es prácticamente
independiente de la temperatura (Vázquez et al., 2011).
Nanotubos de Carbono. De acuerdo con (Michael y De Volder, 2013) el interés
comercial en todo el mundo por los nanotubos de carbono (NTC) se refleja en la capacidad de
producción que en la actualidad excede varios miles de toneladas por afio. En este momento,
los polvos a granel de NTC se incorporan en diversos productos comerciales que van desde
baterías recargables, piezas de automóviles y artículos deportivos, hasta en cascos de barcos y
en filtros de agua. Los avances en la síntesis de NTC, purificación y modificación química
están permitiendo la integración de los NTC en electrónica de capa fina y revestimientos de
gran superficie. Aunque todavía no está muy clara y convincente su resistencia mecánica,
conductividad eléctrica o térmica para muchas aplicaciones; los hilos de los NTC ya prometen
ser muy útiles para aplicaciones que incluyen super condensadores y escudos ligeros
electromagnéticos.
Los NTC son una de las nanoestructuras más usadas para el desarrollo de nuevos
nanodispositivos debido a sus excepcionales propiedades mecánicas, ópticas, químicas y
34
eléctricas. El método multiescala llamado mecánica molecular estructural se usó para estimar
el módulo de Young y las frecuencias naturales de nanotubos de carbono de diferentes
quiralidades y tamaños. Este método establece un enlace entre la mecánica molecular con la
mecánica clásica por medio de balances de energía y permite reducir el tiempo de
procesamiento en comparación con otros métodos. Los resultados de simulación obtenidos son
acordes a los reportados en la literatura, en este caso, el módulo de Young varía entre 1.02 y
1 .05 TPa, y las frecuencias naturales son del orden de GHz y son altamente dependientes de la
quiralidad y de la relación longitud/radio. Teniendo en cuenta lo anterior, el método
multiescala proporciona resultados de forma rápida y confiable, y es muy apropiado para el
diseño de nanodispositivos, nanosensores y nanomáquinas (Padilla etal., 2012).
Trabajando con mediciones de calorimetría realizadas en las películas de materiales
compuestos en base a alcohol polivinílico (PVA) reforzado con diferentes tipos de nanotubos
se encontró una correlación entre el tipo de polímero y el aditivo empleado como refuerzo; ya
que en lugar de actuar como agentes de refuerzo intrínsecamente más rígidos, los resultados de
Cadekaet al. (2006) sugieren que la función de los nanotubos, mejora las propiedades
mecánicas de de los materiales compuestos en recubrimientos de polímeros. Debido a sus
propiedades mecánicas únicas, los NTC se consideran que son candidatos ideales para
utilizarse como un importante refuerzo de polímeros utilizados para películas plásticas y en
otros productos para envasado de alimentos (Khany y Quinko, 2006).
Un trabajo de investigación realizado por (Xu et al., 2006) permitió la caracterización
de las propiedades mecánicas como la flexión, tracción y propiedades de fractura de un nuevo
nanocompuesto funcionalizado con NTC. Los resultados revelan que hubo muy poco aumento
en las propiedades mecánicas de los nanocompuestos a pesar de que utilizaron conectores
reactivos para mejorar la interfaz. Con el fin de diseñar materiales nanocompuestos fuertes y
rígidos, los autores antes mencionados señalan que es necesario utilizar nanofibras alineadas
con un volumen relativamente grande con una fracción de su peso, en comparación con otros
compuestos que no son NTC. Además, la longitud de las nanofibras debe ser lo
suficientemente largo y su diámetro no tan pequeño con el fin de facilitar el mecanismo de
transferencia de carga interfacial.
35
PROPIEDADES ÓPTICAS DE PELÍCULAS PLÁSTICAS NANOESTRUCTURADAS
PARA CUBIERTAS DE INVERNADERO
Propiedades de termicidad. La protección contra temperaturas bajas depende de la
transmitancia del material para la radiación infrarroja larga. Las películas plásticas que actúan
como barrera a la radiación IR en la región de 750 y 1450 nm son denominadas térmicas, ya
que los grupos químicos que estructuran el material absorben la radiación infrarroja
impidiendo que salga del invernadero, con lo anterior se reduce el riesgo de bajas temperaturas
en aquellos casos en que el invernadero no está preparado con un sistema de calefacción.
Como aplicación potencial para el desarrollo de estas películas con un efecto en la
dispersión de nanocompuestos EVOH/arcilla en matrices de PE, se puede considerar la
fabricación de películas para uso agrícola específicamente en películas para invernadero
(García, 2008). El efecto de nanoarcillas en la matriz del copolímero etileno alcohol vinílico
(EVOH) sobre las propiedades ópticas de transmisión de luz visible y la opacidad al infrarrojo
ha sido analizado por (Jung-Ho, 2006). Otras características son la dispersión de la luz UV y la
energía térmica acumulada dentro de la cubierta de invernadero, para así evitar daño de los
cultivos durante las temporadas donde la temperatura exterior sea muy baja, es decir para tener
un ambiente a temperatura cálida controlada (Sánchez, 2008).
La transmisión de luz visible de nanocompuestos a base de EVOHI6e32 con
nanoarcillasMMTNa y C30b ha mostrado que la eficiencia de las películas para invernadero
depende principalmente de la capacidad para transmitir la luz visible, la cual es responsable de
procesos fisiológicos y fotosintéticos de las plantas. En los resultados de transmisión de luz
visible de las películas de los materiales nanocompuestos se observa que a mayor contenido de
nanoarcilla, los valores de transmisión de luz visible decrecen, ya que se incrementa la fase
inorgánica y opaca el paso de la luz visible y la radiación PAR. Para el caso de las películas
hechas con PE virgen, el valor de transmisión de luz visible es de 90 %, mientras que las
películas de EVOH16e32 y EVOH44e32 muestra valores de transmisión de luz visible de
89.33 y 87 % respectivamente, por lo que, la trasparencia de estos materiales es muy similar
(Sánchez, 2008).
36
Las películas de nanocompuestos con base en los aditivos EVOH16e32
EVOH16e32/MMTNa+ a concentraciones de 4, 7 y 10 %, presentan valores de transmisión de
luz visible de 8 1.82, 80.16 y 75.53 % respectivamente; esto es atribuido a que existe una baja
dispersión de las nanoarcillas, sin embargo, la arcilla dispersa presenta un alto grado de
interposición. Las películas a base de nanoarcilla C30b a concentraciones de 4, 7 y 10 %
presentan valores de transmisión de luz visible de 79.4, 75.67 y 75.4 % respectivamente, ya
que existe una alta dispersión de arcilla en la matriz polimérica (Montes, 2011).
En algunos trabajos se han sintetizado materiales de nylon híbridos con arcilla,
mediante cuatro tipos de minerales de arcilla, montmorillonita, saponita, hectorita y mica
sintética, las propiedades mecánicas de las muestras moldeadas por inyección se midieron de
acuerdo con la norma ASTM. El nylon híbrido con arcilla montmorillonita fue superior a los
otros híbridos en las propiedades mecánicas. Esto podría resultar de la diferencia en la
interacción entre las moléculas de nylon y silicatos en los híbridos.
Para reforzar estos resultados, se sintetizaron compuestos intercalados de los minerales
de la arcilla con la glicina como el niodelo de los híbridos y se analizó la interacción
utilizando i 5N polarización cruzada mágica ángulo giratorio (CP/MAS) mediante
espectroscopia de RMN. El resultado 1 5N-RMN revela que la densidad de carga positiva en el
nitrógeno del compuesto intercalado sobre la base de montmorillonita era más grande en todos
los compuestos intercalados. Esto le permitió sugerir a los autores que el MMT interactuaba
fuertemente con nylon por interacción iónica. Esta interacción iónica fue una de las razones
por las que estos materiales híbridos tenían propiedades mecánicas superiores (Usuki et al.,
1995).
37
APLICACIÓN DE LOS NANOCOMPUESTOS EN LA AGRICULTURA
La NT ofrece interesantes opciones en la mejora de las técnicas existentes de manejo
de cultivos. Los agroquímicos se aplican convencionalmente a los cultivos por pulverización y
o difusión. Por lo general, sólo una muy baja concentración de los productos químicos, lo cual
es muy por debajo de la concentración mínima eficaz requerida, ha alcanzado el sitio de
destino de los cultivos debido a problemas como la lixiviación de los productos químicos, la
degradación por fotólisis, hidrólisis y por degradación microbiana. Por lo tanto, para una
aplicación repetida es necesario disponer de un control efectivo que podría causar algunos
efectos desfavorables como la contaminación del agua y el suelo. Agroquímicos nano-
encapsulados pueden ser diseñados de tal manera que poseen todas las propiedades necesarias
como la concentración efectiva (con alta solubilidad, estabilidad y eficacia), de liberación
controlada con velocidad de tiempo de respuesta a ciertos estímulos, la actividad específica
mejorada y menos de ecotoxicidad con seguro y facilitando el modo de entrega, por lo tanto,
se puede evitar la aplicación repetida (Tsuji, 2001).
La aplicación con éxito de diversas nanoplataformas en medicina en condiciones iii vi/ro ha
generado un cierto interés en la agricultura nanotecnológica. Esta tecnología ofrece la
posibilidad real de la liberación controlada de agroquímicos en sitios precisos y la entrega
selectiva de diversas macromoléculas necesarias para mejorar la resistencia a enfermedades de
las plantas, la utilización eficiente de macro y micro nutrientes para mejorar el crecimiento de
las plantas cultivadas. Procesos como la nanoencapsulación muestran el beneficio de un uso
más eficiente y un manejo más seguro de los plaguicidas con menor exposición al medio
ambiente que garantiza la ecoprotección y el manejo sustentable de cultivos (Srilatha, 2011).
La eficiencia de absorción y los efectos de diversas NPs sobre el crecimiento y las funciones
metabólicas varían entre diferentes plantas. Las NPs usadas en la transformación de plantas
tiene el potencial para la modificación genética de las plantas para un mejoramiento genético
adicional. En concreto, la aplicación de tecnología de nanopartículas en fitopatología enfrenta
los problemas agrícolas específicos en las interacciones planta-patógeno y ofrece nuevas
formas de protección de los cultivos (Nair et al., 2010). La absorción, traslocación y
(A)
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acumulación de productos manufacturados de NPs de Fe304 en plantas de calabaza reportada
por estos autores se presenta en la Figura 18. En la cual (A) representa esquemáticamente a
una planta de calabaza y magnetización medida en varios sitios de muestreos, marcados como
números con unidades de 10 3eniu g 1 . Fuertes señales magnéticas (>1.0 memu g') fueron
detectadas en todas las hojas independientemente de su distancia desde la raíz, mientras que
las señales fueron más débiles en las muestras de tejido del tallo, excepto aquellas cercanas a
la raíz.
Figura 18. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de NPs de
Fe304 en plantas de calabaza.
Las nanopartículas también están siendo empleadas para el control de enfermedades de
plantas. Hoy en día, la aplicación de fertilizantes agrícolas, pesticidas, antibióticos y nutrientes
en el área agropecuaria suele ser por aspersión o por aplicación al suelo o a las plantas, o por
medio de los sistemas de fertirriego o en la alimentación o inyección a los animales. La
entrega o aplicación de los plaguicidas o medicamentos se ofrece como tratamiento
preventivo", o se proporciona una vez que el organismo causante de la enfermedad se ha
multiplicado y síntomas son evidentes en la planta En este contexto, las nanotecnologías
ofrecen una gran oportunidad para desarrollar nuevos productos contra plagas (Begum et al.,
2010).
39
La elaboración con éxito de las estructuras moleculares tridimensionales es un gran avance
que une a la biotecnología y la nanotecnología. Con la NT, ya que se han producido cristales
de ADN mediante la producción de secuencias de ADN sintéticas que se auto-ensamblan en
una serie de patrones como de triángulo tridimensional (Zheng et al., 2009). Los cristales de
ADN tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden unirse a otra molécula
de una manera organizada.
Figura 19. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de cristales de
ADN que tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden unirse a otra
molécula de una manera organizada.
Cuando las múltiples hélices están unidas a través de extremos cohesivos de cadena sencilla,
no habría una estructura como de celosía que se extiende en seis direcciones diferentes,
formando un cristal tridimensional como se ilustra en la Figura 19. Está técnica se podría
aplicar en el mejoramiento genético de los cultivos importantes mediante la organización y la
vinculación de los hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos a estos cristales.
Los nanotubos de diversos materiales han venido siendo utilizados en la agricultura para
promover el crecimiento de plantas (Figura 20), en la cual se puede apreciar que el agua en el
recipiente de la derecha es negro debido al contenido de los nanotubos y la planta de tomate
que germinó y creció en el interior del recipiente es más grande que la de la izquierda, que no
EZ
fue expuesta a los nanotubos. Estos resultados han sido generados por investigadores de la
Universidad de Arkansas en el Centro de Nanotecnología de Little Rock, USA, quienes han
descubierto que la exposición de las semillas de tomate a los nanotubos de carbono hace que
las plantas de tomate crezcan más rápido (Khodakovskaya el al., 2009). Ellos describen los
resultados aunque siendo preliminares, sugieren que los nanotubos de carbono podrían ser una
bendición para la agricultura y las industrias de biocombustibles y dar lugar a nuevos tipos de
fertilizantes con nanocompuestos.
Control Carbon Nanotubes
Figura 20. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que recibieron el
tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron más rápido.
Los nanofertilizantes ya están ofreciéndose en el Mercado de USA; por ejemplo la
compañía A.M. Leonard, puso a la venta el producto denominado Fiorikan NANO 16-5-1 1
(N-P-K). Ellos señalan que al utilizar NANO, se obtendrá 10 veces el número puntos de
contacto que el fertilizante estándar. Se ha formulado con 100% de polímero recubierto de
fertilizante de liberación controlada, teniendo el 100% de nutrientes solubles en agua para el
consumo de las planta, teniendo como base el nitrato de amonio y está completamente libre de
urea. Este producto está formado de una relación clásica de 03:01:02 y se completa con un
paquete de micronutrientes. También mencionan que NANO es ideal para los invernaderos y
viene en presentación de 50 libras y de un galón. Se usa en plantas anuales, perennes, para
41
propagación, de, vinca, hierbas de olor, comestibles y muchas más. Se considera que este
producto es seguro, eficaz y económico de usarse con una reducción de] programa de
fertilización total, ya que las tasas de incorporación bajas ofrecen mejores resultados
(http://www.amleo.com/Florikan-reg%3B-3-4-month-Nano-Prill-Time-Release-1 6-5-1 1-
Fertilizer/p/FLKI651 1/).
\ 14I:ifl
Figura 21. Florikan NANO 16-5-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene nanopartículas.
Las NPs pueden servir como "balas mágicas", que contiene los herbicidas, productos
químicos, o genes, que se dirigen a determinadas partes de la planta para liberar su contenido.
Las nanocápsulas pueden permitir la penetración eficaz de herbicidas a través de las cutículas
y tejidos, lo que permite la liberación lenta y constante de la sustancia bioactiva (Srilatha,
2011).Químicos de la Universidad Estatal de Iowa han utilizado una de NPs de sílice
mesoporosa (MSN) de 3 nm para la entrega de ADN y sustancias químicas en las células
vegetales aisladas.
Las NPs MSN son químicamente revestidas y sirven como contenedores de los genes
entregados a las plantas. El recubrimiento provoca que la planta pueda tomar las partículas a
través de las paredes de las células, donde se insertan y se activan los genes de una manera
precisa y controlada, sin ningún efecto secundario tóxico después. Esta técnica se ha aplicado
con éxito para introducir NPs en calabazas y ADN a plantas tabaco y maíz (Corredor et al.,
2009).
42
La selección y mejoramiento de las especies de plantas hasta hace algunas décadas
estuvo a cargo de la naturaleza. La irrupción de la industria agrícola biotecnológica en el
sector agrícola, cambió el objetivo de tal selección con el fin de mejorar y maximizar la
producción de los procesos agrícolas.Para conseguir tal objetivo, una de las opciones que
primero emergió fue el desarrollo de herbicidas, la biotecnología agrícola estructuró la opción
de producir químicos que respondieran a las necesidades de las plantas. Diseñando plantas que
pudieran tolerar químicos tóxicos o se "defendieran" de las plagas que tantos daños causan al
sector económico.
En el ámbito agrícola la producción en el mundo ha sido facilitada por las más diversas
tecnologías de producción. Uno de los principales factores para el aumento de producción y
disminución de costos, es el aprovechamiento máximo y selección especial de las "mejores"
semillas, desarrolladas biotecnológica y genéticamente (Matsunaga et al., 2007). Por otro lado,
respecto al uso de NPs en el área de los fertilizantes químicos o tradicionales, (Liu et al, 2006)
han reportado la preparación nano-subcompuestos conteniendo fertilizantes de liberación
controlada en China lo cual es un importante avance en esa área de la agricultura.
Actualmente los nanodispositivos se consideran que tendrían la capacidad de detectar y
tratar una infección, deficiencia de nutrientes, o cualquier otro problema de salud, mucho antes
de que los síntomas eran evidentes en la escala macro. Este tipo de tratamiento puede ser
dirigido a la zona afectada con un una mayor conciencia de los riesgos asociados con el uso de
sintética insecticidas orgánicos, se ha producido una necesidad urgente de explorar
adecuadamente productos alternativos para el control de plagas (Anwunobi y Emeje, 2011).
El trabajo de (Pérezde-Luque y Rubiales 2009) pone de manifiesto que la NT está
abriendo nuevas aplicaciones potenciales para la agricultura, las cuales ya están siendo
exploradas y utilizadas en la medicina y la farmacología, pero el interés por su uso en la
protección de cultivos apenas está empezando. En el reporte se discute el desarrollo de
nanodispositivos como sistemas de administración inteligentes para atacar sitios y
nanotransportadores de emisiones químicas específicas controladas.
Algunas nanotecnologías pueden mejorar las técnicas del manejo de cultivos existentes en el
corto y mediano plazo. Las nanocápsulas ayudaran a evitar la fitotoxicidad en el cultivo
mediante la utilización de herbicidas sistémicos contra malezas parásitas. La
Bi
nanoencapsulación puede mejorar la aplicación de herbicidas, proporcionando una mejor
penetración a través de cutículas y tejidos, ya que permite la liberación lenta y constante de las
sustancias activas. Las nuevas herramientas de manejo de cultivos podrían desarrollarse sobre
la base de las aplicaciones médicas.
Las NPs tienen gran potencial como 'balas mágicas", cargado con herbicidas, productos
químicos o ácidos nucléicos, y la focalización de tejidos o áreas específicas de plantas para
liberar su carga. También pueden entregarse ácidos nucléicos específicos, enzimas o péptidos
antimicrobianos que actúan contra los parásitos. Muchos problemas todavía no se han
abordado, como el aumento de la escala de los procesos de producción y reducir los costos, así
como los problemas toxicológicos, pero las bases de un nuevo concepto de tratamientos de las
plantas se han establecido, y las aplicaciones en el campo de control de la plantas malezas
parásitas ya ha comenzado.
Con base en lo planteado por (Amemiya et al., 2005), por medio de la
nanobiotecnología ya se plantea la posibilidad de diseñar la planta a través de la manipulación
de las semillas. Las investigaciones en este campo se basan en el desarrollo de nuevas técnicas
que utilizan NPs que les permiten introducir ADN ajeno a una célula. Por ejemplo, los
investigadores del laboratorio Oak Ridge, descubrieron una técnica de escala manométrica
para simultáneamente inyectar ADN a millones de células. Se ha logrado que millones de
nano fibras de carbono con ADN sintético adheridas, crezcan de un chip de silicio. Se lanzan
entonces las células vivas contra las fibras que las perforan y les inyectan ADN en el proceso.
Es bien sabido que el uso indiscriminado de pesticidas y fertilizantes sintéticos en la
agricultura convencional heredera de la tecnología de la "Revolución Verde", provoca la
contaminación del medio ambiente, la aparición de plagas agrícolas y patógenos así como la
pérdida de la biodiversidad. La nanotecnología, en virtud de las propiedades relacionadas con
los nanomateriales, tiene potenciales aplicaciones agro-biotecnológicas para el alivio de estos
problemas.
La bibliografía relacionada con el papel de la NT en el sistema suelo-planta, demuestra
que los nanomateriales pueden ayudar a varias acciones como: a) la liberación controlada de
productos agroquímicos para la nutrición y la protección de cultivos contra plagas y
patógenos, b) la entrega de material genético, c) la detección sensible de enfermedades de las
plantas y contaminantes y d) la protección y formación de la estructura del suelo. Por ejemplo,
las NPs de sílice poroso de 15 nm y el quitosán biodegradable polimérico de 78 nm, muestran
una liberación lenta de pesticidas encapsulados y fertilizantes, respectivamente.
Además, el oro nanométrico (5-25 nm) entregó ADN a las células vegetales, mientras
que el óxido de hierro (30 nm) usado en nanosensores pudo detectar pesticidas en niveles muy
pequeños. Estas funciones ayudan al desarrollo de la agricultura de precisión, reduciendo al
mínimo la contaminación y permiten maximizar el valor de las prácticas agrícolas sustentables
(Ghormade et al., 2011).
Se ha demostrado que una vez inyectado el ADN sintético, éste expresa nuevas
proteínas y nuevos rasgos que en la actualidad no están siendo investigados.En la actualidad la
industria de los plaguicidas están iniciando su incursión hacia la utilización de ingredientes
activos manométricos y muchas de las principales firmas agro químicas del mundo llevan a
cabo investigación y desarrollo para arribar a nuevas fórmulas de nano escala en la producción
de pesticidas.Los bactericidas son protectores de rayos UVB/UVA, protector de polución y
gases nocivos.Entre los tejidos citados de estética y protectores, los más utilizados
comercialmente en la actualidad son los tejidos bactericidas.
Estos son fabricados con partículas de nanoplata. El estudio de (Kvitek et al. 2009),
demostró que las NPs de plata tienen un efecto siginificativo como bactericida contra
Paramecium caudatum (Figura 20). Estos microorganismos habitan en aguas dulces
estancadas con abundante materia orgánica, como charcos y estanques. Son probablemente los
seres unicelulares mejor conocidos y los protozoos ciliados más estudiados por la ciencia. El
tamaño ordinario de todas las especies de paramecios es de apenas 0.5 mm y pueden causar
graves enfermedades en humanos.
45
Figura 22. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy significativo
como bactericida contra Paramecium caudatum.
La plata posee propiedades antibacterianas naturales y estas propiedades son reforzadas
cuando el metal forma partículas muy pequeñas con una medida de 10 a 20 nanómetros cada
una. Las NPs de plata también disminuyen la necesidad de lavar los tejidos con tanta
periodicidad, ya que las bacterias son destruidas y al ser tan pequeñas las partículas que
ocupan los espacios de las fibras evitan la acumulación de todo tipo de suciedad y manchas.
Los tejidos que no permiten la penetración de líquidos, consisten en adherir filamentos
diminutos a las fibras textiles utilizando ganchitos manométricos. Estos filamentos impiden
que los líquidos penetren la superficie de la tela (Quintili, 2012).
Otro trabajo enfocado hacia la nano-biotecnología fue utilizado por primera vez en
China en cultivos agrícolas en 2007, cuando NPs de 5 a 50 nm de carbono fueron empleados
en la producción de nano-fertilizantes. El estudio de (Jian et al. 2009) se enfocó a determinar
la eficiencia de los fertilizantes en el rábano, col, repollo, berenjena, pimientos, tomates, apio
y puerro. Los cultivos se establecieron y los resultados obtenidos fueron de dos años.
Los datos generados mostraron que el nano fertilizante promovió el crecimiento de los
cultivos, se acortó el ciclo de los cultivos pudiendo entrar en el mercado de 5 a 7 días antes de
tiempo, y provocó el incremento del rendimiento de 20 a 40 %. Después de la fertilización el
rábano blanco creció hasta 83 cm en 38 días, la berenjena produjo 1.2 kg en 20 días y los
nano-fertilizantes pudieron mejorar la calidad del contenido de los vegetables. Análisis
químicos realizados por el Centro Chino para el Control y la Prevención de Enfermedades,
demostraron que el nano carbón no contenía materiales tóxicos.
USO DE PELÍCULAS NANOESTRUCTURADAS EN EL EMPAQUE
La aplicación de los bio-nanocompuestos en el empaque puede presentar muchos
ventajas Entre ellas están las siguientes (Rhim et al., 2007; Fowler et al., 2006).
Biodegradable
Mejora de las características organolépticas de los alimentos, tales como
aspecto, olor y sabor
Reducción del volumen de empaque, peso y residuos
Vida útil más larga y una mejor calidad de general
Control sobre componentes intermedios
Embalaje individual de pequeñas partículas de alimentos, tales como nueces
y pasas
Funcionar como portadores de los antimicrobianos y agentes antioxidantes.
La liberación controlada de principios activos
Los recursos renovables anualmente (Ruixiang, 2008)
APLICACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN LA INDUSTRIA
En el trabajo de (Scott y Chen, 2012) se ha señalado que la NT puede ser utilizada para
acciones empresariales en la industria agrícola y alimenticia. Así mismo, dentro de la
ingeniería textil para dar a los tejidos diferentes tipos de acabados, tales como en los teñidos,
para dar suavidad en la superficie, en los colorantes utilizados para hacer los estampados. Es
por esto que la NT puede ser empleada para la fabricación de ropas, como también los
calzados o cualquier otro accesorio de moda. Algunos de estos productos poseen algún tipo de
fórmula elaborada con nanopartículas que generan algún tipo de reacción. Estas reacciones
pueden ser biológicas adentro del organismo o físicas en el propio tejido. Las tintas por este
motivo se hacen de combinaciones que puedan ser usadas para la moda, tanto en la utilización
de estampados como en los teñidos, y de esta forma es que se denominan prendas
47
nanotecnológicas o como también suelen decir prendas inteligentes, creadas con diferentes
procesos tecnológicos que se diferencian una de las otras.
Por ejemplo algunas prendas son hechas con aislamiento térmico para ropas que son
utilizadas en actividades fisicas como la gimnasia y todo tipo de deportes. Cada tejido recibe
una terminación diferente para que el aislamiento térmico sea el necesario para que la prenda
cree condiciones que envuelva el cuerpo generando mayor cantidad de calor producido por el
cuerpo de acuerdo con la actividad física realizada. De acuerdo con ese calor serán las
reacciones biológicas producidas interiormente.
Estas prendas especiales no son fabricadas únicamente para ser utilizadas por los
deportistas, también son fabricadas para utilizar en lugares donde las temperaturas son bajas,
proporcionando confort a las personas. También existen otros tejidos llamados inteligentes que
crean automáticamente aislamiento térmico, necesario entre el tejido de la ropa y el cuerpo de
la persona que lo está vistiendo, mudando de esta forma su fase térmica a través de una
memoria electrónica.Los principales materiales inteligentes y nanotecnológicos creados para
la moda son los llamados de música T- Shirts, vestidos para negocios, camperas de recarga
con energía solar y otros. La utilización de la tecnología electrónica utilizadas en todo tipo de
vestuario significó una nueva era en toda la industria de la moda (Quintili, 2012).
Los nanotej idos son fabricados con nanofibras de plata y polímeros, de dimensiones
entre 20 y 30 nm el cual equivale entre 200 y 500 veces menor que un hilo de cabello. Estos
nuevos nanotej idos tienen potencial para servir como materia prima para la fabricación de
tejidos biológicos, tejidos para implantes y para la fabricación de órganos artificiales humanos.
Inclusive ya se habla de nanotej idos de proteínas que el mismo tejido natural usa, o sea se
haría un nanotej ido 100 % natural.
La Universidad de Texas desarrolló una tela a base de nanotubos de carbono que es 17
veces más resistente que el kevlar (actualmente usado para fabricar los chalecos antibalas) y
que puede conducir carga eléctrica, lo que permite activar equipos electrónicos, como
teléfonos celulares, etc. El usuario puede generar electricidad mientras se mueve, sin embargo
es claro, que dependiendo del valor de la corriente eléctrica que pase por un cuerpo humano,
siempre causa algún efecto directo en la salud (Geranio et al., 2009).
Como nanotextiles, se han desarrollado nanofibras (NF) de polímeros que pueden ser
estirados hasta 1500 %, en cuanto los hilos sintéticos normales solo pueden ser estirados hasta
un 600 %. La técnica de fabricación de las NF para la industria textil es muy simple y podrán
ser fabricadas en cualquier laboratorio. El electrohilo es el método más usado para la
fabricación de NF, consiste en conducir una alta tensión eléctrica en forma de gotas de
polímeros líquidos para crear filamentos en nanoescala.
Las NF son formadas en el interior de una centrífuga, al poner polímeros se estiran
como si fuera el azúcar cuando se derrite y al secarse, están formados por finísimos hilos muy
parecidos al de la seda natural. Las NF son extrusadas a través de varias salidas en una
combinación de presión hidrostática y centrifugado. Por este motivo las NF son formadas de
todas las mismas medidas. Esta técnica posibilita obtener un alto grado de flexibilidad en la
producción ya que el diámetro de los hilos puede ser fácilmente manipulado.A pesar de la
eficacia de las nanofibras, no permite el control sobre el proceso de la fabricación, además de
la producción es baja para fabricarlos de forma industrial (Quintili, 2012).
APLICACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN LA MEDICINA
En los últimos años, el interés por la ciencia a nanoescala o nanociencia (NC) ha
mostrado un aumento exponencial. La NC se refiere al estudio de las propiedades, fenómenos
y la respuesta de los materiales en el rango submicrónico. Por debajo de una cierta escala de
longitud, un sistema se comporta de manera diferente, y la capacidad de predecir que
comportamiento tendrá mediante la extrapolación de grande a pequefio se pierde. En la NE, se
ha encontrado que las propiedades de la materia son muy diferentes que la escala micro o
macro.
Los efectos cuánticos tienen un papel muy importante en la gama nano debido a la alta
relación de superficie a volumen cuando se compara con partículas grandes. Las aplicaciones
de la NC o NT, tiene un enorme potencial en la información y la tecnología de la
comunicación, la biología y la medicina. Dado que la mayoría de estas aplicaciones se centran
en mejorar la salud humana y en el diagnóstico de la situación de la salud humana siendo la
FLO
nanobiotecnología todo un nuevo campo: la nanomedicina, que es la medicina del mañana
(Karunaratne, 2007).
Acorde con lo antes señalado en el trabajo de Baba (2006), se señala que la NT tiene un papel
clave en la era post-secuenciación del genoma, ya que incluso los métodos revolucionarios
serán capaces de desarrollar un nanodisposiivo el cual es aplicable al análisis de ADN,
ARNm, proteínas, y otras biomoléculas. Los recientes avances en nanotecnología basada en
nanofabricación, nanocobertura y la NT molecular, están ampliando la posibilidad de
nanobiotecnología de la genómica y la proteómica a las aplicaciones médicas, incluyendo la
medicina preventiva. La NT incluyendo puntos cuánticos, cristal fotónico, chip de ADN, así
como bio instrumentos se aplican al análisis de la red de genoma relacionado con diversas
enfermedades (Rosarin et al., 2011).
Los genes relacionados con la función biológica importante de células se identifican mediante
la estimulación con diferentes fármacos y las redes del genoma de estas reacciones celulares se
predice por el software de la computadora. La nanotecnología se ha demostrado ser muy
importante para el futuro de la medicina personalizada y la biología de sistemas. Como se ha
señalado anteriormente, la NT es la ingeniería y fabricación de materiales a escala atómica y
molecular. La NT tiene la capacidad de mejorar su rendimiento y la aceptación por el aumento
de la eficacia, la seguridad, la adherencia de los pacientes, así como en última instancia, la
reducción de los costos de atención de la salud. Los nanodispositivos se contempla que tendría
la capacidad de detectar y tratar una infección, deficiencia de nutrientes, o cualquier otro
problema de salud, mucho antes de que los síntomas eran evidentes en la escala macro
(Caraglia et al., 2011).
En su definición más estricta de la iniciativa Nacional de Nanotecnología, la NT se refiere a
estructuras más o menos en el régimen de tamaño de 1-100 nm en al menos una dimensión. A
pesar de esta restricción de tamaño, la NT se refiere comúnmente a las estructuras que son de
hasta varios cientos de nanómetros de tamaño y que son desarrollados por la ingeniería de
arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba de los componentes individuales. Actualmente la NC
en medicina se está centrando en la aplicación de la NT para la administración de fármacos y
poner de relieve varias áreas de oportunidad y las nuevas nanotecnologías podrían permitir
totalmente nuevas clases de agentes terapéuticos (Farokhzad y Langer, 2009).
50
Estos mismos autores señalan que la aparición de plataformas de NT puede permitir el
desarrollo y la comercialización de totalmente nuevas clases de macromoléculas bioactivas
que necesitan suministro intracelular de bioactividad precisa. Aunque ambas tecnologías
orgánicas e inorgánicas están en desarrollo, tecnologías y liposomas de liberación controlada
de polímeros probablemente seguirán teniendo el mayor impacto clínico en el futuro previsible
para la entrega de un medicamento anticancerígeno en el lugar preciso, tal y como se ilustra en
la Figura 23. Esto implica no usar la quimioterapia con todo ese coctel de medicamentos que
actúan como un potentísimo veneno para matar células tumorales en el cuerpo.
0 0
Active tumor 0
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Figura 23. Empleo de la nanotecnología para la entrega y liberación de fármacos en un punto
específico del cuerpo humano donde se tiene un tumor activo y maligno.
Entre la medicina y la nanotecnología están formando un arma para combatir el cáncer,
permitiendo detectar precozmente la enfermedad, identificando y atacando más
específicamente a las células cancerígenas. El Instituto Nacional del Cáncer de Estados
Unidos ha puesto en marcha la "Alianza para la Nanotecnología Contra el Cáncer", un
51
proyecto que incluye el desarrollo y creación de instrumentos para la detección precoz.La
imagen biológica del cáncer está avanzando rápidamente de los modelos construidos a partir
de las descripciones fenomenológicas de los modelos de red derivadas de la biología de
sistemas, que puede capturar la fisiopatología en evolución de la enfermedad a nivel
molecular.
El uso de esta imagen (todavía a nivel académico) en un marco clínico relevante puede
ser útil para la lucha contra el cáncer, pero es un desafío científico y tecnológico. Ya se han
identificado estrategias nano terapéuticas que están diseñados para aumentar la eficacia y al
mismo tiempo reducir al mínimo los efectos secundarios tóxicos asociados comúnmente con
quimioterapias de cáncer (Heath y Davis, 2008). La nanobiotecnología también se ha utilizado
para superar los problemas de administración de fármacos contra el cáncer. Hay muchos
problemas con la mayoría de los tratamientos contra el cáncer, ya que tienen numerosos
efectos secundarios. Las NPs se pueden utilizar para combatir esta terrible enfermedad y
aumentar la concentración de fármacos en el sitio donde se encuentra el tumor
específicamente por la orientación de antígenos específicos a las células cancerosas. Esto da a
los médicos la capacidad de detectar la forma exacta de las células cancerosas que no serían
visibles con otros métodos de tratamiento, lo que les permite monitorear y tratar con éxito al
paciente por la administración de fármacos específicamente a estas células.
Las nanocápsulas que son partículas con un núcleo de sílice y una capa exterior
metálico, también se utilizan para tratar el cáncer. Se agrupan en torno a la célula cancerosa
permite a los médicos para suministrar energía directamente a ellos externamente, lo que hace
que se calienten a una temperatura muy alta y matar a las células cancerosas de manera
selectiva. Este método reduce significativamente los efectos secundarios, ya que habrá menos
células sanas que estén en riesgo de morir en el proceso y no se requiere cirugía, por lo tanto la
eficacia del tratamiento terapéutico se incrementó (http://nano.cancer.gov/).
Acorde a lo publicado por (Singh et al., 2008), se espera que la NT abra algunos
aspectos nuevos para combatir y prevenir enfermedades mediante la adaptación a escala
atómica de los materiales. La capacidad para descubrir la estructura y función de los
biosistemas en el nivel de la NE, estimula la investigación que conduce a la mejora en
biología, biotecnología, medicina y la asistencia sanitaria. El tamaño de los nanomateriales es
52
similar a la mayoría de moléculas y estructuras biológicas, por lo tanto, los nanomateriales
pueden ser útiles para la investigación y las aplicaciones biomédicas tanto en vivo como in
vitro.
La integración de nanomateriales con la biología ha llevado al desarrollo de
dispositivos de diagnóstico, agentes de contraste, herramientas analíticas, aplicaciones de
terapia fisica, y los vehículos de suministro de fármacos. En todos los nanomateriales con
propiedades antibacterianas, las NPs metálicas son la mejor opción. Las NPs promovieron un
aumento de la actividad química debido a la estructura de la superficie cristalográfica con su
gran relación de superficie a volumen. La importancia del estudio de los nanomateriales
bactericidas se debe a que va en constante aumento la resistencia a los fármacos
convencionales de nuevas cepas de bacterianas resistente a los antibióticos más potentes. Esto
ha promovido la investigación en la actividad conocida de iones de plata y compuestos a base
de plata, incluyendo NPs de plata. Este efecto se ha visto que depende del tamaño y de la dosis
y ha sido más pronunciado contra las bacterias gram-negativas que las gram-positivos.
OTRAS APLICACIONES
Actualmente ya se utilizan algunos materiales nanoestructurados en cosméticos,
arcillas,recubrimientos, pinturasy herramientas de corte. Otras aplicaciones que también se
investigan es el nanocatalizador que ya se usa ampliamente en las industrias, petroquímica,
farmacéutica, etc. (Mendoza y Rodríguez, 2007). Por el lado de los terapéuticos, desde
algunos años, existe ropa interior con hidratantes entre sus fibras, dentro de micro cápsulas.
Esta NT permite administrar la hidratación de la piel, liberando el hidratante a medida que la
piel lo necesita. Otro producto que recién está llegando al mercado son los jeans o pantalones
tonificadores musculares y equilibradores moleculares. Estos jeans tienen tratamientos con
NPs en sus fibras y al recibir calor, las NPs son capaces de generar una energía tan pequeña
pero perfecta para activar y equilibrar las moléculas del cuerpo.
En el tejido protector de polución, actúa la partícula de Paladio, esta es menor todavía
y por ser uno de los mejores catalizadores que existen, son capaces de oxidar los gases
53
presentes donde existe polución. Uno de los mayores beneficios que se puede encontrar en
este tipo de tejido, es para las personas alérgicas, porque estarán menos expuestas a todos los
gases tóxicos principalmente en las grandes ciudades. Las ropas con protección de rayos
UVA/U VB protegen como si fuesen un protector solar con un factor de 50 y garantizan 98%
de protección contra los rayos solares. Los hilos de estas ropas son hechos de dióxido de
titanio especialmente para proteger la piel humana (Quintili, 2012).
Los últimos avances en la investigación sobre nanotecnología podrán afectar de forma
importante el mundo del deporte. Según un artículo en el periódico USA TODAY, la empresa
NanoDynamics proyecta vender una pelota de golf que promete reducir de forma dramática
los giros y movimientos a los que puedan estar sujetas las pelotas durante un partido de
golf.La empresa dice que ha descubierto cómo alterar los materiales en una pelota de golf a
nivel molecular para que el peso dentro se mueva menos mientras gira la pelota. Cuanto
menos se mueva, más recto va la pelota.Se trata de controlar a través de la Física cómo se gira
la pelota" según el consejero delegado de NanoDynamics, Keith Blakely.
Desde hace tiempo los avances tecnológicos influyen en el deporte. En cascos de
bicicleta, ropa deportiva. Un ejemplo de cómo los avances científicos pueden influir en el
deporte es el tenis. Hasta hace unas décadas, las raquetas de tenis estaban hechas de madera.
En los años ochenta las mejores raquetas se fabricaban con grafito. Conforme los materiales se
hacían más firmes y más ligeros, en el juego empezaba a predominar la velocidad y los saques
potentes. Ahora parece que la NT empieza a afectar a los deportes. Hasta el momento en el
mercado hay pocos productos deportivos hechos con técnicas de la nanotecnología. Una
empresa japonesa fabrica una pelota de bolos a la que no le afectan los imperfectos de la
superficie y que se queda en el centro de la pista. La empresa Wilson utiliza la NT para
fabricar pelotas de tenis que tardan mucho más en desinflarse, y varias empresas están
desarrollando palos de golf fabricados con nanotecnología.
Se prevé que a partir de ahora la NT empezará a tener un impacto muy significativo
en muchos deportes porque a través de avances NT es posible fabricar productos deportivos
más fuertes y más ligeros que nunca. Se aplican nanometales a los palos de golf, para crear
palos más fuertes pero menos pesados. Los cubrimientos de nanometal con estructura
54
cristalina son hasta 1.000 veces más pequeños que metales tradicionales pero cuatro veces más
fuertes. Una cabeza de palo cubierta con nanometal que pesa menos podría permitir pegar la
pelota con más fuerza y precisión.También se estudia la aplicación de nanometales a patines,
para reducir la fricción sobre hielo, y bicicletas, cascos, raquetas de tenis etc.
IPero uno de los motivos por los que el sector de golf parece estar en cabeza es que los
jugadores de este deporte están acostumbrados a pagar altos precios por sus equipos. Y la
aplicación de NT en los procesos de fabricación resulta todavía muy costosa. Un driver Pd5
con NT incorporada cuesta unos $300. El Equipo Phonak utiliza una bicicleta que con una
estructura que incorpora nanotubos de carbón.
El fabricante suizo BMC afirma que el marco de su "Pro Machine" pesa menos de un
kilo y goza de unos niveles excepcionales de rigidez y fuerza. Para crear la estructura, BMC,
aplicó NT desarrollada por la empresa norteamericana Easton. Su sistema de resma realzada
integra fibra de carbón en un matriz de resma reforzada con nanotubos de carbón (Niharulet
al., 2013). Según el fabricante, esto mejora la fuerza y resistencia en los huecos que existen
entre las fibras de carbón. Easton colabora con Zyvex, empresa especializada en NT que
proporciona los nanotubos para el sistema. Zyvex aplica un tratamiento especial a la superficie
del nanotubo para que los tubos se disipen con mayor facilidad en otros materiales. BMC
afirma ser la primera empresa que ha logrado construir un marco de bicicleta utilizando NT de
nanotubos de carbón. Además, la estructura no requiere ajustes mecánicos después del proceso
de fabricación, lo que reduce que se ocasionen posibles daños a las fibras decarbón
(http :www.portalciencia.net7nanotecno/nanodeportes.htmlExtraidoeuroresidentes.com).
55
PANORAMA DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MUNDO
Para tener una idea de cómo avanza el mundo en la NT y en la NC, veremos algunos
números relacionados a la inversión en las principales regiones del mundo. Según el National
Nanotechnology Institute, entre 2003 y el 2009 las inversiones públicas y privadas de los EUA
en NT crecieron un 18% anual, lo que sería de $ 2 billones USD en 2003 para $ 6,4 billones
USD en 2009. Hasta entonces EUA lidera el desarrollo NT en todos los sentidos, financiado
por el gobierno, el gasto de las empresas, la inversión de capital de riesgo. Luego viene la UE
(comisión europea) con aproximadamente U$ 3 billones, sin contar las inversiones de cada
país individualmente. La comisión Europea propuso la atribución de 483 mil millones de euros
al tema de la NC y la NT, Materiales y nuevas Tecnologías de Producción (un presupuesto
total de 727,3000 millones de euros).
Rusia no pretende quedarse atrás de ningún país y ya planea invertir cerca de USD $10
billones en programas de desarrollo de la NT hasta el año de 2013. Actualmente Rusia invierte
aproximadamente USD $ 1 billón anual. El artículo intitulado Ranking de las Naciones sobre
Nanotech: Puertos secretos y falsas amenazas, compara la innovación NT y desarrollo de
tecnologías en 19 países, con la intención de informar a los políticos de los gobiernos, líderes
empresariales y inversores, un mapa detallado de la NT y del desarrollo del escenario
internacional. Globalmente el artículo encontró la inversión global manteniéndose constante
después de la reciente crisis financiera. Mostró USD $17,6 billones de los gobiernos,
corporaciones y inversionistas en 2009, lo que corresponde al aumento en 1%
comparativamente con 2008 (Quintili, 2012).
APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGJA EN EL MEDIO AMBIENTE
El medio ambiente como uno de los macro determinantes de la salud y la vida humana
también sufre en la actualidad el impacto que tiene la aplicación de la NT. Surge como uno de
los principales temas de interés en el cuidado de la salud humana en el universo
nanotecnológico, la principal incertidumbre se genera sobre la capacidad que tiene la materia y
los materiales de adquirir propiedades nuevas.
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Las posibilidades de tener cambios a escala manométrica en la elasticidad, la fuerza y
el color de una sustancia, su tolerancia a la temperatura, la presión y su capacidad para
conducir electricidad, generan interrogantes profundos acerca de lo perjudicial que puede traer
la sustancia manométricas para el medio ambiente. Cada vez más las NPs se vuelven
?Ifuncionalesu en el sentido de que sus superficies se acondicionan para desencadenar
reacciones químicas o biológicas específicas.
De esta manera se crean mecanismos para la administración de medicamentos a seres
humanos y animales con fines específicos o para el tratamiento de los cultivos con plaguicidas
y fertilizantes. Su administración con fines específicos facilita el uso más eficaz de las
sustancias en cantidades muy inferiores, ya que existe la posibilidad de reducir el uso de
productos químicos y materiales, en particular los que perjudican al medio ambiente.
Los adelantos en la NT pueden beneficiar al medio ambiente mediante la utilización de
dispositivos de detección que sean menos costosos y más sensibles que los actuales. Por
ejemplo los nuevos sensores nanotecnológicos basados en proteínas, pueden detectar el
mercurio en concentraciones de aproximadamente una parte en 10-15 o una cuadrillonésima.
Lo que antes resultaba en una tarea imposible. Con NPs de óxido de europio se está aplicando
un método sumamente sensible para medir el plaguicida atracina, un contaminante que se
encuentra con frecuencia en las aguas subterráneas (Alam etal., 2013).
La rápida detección gracias a la NT permite una rápida respuesta, lo que minimiza los
daños sobre el medio ambiente y sobre quienes nos beneficiamos de él, también reduce los
costos de eliminación de la contaminación. Algunos materiales nanoestructurados podrían
purificar el agua corriente y subterránea, esta es una realidad, ya que se dispone
comercialmente de membranas nanoporosas que filtran los agentes patógenos y otros
materiales indeseables (Kumara et al., 2011).
Algunos científicos proponen el uso de lo que es llamado la síntesis verde u orgánica
para producir NPs de hierro y oro como reductores químicos para descontaminar el agua. En
este proceso, el hierro, sustancia que existe en la naturaleza, oxida y se oxida; aprovechando la
gran superficie de las NPs. Los nanocristales de hierro magnetizado se utilizan para eliminar el
arsénico del agua potable. Existen informes que apuntan a que este método reduce en más de
57
cien veces, la cantidad de desechos producidos por las técnicas estándar (Vijayakumar et al.,
2011).
Otro método innovador supone la impregnación de la superficie de las partículas de
óxido de hierro con moléculas que selectivamente crean enlaces con moléculas o iones
contaminantes. Al introducirlas en el agua resultaría en la atracción del contaminante por parte
de las partículas impregnadas y por medio de un campo magnético se concentran captando los
pares atrapados. Hoy en día existen muchas otras investigaciones y aplicaciones que
establecen la nanotecnología como un medio para limpiar el medioambiente contaminado, lo
que contribuiría a una interacción más "sana" del ser humano con el medio ambiente, donde el
medio ambiente no se vea afectado por las acciones industriales y tecnológicas que el ser
humano realiza, favoreciéndose de la interacción con los recursos naturales en busca de un
beneficio y bienestar propios (Ghoreishi et al., 2011).
Varias tecnologías, entre ellas los catalizadores nanoestructurados para pilas de
combustible y los materiales perfeccionados de los electrodos en acumuladores de iones de
litio y las pilas fotovoltaicas avanzadas de silicona nanoporosa y Ti02, pueden aumentar el
rendimiento de las actuales fuentes de energía y reducir las emisiones de dióxido de carbono.
Los revestimientos a NE ópticamente selectivos pueden reducir el consumo de energía y al
mismo tiempo mejorar la calidad del aire en interiores.
Son importantes las posibilidades de ahorrar recursos que ofrece la NT; en la etapa de
producción permite reducir el uso de materiales que dejan una gran "huella en el medio
ambiente" sustituyéndolos por otros de menor impacto, como por ejemplo la sustitución del
silicio, que actualmente se utiliza para la fabricación de componentes electrónicos, por el
nanotubo. Con esto lo que se promueve un uso más eficaz de las materias primas, lo que
ofrece como fin último la conservación del medio ambiente, quien es el principal proveedor.
Las investigaciones actuales apuntan hacia la producción de materiales nanoestructurados a
partir de fuentes renovables o abundantes (por ejemplo, la sustitución de metales preciosos por
nanoproductos a base de carbono). Las estrategias dinámicas de recuperación o reciclado de
nanomateriales serían la forma más efectiva planteada para la sostenibilidad de los recursos
naturales (Kumar et al., 2012).
58
Los organismos públicos y privados no han tardado en reconocer los evidentes
beneficios de la nanotecnología para el medio ambiente, aunque hacen falta calcular los costos
totales de este moderno sector, y el ciclo de vida de los productos. Por ejemplo, muchos
materiales nanoestructurados ahorran energía durante su utilización, pero su manufactura
puede consumir mucha energía. Los análisis de beneficios en función de los costos deben
tener en cuenta el verdadero impacto ambiental de estos materiales, además se deben
investigar en todos sus aspectos el destino y el transporte de las nanopartículas que se escapan
al medio ambiente y tienen sus repercusiones con todo ente biológico que esté en interacción
(Quitilini, 2012).
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MEDIO AMBIENTE
Las nuevas tecnologías (en su gran mayoría) se producen y aplican sin pasar por una
investigación que exponga los posibles efectos a corto y largo plazo de dicha tecnología sobre
el medio ambiente. La NT no es caso exento, ya que éstas pueden presentar riesgos
potenciales específicos, los cuales exigen un minucioso estudio y evaluación. Uno de los
elementos que demuestra el riesgo de la materia manipulada a escala nano, es que aunque la
cantidad de materia utilizada para un proceso nanotecnológico sea mínima, el tamaño de las
partículas sigue siendo mucho menor, lo suficiente como para penetrar la piel (Cobb y
Macoubrie, 2004).
Estas partículas en contacto con el medio que le rodea lograrían tener infinidad de
reacciones dependiendo la NPs, el medio (agua, aire, suelo), y las condiciones (temperatura,
frío, otras NPs etc.). Esas NPs en dichos medios y condiciones, son la preocupación y el objeto
de estudio en la investigación del impacto que podría resultar de la interacción de las NPs con
el medio ambiente y con el ser humano. Se resalta la importancia de multiplicar la
investigación sobre las posibles consecuencias de las NT para determinar las substancias que
podrían ser nocivas para el medio ambiente (Melkonyan y Kozyrev, 2009).
Esta recomendación precisa el compromiso de investigadores, industriales y
organismos públicos, se hace necesario que el gobierno intervenga por medio de políticas para
59
regular en el campo de la salud y del medio ambiente y que se establezcan mecanismos
necesarios para la evaluación de la toxicidad de los procesos y de los productos que contengan
NT como requisito anterior a la autorización de su comercialización (Myskja, 2011).
Se recomienda poner a consideración y determinar la implementación de medidas de
prevención adecuadas y relacionadas con el conocimiento del ciclo de vida de los productos
que portan las NT, y como éstos contribuirán a proteger la salud y la seguridad alimentaria y
sean partícipes en el desarrollo responsable del sector agropecuario. Se hace necesario que los
actores implicados en los sistemas de producción agroindustrial, establezcan un sistema de
vigilancia permanente de los efectos potenciales de los productos que contengan NT sobre el
medio ambiente y las personas, especialmente cuando no sea posible calcular los efectos antes
de su comercialización (Quintili, 2012).El consumo mundial de materiales plásticos en la
agricultura es de 6.5 millones de toneladas anuales, a fin de mejorar los cultivos y proteger los
productos agrícolas cultivando en invernaderos, túneles, acolchados, mallas plásticas, bolis en
hidroponía (Bonora, 2003, Jouét, 2001). Por lo tanto, hay una enorme cantidad de plásticos
desechados en el medio ambiente, enterrados en el suelo o quemados por los agricultores que
liberan sustancias nocivas con las consecuencias negativas asociadas al medio ambiente
(Scarascia et al., 2006).
Una solución a este problema puede ser la introducción en la agricultura de películas
biodegradables, que se puede poner directamente en el suelo o en un compostaje al final de su
vida útil. Cuando las materias primas biodegradables mezcladas con algunos aditivos nano-
grado tales como Ti02 capas de silicato y MMT, resultó en bio-nanocompuesto o película que
exhibe muchas ventajas como las siguientes:
La biodegradación en el suelo debido a la acción de microorganismos tales
como bacterias, hongos, y algas
La degradación por la luz del sol y e! agua
Son resistentes a los plaguicidas.
Tienen sustancias activas para controlar los insectos.
Controla la degradación.
Mejora las propiedades ópticas como ultravioleta, visible, infrarroja
Renueva los recursos anualmente.
Hasta ahora, los materiales degradables o biodegradables han sido probados
ampliamente en ensayos de campo en diferentes países y para diferentes cultivos. Se han
obtenido resultados exitosos en maíz, melón, fresas, y algodón aplicados en acolchados. El
uso de materiales biodegradables en la agricultura puede promover el desarrollo sostenible y el
medio ambiente reduciendo la contaminación del suelo, evitando la contaminación en las
zonas rurales, utilizando materias primas, tales como el almidón (Ruixiang et al., 2008).
Se trabajó dando un enfoque verde que genera grandes cantidades de NC que contienen
metales de transición tales como Cu, Ag, In, Fe a temperatura ambiente usando un polímero
biodegradable, carboximetil celulosa (CMC), por reacción de sales de metales respectivos con
la sal de sodio de CMC en medios acuosos. Estos nanocompuestos (NC) exhiben temperaturas
de descomposición más amplios en comparación con el control de CMC, y NC de CMC de Ag
exhiben una propiedad luminiscente de longitudes de onda más largas.
Los metales nobles tales como Au, Pt, Pd y no reaccionan a temperatura ambiente con
soluciones acuosas de CMC, pero lo hacen rápidamente bajo irradiación de microondas (MW)
en condiciones de 100 °C. Este enfoque ambientalmente benigno, proporciona la entrada fácil
a la producción de múltiples nanoestructuras nobles en forma sin utilizar ningún agente
reductor tóxico, tal como borohidruro de sodio (NaBH4), clorhidrato de hidroxilamina, y así
sucesivamente, y / o un agente / agente tensioactivo tapado, se utiliza un polímero
biodegradable benigno CMC, esto podría encontrar aplicaciones tecnológicas y medicinales
generalizadas. Los nanocompuestos resultantes derivadas a temperatura ambiente y las
condiciones de MW se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido,
microscopía electrónica de transmisión, espectroscopia infrarroja, espectroscopia UV-visible,
la cartografia, el análisis de dispersión de energía de rayos X y el análisis termogravimétrico
(Nadagouda et al., 2007).
ÁREAS DE OPORTU1DAD
La NT ha permitido grandes avances en la investigación agrícola, como la ciencia y la
tecnología de reproducción, la conversión de residuos agrícolas y de los alimentos en energía
61
y otros subproductos útiles a través del nanobioprocesamiento enzimático, prevención y
tratamiento de enfermedades en las plantas usando varias nanocidas (Carmen el al., 2003).Los
nanodispositivos con nuevas propiedades hacen que los sistemas agrícolas sean "inteligentes'.
Estos dispositivos son capaces de responder a las diferentes situaciones por sí mismos,
tomando así medidas correctivas apropiadas. Estos sistemas inteligentes ofrecen productos
químicos de una manera controlada y selectiva como similar a la utilización propuesta de
entrega nanodroga en los seres humanos (Rocco, 2003).
La NT tiene una influencia importante en los sistemas de suministro inteligentes en la
agricultura deberían poseer las combinaciones de tiempo controlado, específicamente,
altamente regulada y con preprogramación remota, con características autorregu ladas y
multifuncional para evitar las barreras biológicas para dirigir con éxito las operaciones. En la
agricultura y seguridad alimentaria, los nuevos sistemas de administración para el tratamiento
de enfermedades, los nuevos instrumentos de la biología molecular y celular y los nuevos
materiales para la detección de patógenos de plantas, son sólo algunos de los enlaces
nanotecnológicos a la agricultura y la ciencia de los alimentos. Además de éstos, las plantas y /
o sus extractos proporcionan una ruta de síntesis biológica de varias nanopartículas metálicas
que son más respetuosas del medio ambiente y permiten una síntesis controlada con el tamaño
y forma bien definida (Kumar y Yadav, 2009).
Una aplicación muy interesante de las NPs en el ámbito de las ciencias de la vida es su
uso como sistemas de entrega "inteligentes". Por lo tanto, diversos trabajos de investigación
tienen el objetivo de proponer una serie de herramientas para la detección de enfermedades de
las plantas y el análisis de NPs introducidas en las plantas y para evaluar el uso de estas NPs
en tejidos vegetales seleccionados. Los resultados abren un amplio abanico de posibilidades
para el uso de NPs en la investigación general de la planta y la agronomía. Ya se ha
evidenciado que la NT mejora el rendimiento de cultivos, se aumenta la eficacia, la seguridad,
así como en última instancia, la reducción de los costos de atención de salud humana (Vijaya y
Shanti el al., 2011).
Todavía hay mucho por hacer en la agricultura a través de la NT diseñando mejores
películas biodegradables que obtengan mejores rendimientos, además de cuidar el medio
ambiente. La industria del calzado automotriz, textil, de ropa telefónica, está creciendo
enormemente con la NT. En el área de la medicina la NT ha avanzado pero se requiere más
estudios para control o destruir el cáncer, el sida, etc. Los fármacos en tejidos ya son una
realidad, pero todavía hay mucho que estudiar y perfeccionar para que sean comerciables. Los
principales problemas encontrados son justamente en la dosificación de los fármacos o
vitaminas que el organismo necesita. Los tejidos protectores pueden y deberán ser los más
utilizados por la sociedad ya que cada día que pasa la polución y los rayos solares dañan más y
más al ser humano (Quintili, 2012).
CONCLUSIONES
La agricultura es un área donde las nuevas tecnologías se aplican con frecuencia para
mejorar el rendimiento de los cultivos. La nanoagricultura implica el empleo de NPs en la
agricultura, ya que estas partículas impartirán algunos efectos beneficiosos para los cultivos.
La aparición de la NT y el desarrollo de nuevos nanodispositivos y nanomateriales
abrirán nuevas aplicaciones en la agricultura y la biotecnología. Las NPs son materiales que
son lo suficientemente pequeños como para estar dentro del rango nanométrico, sus
dimensiones son de unos pocos a cientos de nanómetros.
Estos materiales pueden usarse para liberar pesticidas o fertilizantes en un momento
específico y con de orientación de ubicación. Las NPs empaquetadas conteniendo
agroquímicos u otras sustancias que podrían reducir el daño a otros tejidos de la planta y la
cantidad de sustancias químicas liberadas en el medio ambiente se puede reducir notablemente
para apoyar la agricultura sustentable. La NT es un campo multidisciplinario que abarca una
amplia y diversa gama de dispositivos derivados de la ingeniería, la fisica, la química y la
biología.
El nuevo y floreciente campo de la NT, abierto por los rápidos avances de la ciencia y
la tecnología, crea innumerables nuevas oportunidades para avanzar en la ciencia médica y el
tratamiento de la enfermedad en la atención de la salud humana. Aplicaciones de la NT en la
1
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medicina y la fisiología implican materiales y dispositivos diseñados para interactuar con el
cuerpo a nivel subcelular (es decir, molecular) en escalas con un alto grado de especificidad.
Esto puede ser potencialmente traducido en aplicaciones clínicas celulares y tejidos
específicos dirigidos y diseñados para lograr la máxima eficacia terapéutica con efectos
secundarios mínimos.
La NT ha revolucionado la vida actual, ya que ha tenido mucho avance en la
agricultura, medicina, industria, textil, del calzado, automotriz, de embalaje.y empaque de
alimentos, etc. También ha incursionado en los materiales biodegradables y fotodegradables,
teniendo como resultado, un equilibrio en el medio ambiente. Ahora se tendría que aprender a
usarlo y direccionarlo de la mejor manera para que contribuya no solamente al desarrollo
económico, social, sino también para evitar la contaminación del medio ambiente, incluyendo
suelo, agua y aire.
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