La nanotecnología verde se refiere al uso de la nanotecnología para mejorar la sostenibilidad ambiental de los procesos que producen externalidades negativas . También se refiere al uso de los productos de la nanotecnología para mejorar la sostenibilidad . Incluye la fabricación de nanoproductos ecológicos y el uso de nanoproductos en apoyo de la sostenibilidad. [ cita requerida ]
La palabra VERDE en el nombre de nanotecnología verde tiene un doble significado. Por un lado, describe las tecnologías respetuosas con el medio ambiente que se utilizan para sintetizar partículas a escala nanométrica; por otro, se refiere a la síntesis de nanopartículas mediada por extractos de plantas de clorofila. [1] La nanotecnología verde se ha descrito como el desarrollo de tecnologías limpias , "para minimizar los posibles riesgos ambientales y para la salud humana asociados con la fabricación y el uso de productos nanotecnológicos. También fomenta la sustitución de productos existentes por nuevos nanoproductos que sean más respetuosos con el medio ambiente a lo largo de su ciclo de vida ". [2]
La nanotecnología verde tiene dos objetivos: producir nanomateriales y productos sin dañar el medio ambiente ni la salud humana, y producir nanoproductos que aporten soluciones a los problemas ambientales. Utiliza los principios existentes de la química y la ingeniería ecológicas [3] para fabricar nanomateriales y nanoproductos sin ingredientes tóxicos, a bajas temperaturas, utilizando menos energía e insumos renovables siempre que sea posible, y aplicando el concepto de ciclo de vida en todas las etapas de diseño e ingeniería.
Además de fabricar nanomateriales y productos con un menor impacto sobre el medio ambiente, la nanotecnología verde también implica utilizar la nanotecnología para hacer que los procesos de fabricación actuales de materiales y productos no nanométricos sean más respetuosos con el medio ambiente. Por ejemplo, las membranas a escala nanométrica pueden ayudar a separar los productos de reacción química deseados de los materiales de desecho de las plantas. Los catalizadores a escala nanométrica pueden hacer que las reacciones químicas sean más eficientes y generen menos residuos. Los sensores a escala nanométrica pueden formar parte de los sistemas de control de procesos , trabajando con sistemas de información habilitados a escala nanométrica. El uso de sistemas de energía alternativos , que son posibles gracias a la nanotecnología, es otra forma de hacer "ecológicos" los procesos de fabricación.
El segundo objetivo de la nanotecnología verde implica el desarrollo de productos que beneficien al medio ambiente, ya sea directa o indirectamente. Los nanomateriales o productos pueden limpiar directamente sitios de desechos peligrosos , desalinizar agua , tratar contaminantes o detectar y monitorear contaminantes ambientales. Indirectamente, los nanocompuestos livianos para automóviles y otros medios de transporte podrían ahorrar combustible y reducir los materiales utilizados para la producción; las celdas de combustible y los diodos emisores de luz (LED) habilitados con nanotecnología podrían reducir la contaminación de la generación de energía y ayudar a conservar los combustibles fósiles; los recubrimientos de superficie a escala nanométrica autolimpiantes podrían reducir o eliminar muchos productos químicos de limpieza utilizados en las rutinas de mantenimiento regulares; [4] y una mayor vida útil de las baterías podría conducir a un menor uso de material y menos desechos. La nanotecnología verde adopta una visión amplia de los sistemas de nanomateriales y productos, asegurando que se minimicen las consecuencias imprevistas y que se anticipen los impactos a lo largo de todo el ciclo de vida. [5]
Se están realizando investigaciones para utilizar nanomateriales con fines que incluyen células solares más eficientes, células de combustible prácticas y baterías respetuosas con el medio ambiente . Los proyectos de nanotecnología más avanzados relacionados con la energía son: almacenamiento, conversión, mejoras en la fabricación mediante la reducción de materiales y tasas de proceso, ahorro de energía (por ejemplo, mediante un mejor aislamiento térmico) y fuentes de energía renovable mejoradas.
Un proyecto importante en el que se está trabajando es el desarrollo de nanotecnología en células solares. [6] Las células solares son más eficientes a medida que se vuelven más pequeñas y la energía solar es un recurso renovable . El precio por vatio de energía solar es inferior a un dólar.
Se están realizando investigaciones para utilizar nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que se pueden crear con las células solares de silicio planas convencionales. [7] [8] Otro ejemplo es el uso de células de combustible alimentadas por hidrógeno, que potencialmente utilizan un catalizador que consiste en partículas de metales nobles soportadas en carbono con diámetros de 1 a 5 nm. Los materiales con poros pequeños de tamaño nanométrico pueden ser adecuados para el almacenamiento de hidrógeno. La nanotecnología también puede encontrar aplicaciones en las baterías , donde el uso de nanomateriales puede permitir baterías con mayor contenido de energía o supercondensadores con una mayor tasa de recarga. [ cita requerida ]
La nanotecnología ya se utiliza para proporcionar revestimientos de mayor rendimiento para paneles fotovoltaicos (PV) y solares térmicos. Las propiedades hidrófobas y autolimpiantes se combinan para crear paneles solares más eficientes, especialmente durante condiciones climáticas adversas. Se dice que los paneles fotovoltaicos recubiertos con revestimientos nanotecnológicos se mantienen limpios durante más tiempo para garantizar que se mantenga la máxima eficiencia energética. [9]
La nanotecnología ofrece el potencial de nuevos nanomateriales para el tratamiento de aguas superficiales, subterráneas , residuales y otros materiales ambientales contaminados por iones metálicos tóxicos, solutos orgánicos e inorgánicos y microorganismos . Debido a su actividad única frente a contaminantes recalcitrantes, muchos nanomateriales se encuentran en fase de investigación y desarrollo activos para su uso en el tratamiento de agua y sitios contaminados. [10] [11]
El mercado actual de tecnologías basadas en nanotecnología aplicadas al tratamiento del agua incluye la ósmosis inversa (OI), la nanofiltración y las membranas de ultrafiltración. De hecho, entre los productos emergentes se pueden mencionar los filtros de nanofibras, los nanotubos de carbono y diversas nanopartículas. [12]
Se espera que la nanotecnología se ocupe de manera más eficiente de los contaminantes que los sistemas de tratamiento de agua por convección tienen dificultades para tratar, incluidas las bacterias, los virus y los metales pesados. Esta eficiencia generalmente se debe a la gran superficie específica de los nanomateriales, que aumenta la disolución, la reactividad y la sorción de los contaminantes. [13] [14]
La nanorremediación es el uso de nanopartículas para la remediación ambiental . [15] [16] La nanorremediación ha sido más ampliamente utilizada para el tratamiento de aguas subterráneas, con una amplia investigación adicional en el tratamiento de aguas residuales . [17] [18] [19] [20] La nanorremediación también se ha probado para la limpieza de suelos y sedimentos. [21] Incluso más investigaciones preliminares están explorando el uso de nanopartículas para eliminar materiales tóxicos de los gases . [22]
Algunos métodos de nanorremediación, en particular el uso de nanohierro cerovalente para la limpieza de aguas subterráneas, se han implementado en sitios de limpieza a gran escala. [16] La nanorremediación es una industria emergente; para 2009, se habían documentado tecnologías de nanorremediación en al menos 44 sitios de limpieza en todo el mundo, predominantemente en los Estados Unidos. [17] [11] [23] Durante la nanorremediación, un agente de nanopartículas debe ponerse en contacto con el contaminante objetivo en condiciones que permitan una reacción de desintoxicación o inmovilización. Este proceso generalmente implica un proceso de bombeo y tratamiento o una aplicación in situ . Otros métodos permanecen en fases de investigación.
Los científicos han estado investigando las capacidades del buckminsterfullereno para controlar la contaminación, ya que podría controlar ciertas reacciones químicas. Se ha demostrado que el buckminsterfullereno tiene la capacidad de inducir la protección de las especies reactivas del oxígeno y causar la peroxidación lipídica. Este material puede permitir que el combustible de hidrógeno sea más accesible para los consumidores. [ cita requerida ]
En 2017 se creó RingwooditE Co Ltd con el objetivo de explorar la tecnología de trampa termonuclear (TTT) con el fin de limpiar todas las fuentes de agua de la contaminación y los contenidos tóxicos. Esta nanotecnología patentada utiliza una cámara de alta presión y temperatura para separar los isótopos que por naturaleza no deberían estar en el agua potable y convertirlos en agua potable pura, según la clasificación establecida por la OMS . Este método ha sido desarrollado, entre otros, por el profesor Vladimir Afanasiew, de la Institución Nuclear de Moscú. Esta tecnología está destinada a limpiar las aguas residuales de mares, ríos, lagos y vertederos. Incluso elimina los isótopos radiactivos del agua de mar, después de catástrofes en centrales nucleares y torres de plantas de refrigeración de agua. Mediante esta tecnología se están eliminando los restos farmacéuticos, así como los narcóticos y los tranquilizantes. Las capas inferiores y los lados de lagos y ríos se pueden devolver, después de ser limpiados. La maquinaria utilizada para este propósito es muy similar a la de la minería en aguas profundas . Los desechos eliminados se clasifican mediante el proceso y se pueden reutilizar como materia prima para otra producción industrial.
La nanofiltración es un proceso de filtración por membrana relativamente reciente que se utiliza con mayor frecuencia con aguas con bajo contenido total de sólidos disueltos , como aguas superficiales y aguas subterráneas dulces , con el fin de ablandar ( eliminación de cationes polivalentes ) y eliminar precursores de subproductos de desinfección, como materia orgánica natural y materia orgánica sintética. [24] [25] La nanofiltración también se está utilizando cada vez más en aplicaciones de procesamiento de alimentos , como los productos lácteos , para la concentración simultánea y la desmineralización parcial ( iones monovalentes ) .
La nanofiltración es un método basado en la filtración por membrana que utiliza poros cilíndricos de tamaño nanométrico que pasan a través de la membrana a 90°. Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de 1 a 10 Angstrom , más pequeños que los utilizados en la microfiltración y la ultrafiltración , pero un poco más grandes que los de la ósmosis inversa . Las membranas utilizadas se crean predominantemente a partir de películas delgadas de polímero. Los materiales que se utilizan comúnmente incluyen tereftalato de polietileno o metales como el aluminio . [26] Las dimensiones de los poros se controlan mediante el pH , la temperatura y el tiempo durante el desarrollo con densidades de poro que varían de 1 a 106 poros por cm2 . Las membranas hechas de tereftalato de polietileno y otros materiales similares se conocen como membranas "track-etch", llamadas así por la forma en que se forman los poros de las membranas. [27] El "seguimiento" implica bombardear la película delgada de polímero con partículas de alta energía. Esto da como resultado la creación de pistas que se desarrollan químicamente en la membrana, o se "graban" en ella, que son los poros. Las membranas creadas a partir de metal, como las membranas de alúmina, se fabrican mediante el crecimiento electroquímico de una fina capa de óxido de aluminio a partir de aluminio en un medio ácido.
Ya se encuentran en el mercado algunos dispositivos de tratamiento de agua que incorporan nanotecnología y hay otros en desarrollo. En un estudio reciente se ha demostrado que los métodos de separación con membranas nanoestructuradas de bajo costo son eficaces para producir agua potable. [28]
La nanotecnología ofrece una solución alternativa para limpiar los gérmenes del agua, un problema que se ha ido agravando debido a la explosión demográfica, la creciente necesidad de agua limpia y la aparición de contaminantes adicionales. Una de las alternativas que se ofrecen es la nanotecnología antimicrobiana, que afirma que varios nanomateriales han mostrado fuertes propiedades antimicrobianas a través de diversos mecanismos, como la producción fotocatalítica de especies reactivas de oxígeno que dañan los componentes celulares y los virus. [28] También está el caso de las partículas nanometálicas fabricadas sintéticamente que producen una acción antimicrobiana llamada desinfección oligodinámica , que puede inactivar microorganismos a bajas concentraciones. [29] Actualmente también existen sistemas comerciales de purificación basados en la fotocatálisis con óxido de titanio y los estudios muestran que esta tecnología puede lograr la inactivación completa de coliformes fecales en 15 minutos una vez activada por la luz solar. [29]
Hay cuatro clases de nanomateriales que se emplean para el tratamiento del agua y estos son dendrímeros , zeolitas , nanomateriales carbonosos y metales que contienen nanopartículas. [30] Los beneficios de la reducción del tamaño de los metales (por ejemplo, plata , cobre , titanio y cobalto ) a la nanoescala, como la eficiencia de contacto, mayor área de superficie y mejores propiedades de elución. [29]
Se sabe que las plantas poseen varios fitoquímicos (metabolitos secundarios) que las ayudan a protegerse; estos fitoquímicos desde tiempos inmemoriales han sido utilizados por los humanos para sus necesidades medicinales. [31] Los microbios están desarrollando resistencia a múltiples fármacos sintéticos, lo que lleva a la aparición de cepas de microbios MDR (resistentes a múltiples fármacos), que plantean un desafío al sistema farmacológico moderno. [32] [33] Para superar este desafío, las nanopartículas sintetizadas utilizando extractos de plantas y partes de plantas han surgido como una esperanza. [34] [35] Muchos investigadores han informado que las nanopartículas sintetizadas utilizando extractos de plantas han demostrado exhibir propiedades medicinales mejoradas en comparación con el extracto o los extractos solos. [36]
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) documenta más de diez mil derrames de petróleo al año. Tradicionalmente, se utilizan agentes biológicos, dispersantes y gelificantes para remediar los derrames de petróleo. Aunque estos métodos se han utilizado durante décadas, ninguna de estas técnicas puede recuperar el petróleo perdido e irreemplazable. Sin embargo, los nanocables no solo pueden limpiar rápidamente los derrames de petróleo, sino también recuperar la mayor cantidad posible de petróleo. Estos nanocables forman una malla que absorbe hasta veinte veces su peso en líquidos hidrófobos y, al mismo tiempo, rechaza el agua con su revestimiento hidrófugo. Dado que el óxido de potasio y manganeso es muy estable incluso a altas temperaturas, el petróleo se puede extraer de los nanocables mediante ebullición y, tanto el aceite como los nanocables se pueden reutilizar. [37]
En 2005, el huracán Katrina dañó o destruyó más de treinta plataformas petroleras y nueve refinerías. La Interface Science Corporation lanzó con éxito una nueva aplicación de recuperación y remediación de petróleo, que utilizó nanocables repelentes de agua para limpiar el petróleo derramado por las plataformas petroleras y refinerías dañadas. [38]
Una innovación de la nanotecnología verde que se encuentra actualmente en desarrollo son las nanomáquinas diseñadas a partir de una bacteria diseñada biológicamente para consumir plásticos, la Ideonella sakaiensis . Estas nanomáquinas son capaces de descomponer los plásticos docenas de veces más rápido que las bacterias diseñadas biológicamente, no solo por su mayor área de superficie, sino también porque la energía liberada al descomponer el plástico se utiliza para alimentar las nanomáquinas. [ cita requerida ]
Además del tratamiento del agua y la remediación ambiental, la nanotecnología está mejorando actualmente la calidad del aire. Las nanopartículas pueden diseñarse para catalizar, o acelerar, la reacción que transforma los gases nocivos para el medio ambiente en gases inofensivos. Por ejemplo, muchas fábricas industriales que producen grandes cantidades de gases nocivos emplean un tipo de catalizador de nanofibras hecho de óxido de magnesio (Mg2O ) para purificar las sustancias orgánicas peligrosas del humo. Aunque ya existen catalizadores químicos en los vapores gaseosos de los automóviles, la nanotecnología tiene mayores posibilidades de reaccionar con las sustancias nocivas de los vapores. Esta mayor probabilidad se debe al hecho de que la nanotecnología puede interactuar con más partículas debido a su mayor área de superficie. [39]
La nanotecnología se ha utilizado para remediar la contaminación del aire, incluida la contaminación por los gases de escape de los automóviles, y potencialmente los gases de efecto invernadero debido a su gran superficie. Según la investigación realizada por Environmental Science Pollution Research International, la nanotecnología puede ayudar específicamente a tratar las nanopartículas basadas en carbono, los gases de efecto invernadero y los compuestos orgánicos volátiles.También se está trabajando para desarrollar nanopartículas antibacterianas, nanopartículas de óxido metálico y agentes de enmienda para procesos de fitorremediación. La nanotecnología también puede brindar la posibilidad de prevenir la contaminación del aire en primer lugar debido a su escala extremadamente pequeña. La nanotecnología ha sido aceptada como una herramienta para muchos campos industriales y domésticos como sistemas de monitoreo de gases, detectores de incendios y gases tóxicos, control de ventilación, detectores de alcohol en el aliento y muchos más. Otras fuentes afirman que la nanotecnología tiene el potencial de desarrollar los métodos de detección y detección de contaminantes que ya existen. La capacidad de detectar contaminantes y detectar materiales no deseados se verá aumentada por la gran área de superficie de los nanomateriales y su alta energía superficial. La Organización Mundial de la Salud declaró en 2014 que la contaminación del aire causó alrededor de 7 millones de muertes en 2012. Esta nueva tecnología podría ser un activo esencial para esta epidemia. Las tres formas en que se está utilizando la nanotecnología para tratar la contaminación del aire son los materiales nanoadsorbentes, la degradación por nanocatálisis y la filtración/separación por nanofiltros. Los adsorbentes a nanoescala son el principal alivio para muchos problemas de contaminación del aire. Su estructura permite una gran interacción con compuestos orgánicos, así como una mayor selectividad y estabilidad en la capacidad máxima de adsorción. Otras ventajas incluyen altas conductividades eléctricas y térmicas, alta resistencia, alta dureza. Los contaminantes objetivo que pueden ser atacados por nanomoléculas son 〖NO〗_x, 〖CO〗_2, 〖NH〗_3, N_2, COV, vapor de isopropilo, gases 〖CH〗_3 OH, N_2 O, H_2 S. Los nanotubos de carbono eliminan partículas específicamente de muchas maneras. Un método es pasarlas a través de los nanotubos donde las moléculas se oxidan; luego, las moléculas se adsorben en una especie de nitrato. Los nanotubos de carbono con grupos amina proporcionan numerosos sitios químicos para la adsorción de dióxido de carbono en rangos de baja temperatura de 20°-100° grados Celsius. Las fuerzas de Van der Waals y las interacciones π-π también se utilizan para atraer moléculas hacia grupos funcionales de la superficie. El fulereno se puede utilizar para eliminar la contaminación por dióxido de carbono debido a su alta capacidad de adsorción. Los nanotubos de grafeno tienen grupos funcionales que adsorben gases. Hay muchos nanocatalizadores que se pueden utilizar para reducir la contaminación del aire y mejorar la calidad del aire. Algunos de estos materiales incluyen 〖TiO〗_2〗, vanadio, platino, paladio, rodio y plata. La reducción catalítica de las emisiones industriales, la reducción de los gases de escape de los automóviles y la purificación del aire son solo algunos de los principales impulsores en los que se utilizan estos nanomateriales. Ciertas aplicaciones no están muy extendidas, pero otras son más populares. Contaminación del aire en interioresAún no se encuentra en el mercado, pero se está desarrollando de manera más eficiente debido a las complicaciones que presenta con los efectos sobre la salud. La reducción de emisiones de escape de los automóviles se usa ampliamente en los automóviles que funcionan con combustible diésel y actualmente es una de las aplicaciones más populares. La reducción de emisiones industriales también se usa ampliamente. Es un método integral, específicamente en las centrales eléctricas de carbón y en las refinerías. Estos métodos se analizan y revisan utilizando imágenes SEM para garantizar su utilidad y precisión. [40] [41]
Además, actualmente se están llevando a cabo investigaciones para averiguar si se pueden diseñar nanopartículas para separar los gases de escape de los automóviles del metano o el dióxido de carbono, [39] que se sabe que dañan la capa de ozono de la Tierra. De hecho, John Zhu, profesor de la Universidad de Queensland , está explorando la creación de un nanotubo de carbono (CNT) que puede atrapar gases de efecto invernadero cientos de veces más eficientemente que los métodos actuales. [42]
La exposición constante a la contaminación por metales pesados y partículas en suspensión puede provocar problemas de salud como cáncer de pulmón, enfermedades cardíacas e incluso enfermedades de las neuronas motoras. Sin embargo, la capacidad de la humanidad para protegerse de estos problemas de salud puede mejorarse con sensores nanocontacto precisos y rápidos capaces de detectar contaminantes a nivel atómico. Estos sensores nanocontacto no requieren mucha energía para detectar iones metálicos o elementos radiactivos. Además, pueden fabricarse en modo automático para que puedan utilizarse de forma legible en cualquier momento. Además, estos sensores nanocontacto son rentables y ahorran energía, ya que están compuestos con equipos de fabricación microelectrónica convencionales que utilizan técnicas electroquímicas. [37]
Algunos ejemplos de monitoreo basado en nanotecnología incluyen:
Aunque la nanotecnología verde presenta muchas ventajas sobre los métodos tradicionales, todavía hay mucho debate sobre las preocupaciones que genera. Por ejemplo, dado que las nanopartículas son lo suficientemente pequeñas como para ser absorbidas por la piel y/o inhaladas, los países están exigiendo que se estudien en profundidad las repercusiones de la nanotecnología en los organismos. De hecho, el campo de la eco- nanotoxicología se fundó únicamente para estudiar el efecto de la nanotecnología en la Tierra y todos sus organismos. Por el momento, los científicos no están seguros de lo que ocurrirá cuando las nanopartículas se filtren en el suelo y el agua, pero organizaciones como NanoImpactNet se han propuesto estudiar estos efectos. [39]