Nanomateriales: un rompecabezas científico



César I. Corpus-Mendoza, Gerardo R. Rodríguez-Contreras, Gabriela Navarro-Tovar
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Los nanomateriales se caracterizan por tener un tamaño pequeño, en el orden de los nanómetros (1 millón de veces más pequeño que 1 centímetro), esto es, aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano (Figura 1).

 

Figura 1. Comparación del tamaño de algunos nanomateriales con respecto a objetos visibles al ojo humano, y de moléculas de menor tamaño que los nanomateriales. Donde nm es nanómetros y µm es micrómetros. Imagen elaborada por los autores.

 

     Los nanomateriales son tan importantes que algunos científicos los consideran la pauta de la Cuarta Revolución Industrial (Schwab, 2016).

     La naturaleza química de los nanomateriales, así como su forma y tamaño, permiten que sus propiedades físicas, químicas y biológicas, sean diferentes a las propiedades de los materiales con un tamaño mayor, y han sido aprovechadas para un sinfín de aplicaciones comerciales y otras más en desarrollo.

     La nanotecnología se encarga de entender los procesos involucrados en la obtención de nanomateriales y traducir el resultado de sus investigaciones en productos que permitan mejorar la calidad de vida de las personas y proporcionar herramientas tecnológicas que superen las funciones de las actuales. Así, se desarrollan nanomateriales que pueden ser empleados en diferentes áreas como la microelectrónica, agricultura, biomedicina, industria farmacéutica, industria textil, química, biotecnología, energías alternas, entre otras (D’Andrea, 2015) (Figura 2).

 

Figura 2. Clasificación de los nanomateriales de acuerdo con la Agencia del Medio Ambiente (EPA) de EUA, y ejemplos de aplicaciones. Imagen elaborada por los autores con información de la EPA. https://www.epa.gov/sites/production/files/2014-03/documents/ffrrofactsheet_emergingcontaminant_nanomaterials_jan2014_final.pdf
y con imágenes libres de derechos de autor.

 

     Antes de que estos materiales sean utilizados, se debe proporcionar toda la evidencia necesaria para demostrar su funcionalidad y seguridad. Dado que los nanomateriales son un grupo tan heterogéneo de sustancias, y tan complejo de clasificar, la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos, la Unión Europea con el Observatorio para Nanomateriales, la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos, entre otras organizaciones internacionales, trabajan para establecer regulaciones a los nanomateriales, para su obtención, uso, disposición y confinamiento seguro.

     En este contexto, la caracterización de nanomateriales sigue las pautas establecidas por dichos organismos que conjuntan expertos en el área de la nanotecnología (Rasmussen et al., 2018).

     El propósito de este artículo es explicar el papel que desempeñan las técnicas más relevantes empleadas en la caracterización de nanomateriales y la información que se obtiene de cada una de ellas.

 

LOS NANOMATERIALES AL MICROSCOPIO

 

Los microscopios electrónicos son equipos muy potentes que generan imágenes fotográficas con el uso de la energía de un haz de electrones. Las imágenes son ampliaciones de 10 hasta 1,000,000 de veces el tamaño original de las muestras (Williams y Adams, 2006).

     Existen varios tipos de microscopios electrónicos, como el microscopio electrónico de barrido o SEM (por sus siglas en inglés, Scanning Electronic Microscope), que genera imágenes cuando una pequeña muestra de nanomaterial es bombardeada por un haz de electrones que se dispersan o “rebotan” al chocar con la muestra. Los electrones son colectados, construyendo una imagen tridimensional que permite “ver” la superficie del material para determinar su estructura y tamaño.

     La resolución de un SEM es aproximadamente 80,000 veces mayor que la de un microscopio óptico convencional, haciendo posible la visualización con gran detalle de las características de los materiales (Figura 3A).

 

Figura 3. A) Imagen obtenida en SEM de nanopartículas de plata esféricas; se observa aquí una imagen detallada en 3D con diferentes tonalidades de gris. B) Imagen obtenida en TEM de las mismas nanopartículas de plata esféricas con diferente tamaño (entre 79 y 200 nm). Imágenes tomadas de Mavaei et al. (2020) Scientific Reports 10:1762 (acceso abierto).

 

     Otro microscopio electrónico utilizado en nanotecnología es el microscopio electrónico de transmisión o TEM (por sus siglas en inglés, Transmisión Electronic Microscope).

     Este equipo produce una imagen que corresponde a una proyección de todo el objeto, incluida la superficie y su estructura interna, usando diferentes tonalidades de gris.

     Al igual que en el SEM, la muestra se bombardea con un haz de electrones; las imágenes se producen a partir de los electrones que se transmiten o pasan a través del nanomaterial.

     Dado que los electrones interactúan con la materia, se atenúan cuando atraviesan un sólido; esto requiere que las muestras se preparen en secciones muy delgadas para permitir el paso del haz de electrones (0,1 µm). Esta técnica permite visualizar el tamaño, forma y organización de los nanomateriales (Figura 3B).

     Algunos microscopios SEM y TEM tienen adaptado un sistema de análisis de rayos X por dispersión de energía, (EDX, por sus siglas en inglés, Energy Dispersive X Ray). Los rayos X del equipo mueven los electrones de los átomos que, al regresar a su estado original, liberan energía que es única de cada átomo, lo que permite conocer los elementos químicos en el nanomaterial en cuestión, por lo que, además de una imagen, proporciona un informe de su composición química (McMahon, 2008).

     Otro instrumento para poder analizar la superficie de un nanomaterial es el microscopio de fuerza atómica. Lo que caracteriza a este microscopio es una sonda ultrafina que se acerca a la superficie del nanomaterial donde detecta y mide una atracción o repulsión química, provocando un movimiento hacia arriba o hacia abajo que se traduce en imágenes en 2D y 3D de la superficie del nanomaterial. Mediante un mapa de color para la altura, pueden medirse algunas propiedades mecánicas como la viscosidad; también se puede obtener información sobre la forma, permitiendo incluso su manipulación (McMahon, 2008).

 

USANDO LA LUZ PARA ENTENDER A LOS NANOMATERIALES

 

Recordemos primero que la luz (del latín lux, “luz”) está compuesta por partículas llamadas fotones que se mueven en forma de ondas electromagnéticas a través del espacio. Dichas ondas tienen diferentes amplitudes y energías y en conjunto se denominan espectro electromagnético (Figura 4).

 

Figura 4. Luz o espectro electromagnético. Se observa que, a mayor longitud de onda (medida en nanómetros), menor energía, y viceversa. Imagen elaborada por los autores a partir de información del libro Handbook of instrumental techniques for analytical chemistry, (1997). Editada por Frank Settle. Ed. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, EUA.

 

     Hay segmentos o longitudes de onda de la luz que tienen poca energía, como las ondas de radio, mientras que hay otras con muy alta energía, como los rayos X y los rayos gamma.

     Las ondas de luz chocan con los objetos, y las de mayor energía pueden penetrar a nivel de los átomos o electrones.

     Esta propiedad es aprovechada por los espectrofotómetros, que utilizan alguna sección del espectro electromagnético para obtener información de la composición y conformación tridimensional de las moléculas y materiales.

     Muchas moléculas absorben la luz ultravioleta (UV), la luz visible (Vis) o la luz infrarroja, lo que produce un movimiento de los electrones, o de vibración y rotación en la molécula debido a esta energía añadida.

     Así, los movimientos pueden ser medidos en el espectrofotómetro, los datos llegan a una computadora, donde se recopilan y registran como un espectro de la molécula o material.

En el caso de la espectroscopía infrarroja, la energía sobre las moléculas en la superficie del nanomaterial provoca que sus enlaces se muevan o estiren.

     Cada enlace que existe en la naturaleza se mueve diferente y, como cada molécula, compuesto y nanomaterial, tiene enlaces característicos, genera espectros que son como una “huella digital”, permitiendo saber si en la superficie del material hay un alcohol, un óxido, un ácido o cualquier otro grupo químico (Settle, 1997).

     Para la espectrofotometría UV-Vis, la luz que pasa a través de una muestra líquida proporciona energía que mueve los electrones de las moléculas. El espectro registrado nos indica si la muestra está compuesta por moléculas con electrones que forman enlaces sencillos, enlaces dobles o electrones que no forman enlaces.

     El espectro también es único para cada compuesto, molécula o algunos nanomateriales. Este tipo de espectrofotometría también es útil para conocer el plasmón de resonancia superficial de nanopartículas metálicas, un fenómeno óptico (emisión de color por el movimiento de electrones de la superficie de la partícula) que tiene aplicaciones en el tratamiento y diagnóstico de enfermedades (McMahon, 2008).

     Otro ejemplo del uso del espectro de la luz es la técnica de difracción de rayos X, XRD (por sus siglas en inglés, X Ray Diffraction), una de las más utilizadas para estudiar nanomateriales.

     Esta técnica aprovecha la dispersión que sufren los rayos X cuando interactúan con la materia. Para ser más precisos, se basa en un fenómeno físico denominado difracción, el cual se produce cuando una parte de la radiación X “choca” con un obstáculo y otra parte de la radiación penetra el material.

     Dado que los rayos X tienen una longitud de onda de tamaño similar al tamaño de los átomos que constituyen la materia, estos mismos átomos actúan como el obstáculo con el que se enfrenta la radiación, y el espacio que existe entre un átomo y otro constituye el hueco por el cual otra parte de la radiación penetra el nanomaterial. Entonces, la XRD nos proporciona información de la estructura tridimensional y orientación de los átomos que la conforman (McMahon, 2008).

 

LA IMPORTANCIA DEL TAMAÑO Y CARGA DE UN NANOMATERIAL EN AGUA

 

Algunos nanomateriales entrarán en contacto con agua o medios biológicos al ser liberados por los productos que los contienen. Todos los nanomateriales presentan cargas eléctricas o grupos químicos que pueden interaccionar con el medio, con lo que moléculas del medio pueden incorporarse a la superficie del nanomaterial cambiando su tamaño y carga eléctrica superficial y, en consecuencia, modificar las propiedades físicas, químicas y biológicas iniciales. Por ello se debe conocer su tamaño y carga eléctrica (positiva, negativa o neutra) una vez que entra en contacto con agua. Estas mediciones se realizan en un equipo de dispersión dinámica de luz o DLS (por sus siglas en inglés, Dispersion Light Scattering).

     El equipo mide la velocidad de movimiento de un nanomaterial en un líquido haciendo uso de una luz láser que, al impactar en la superficie de las partículas (muestra a analizar), es dispersada y la intensidad de la luz de salida se registra y está relacionada con el tamaño de las partículas, lo cual permite registrar su diámetro hidrodinámico, que es el diámetro real, más la primera capa de molécula de soluto que interactúa con la superficie del nanomaterial.

     Conociendo que, a mayor tamaño de partícula menor movimiento a través del líquido, es posible caracterizar partículas con tamaños de 50 o 100 nm, hasta cientos de micras.

     Con el mismo equipo se puede medir la carga eléctrica de las nanopartículas, el grado de repulsión/atracción entre ellas, que se denomina potencial zeta.

     Esta medida se relaciona con la estabilidad del nanomaterial: a mayor potencial zeta, mayor estabilidad en el medio acuoso, y una alta probabilidad de que se mantenga así, en un medio fisiológico (un cultivo de células, en suero). También puede indicar la incorporación de proteínas y otras moléculas en la superficie de la nanopartícula.

     Por ello, se deben registrar los cambios en el tamaño y carga de los nanomateriales en sus diferentes etapas, desde la síntesis hasta la evaluación, con la finalidad de determinar su seguridad de uso, o para ajustar su diseño a la función que se desea.

 

CONJUNTANDO LA INFORMACIÓN CIENTÍFICA EN EL ESTUDIO DE NANOMATERIALES

 

Los estudios que el nanomaterial necesitará inician con caracterizaciones básicas, por ejemplo, el tamaño y forma del material, su comportamiento en un medio líquido y su composición química. Esos datos pueden ser obtenidos con los equipos científicos que describimos en este artículo.

     Por otro lado, se deben describir las propiedades particulares que se buscan en el nanomaterial; es decir, si el material es conductor de la electricidad, si ayuda a acelerar reacciones químicas (catalizador) o si puede ser utilizado en la fabricación de medicamentos.

     Es de especial relevancia que antes de cualquier aplicación comercial se realicen estudios que indiquen si el nanomaterial es inocuo para el organismo y medio ambiente, o que determinen cuáles son los potenciales efectos tóxicos.

     Para ello, quienes trabajamos con nanomateriales nos apoyamos en estudios computacionales que predicen interacciones con células o biomoléculas, y en estudios biológicos (en células y animales), con previa aprobación de un comité de ética en investigación.

     Entonces, los equipos de microscopía electrónica son utilizados para la visualización de la morfología de los nanomateriales, y si están acoplados a EDS arrojan el análisis de su composición química. Los análisis espectrofotométricos con infrarrojo y UV-Vis nos indican los grupos químicos de la superficie y las características ópticas, respectivamente.

     Finalmente, los estudios en dispersión dinámica de luz proporcionan datos de estabilidad de los nanomateriales en medios líquidos, como el agua. Por lo tanto, la nanotecnología requiere de investigaciones interdisciplinares para la caracterización de los nanomateriales, de forma que se asegure que la descripción de sus propiedades biológicas, eléctricas, magnéticas, entre otras, sea acorde con las regulaciones y pautas de organismos internacionales que buscan la seguridad en el uso de los nanomateriales.

 

AGRADECIMIENTOS

 

A la Facultad de Ciencias Químicas de la UASLP, por financiar la estancia de investigación de Gerardo Ramón Rodríguez Contreras, de la cual es parte este artículo de divulgación.

 

REFERENCIAS

 

D’Andrea y ALD’A (2015). ¿Qué hace y dónde trabaja un nanotecnólogo? Biotecnología & Nanotecnología al Instante: Un periódico semanal para vivir el presente pensando el futuro. http://infobiotecnologia.

blogspot.com/2015/08/que-hace-y-donde-trabaja-un.html.

Mavaei M, Chahardoli A, Shokoohinia, Y, Khoshroo A and Fattahi A (2020). One-step synthesized silver nanoparticles using isoimperatorin: Evaluation of photocatalytic, and electronical activities. Scientific Reports 10:1762.

McMahon G (2008). Analytical instrumentation: a guide to laboratory, portable and miniaturized instruments. 9-25, 170-171. Ed. Wiley-Interscience.

Schwab K (2016). La cuarta revolución industrial. Foro Económico Mundial. Ed. Debate, Barcelona, España.

Settle F (1997). Handbook of instrumental techniques for analytical chemistry. Ed. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, EUA.

Rasmussen K, Rauscher H, Mech A, Riego J, Gilliland D, et al. (2018). Physico-chemical properties of manufactured nanomaterials – Characterization and relevant methods. An Outlook based on the OECD Testing Program.

Technical Fact Sheet-Nanomaterials. Environment Protection Agency, EUA, November 2017. https://www.epa.gov/sites/production/files/2014-03/documents/ffrrofactsheet_emergingcontaminant_nanomaterials_jan2014_final.pdf.

Williams LD and Adams W (2006). Nanotechnology Demystified. Ed. McGraw-Hill Education, EUA.

 

César I. Corpus Mendoza
Gerardo R. Rodríguez Contreras
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
 
Gabriela Navarro Tovar
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

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