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 productos de nanotecnología para mejorar la sostenibilidad . Incluye la fabricación de nanoproductos ecológicos y el uso de nanoproductos en apoyo de la sostenibilidad. [ cita necesaria ]
La palabra VERDE en el nombre Green Nanotechnology tiene un doble significado. Por un lado, describe las tecnologías respetuosas con el medio ambiente utilizadas para sintetizar partículas a escala nanométrica; por otro lado se refiere a la síntesis de nanopartículas mediada por extractos de plantas de clorofilo. [1] La nanotecnología verde ha sido descrita como el desarrollo de tecnologías limpias , "para minimizar los riesgos potenciales para el medio ambiente y 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 ecológicos". amigable durante todo su ciclo de vida ." [2]
La nanotecnología verde tiene dos objetivos: producir nanomateriales y productos sin dañar el medio ambiente o la salud humana, y producir nanoproductos que brinden soluciones a los problemas ambientales. Utiliza los principios existentes de química e ingeniería verdes [3] para fabricar nanomateriales y nanoproductos sin ingredientes tóxicos, a bajas temperaturas, utilizando menos energía e insumos renovables siempre que sea posible, y utilizando el pensamiento del ciclo de vida en todas las etapas de diseño e ingeniería.
Además de fabricar nanomateriales y productos con menor impacto para el medio ambiente, la nanotecnología verde también significa utilizar la nanotecnología para hacer que los procesos de fabricación actuales de materiales y productos no nano sean más respetuosos con el medio ambiente. Por ejemplo, las membranas a nanoescala pueden ayudar a separar los productos de reacción química deseados de los materiales de desecho de las plantas. Los catalizadores a nanoescala pueden hacer que las reacciones químicas sean más eficientes y menos derrochadoras. Los sensores a nanoescala pueden formar parte de sistemas de control de procesos , trabajando con sistemas de información nano-habilitados. El uso de sistemas de energía alternativos , posibles gracias a la nanotecnología, es otra forma de lograr procesos de fabricación "verdes".
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 ligeros para automóviles y otros medios de transporte podrían ahorrar combustible y reducir los materiales utilizados para la producción; las pilas de combustible basadas en nanotecnología y los diodos emisores de luz (LED) podrían reducir la contaminación procedente de la generación de energía y ayudar a conservar los combustibles fósiles; los revestimientos superficiales autolimpiantes a nanoescala podrían reducir o eliminar muchos productos químicos de limpieza utilizados en las rutinas de mantenimiento habituales; [4] y una mayor duración de la batería podría conducir a un menor uso de material y menos desperdicio. La nanotecnología verde adopta una visión sistémica amplia de los nanomateriales y productos, garantizando 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 , pilas 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 (mediante un mejor aislamiento térmico, por ejemplo) y fuentes de energía renovables 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 del vatio de energía solar es inferior al dólar.
Se están realizando investigaciones para utilizar nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes de lo que es posible con las células solares planas de silicio convencionales. [7] [8] Otro ejemplo es el uso de pilas de combustible alimentadas por hidrógeno, que potencialmente utilizan un catalizador que consiste en partículas de metales nobles soportadas por 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 baterías , donde el uso de nanomateriales puede permitir baterías con mayor contenido energético o supercondensadores con una mayor tasa de recarga. [ cita necesaria ]
La nanotecnología ya se utiliza para proporcionar recubrimientos de mejor rendimiento para paneles fotovoltaicos y solares térmicos. Las propiedades hidrofóbicas y autolimpiantes se combinan para crear paneles solares más eficientes, especialmente durante las inclemencias del tiempo. Se dice que los fotovoltaicos cubiertos con recubrimientos de nanotecnología permanecen más 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, aguas subterráneas , aguas 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 bajo investigación y desarrollo activo 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 consiste en membranas de ósmosis inversa (RO), nanofiltración y ultrafiltración. De hecho, entre los productos emergentes se encuentran 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 bacterias, virus y metales pesados. Esta eficiencia generalmente se debe a la muy alta superficie específica de los nanomateriales, que aumenta la disolución, la reactividad y la sorción de contaminantes. [13] [14]
La nanorremediación es el uso de nanopartículas para la remediación ambiental . [15] [16] La nanorremediación se ha utilizado más ampliamente para el tratamiento de aguas subterráneas, con una extensa 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] Aún 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 hierro nanovalente cero para la limpieza de aguas subterráneas, se han implementado en sitios de limpieza a gran escala. [16] La nanorremediación es una industria emergente; En 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 desintoxicante o inmovilizadora. Este proceso normalmente 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 puede controlar ciertas reacciones químicas. Se ha demostrado que el buckminsterfullereno tiene la capacidad de inducir la protección de especies reactivas de oxígeno y provocar peroxidación lipídica. Este material puede permitir que el combustible de hidrógeno sea más accesible para los consumidores. [ cita necesaria ]
En 2017, se formó RingwooditE Co Ltd para explorar la tecnología de trampas termonucleares (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 isótopos que por naturaleza no deberían estar en el agua potable 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 del mar, tras las catástrofes de las centrales nucleares y las torres de las plantas de agua de refrigeración. Mediante esta tecnología se eliminan restos farmacéuticos, así como narcóticos y tranquilizantes. Las capas del fondo y las paredes de lagos y ríos se pueden devolver después de haber sido limpiadas. La maquinaria utilizada para este fin es muy similar a la de la minería en aguas profundas . Los residuos eliminados se clasifican mediante el proceso y pueden reutilizarse como materia prima para otras producciones industriales.
La nanofiltración es un proceso de filtración de membrana relativamente reciente que se utiliza con mayor frecuencia en aguas con un bajo 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 la desinfección, como materia orgánica natural y sintética. materia orgánica. [24] [25] La nanofiltración también se está utilizando cada vez más ampliamente en aplicaciones de procesamiento de alimentos , como los lácteos , para la concentración simultánea y la desmineralización parcial ( ion monovalente ) .
La nanofiltración es un método basado en filtración por membrana que utiliza poros pasantes cilíndricos de tamaño nanométrico que atraviesan la membrana a 90°. Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de 1 a 10 Angstrom , más pequeñas que las utilizadas en microfiltración y ultrafiltración , pero ligeramente más grandes que las de ósmosis inversa . Las membranas utilizadas se crean principalmente a partir de películas finas de polímeros. Los materiales que se utilizan comúnmente incluyen tereftalato de polietileno o metales como el aluminio . [26] Las dimensiones de los poros están controladas por el pH , la temperatura y el tiempo durante el desarrollo con densidades de poros que varían de 1 a 106 poros por cm 2 . Las membranas hechas de tereftalato de polietileno y otros materiales similares se conocen como membranas de "grabado en pista", nombradas así por la forma en que se forman los poros de las membranas. [27] El "seguimiento" implica bombardear la fina película 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 la membrana, que son los poros. Las membranas creadas a partir de metales, como las membranas de alúmina, se fabrican haciendo crecer electroquímicamente una fina capa de óxido de aluminio a partir de aluminio en un medio ácido.
Algunos dispositivos de tratamiento de agua que incorporan nanotecnología ya están en el mercado y hay más en desarrollo. En un estudio reciente, se ha demostrado que los métodos de membranas de separación 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 ha ido empeorando debido a la explosión demográfica, la creciente necesidad de agua limpia y la aparición de contaminantes adicionales. Una de las alternativas ofrecidas es la nanotecnología antimicrobiana, afirmó que varios nanomateriales mostraron 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 en bajas concentraciones. [29] Actualmente también existen sistemas de purificación comerciales basados en fotocatálisis de óxido de titanio y los estudios muestran que esta tecnología puede lograr la inactivación completa de los coliformes fecales en 15 minutos una vez activados por la luz solar. [29]
Hay cuatro clases de nanomateriales que se emplean para el tratamiento del agua y 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 del contacto, mayor área superficial 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 se están volviendo resistentes a múltiples fármacos sintéticos, lo que lleva a la aparición de cepas de microbios MDR (multirresistentes a fármacos), que suponen un desafío para el 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 trabajadores han informado que las nanopartículas sintetizadas utilizando extractos de plantas han demostrado exhibir propiedades medicinales mejoradas en comparación con los extractos solos. [36]
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) documenta más de diez mil vertidos de petróleo al año. Convencionalmente, 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 irremplazable petróleo perdido. Sin embargo, los nanocables no sólo pueden limpiar rápidamente los derrames de petróleo, sino también recuperar la mayor cantidad de petróleo posible. Estos nanocables forman una malla que absorbe hasta veinte veces su peso en líquidos hidrofóbicos mientras rechaza el agua con su revestimiento repelente al agua. Dado que el óxido de potasio y manganeso es muy estable incluso a altas temperaturas, el aceite se puede eliminar de los nanocables por ebullición y luego 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. 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 petrolíferas y refinerías dañadas. [38]
Una innovación de la nanotecnología verde que se encuentra actualmente en desarrollo son las nanomáquinas modeladas a partir de una bacteria diseñada mediante bioingeniería para consumir plásticos, Ideonella sakaiensis . Estas nanomáquinas son capaces de descomponer plásticos docenas de veces más rápido que las bacterias creadas mediante bioingeniería, no sólo debido a su mayor superficie sino también porque la energía liberada al descomponer el plástico se utiliza para alimentar las nanomáquinas. [ cita necesaria ]
Además del tratamiento del agua y la remediación ambiental, la nanotecnología está mejorando actualmente la calidad del aire. Se pueden diseñar nanopartículas para catalizar o acelerar la reacción para transformar gases perniciosos 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 (Mg 2 O) para purificar sustancias orgánicas peligrosas en el humo. Aunque ya existen catalizadores químicos en los vapores gaseosos de los automóviles, la nanotecnología tiene mayores posibilidades de reaccionar con las sustancias nocivas contenidas en los vapores. Esta mayor probabilidad proviene del hecho de que la nanotecnología puede interactuar con más partículas debido a su mayor superficie. [39]
La nanotecnología se ha utilizado para remediar la contaminación del aire, incluida la contaminación de los gases de escape de los automóviles y, potencialmente, los gases de efecto invernadero debido a su gran superficie. Según una investigación realizada por Environmental Science Pollution Research International, la nanotecnología puede ayudar específicamente a tratar nanopartículas a base de carbono, gases de efecto invernadero y compuestos orgánicos volátiles.. También se está trabajando en el desarrollo de nanopartículas antibacterianas, nanopartículas de óxidos metálicos y agentes modificadores para procesos de fitorremediación. La nanotecnología también puede ofrecer la posibilidad de prevenir la contaminación del aire debido a su escala extremadamente pequeña. La nanotecnología ha sido aceptada como 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 reforzada por la gran 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 utiliza la nanotecnología para tratar la contaminación del aire son materiales nanoadsortivos, degradación por nanocatálisis y filtración/separación mediante nanofiltros. Los adsorbentes a nanoescala son el principal alivio de muchos problemas de contaminación del aire. Su estructura permite una gran interacción con compuestos orgánicos así como una mayor selectividad y estabilidad en la máxima capacidad de adsorción. Otras ventajas incluyen altas conductividades eléctricas y térmicas, alta resistencia y alta dureza. Los contaminantes objetivo a los que pueden apuntar las 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 específicamente las partículas en Muchas maneras. Un método es hacerlos pasar a través de los nanotubos donde se oxidan las moléculas; 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 temperatura bajos 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 fullereno 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 pueden usarse para reducir la contaminación y 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 sólo algunos de los principales objetivos en los que se están utilizando estos nanomateriales. Algunas aplicaciones no están muy extendidas, pero otras son más populares. La contaminación del aire en interioresApenas está en el mercado todavía, pero se está desarrollando de manera más eficiente debido a complicaciones con efectos sobre la salud. La reducción de las emisiones de escape de los automóviles se utiliza ampliamente en los automóviles que funcionan con diésel y actualmente es una de las aplicaciones más populares. La reducción de emisiones industriales también se utiliza ampliamente. Es un método integral específicamente en centrales eléctricas de carbón y refinerías. Estos métodos se analizan y revisan mediante imágenes SEM para garantizar su utilidad y precisión. [40] [41]
Además, actualmente se están realizando investigaciones para descubrir si se pueden diseñar nanopartículas para separar los gases de escape de los automóviles del metano o dióxido de carbono, [39] que se sabe que daña 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 perpetua a la contaminación por metales pesados y partículas dará lugar a 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 mediante sensores de nanocontacto precisos y rápidos capaces de detectar contaminantes a nivel atómico. Estos sensores de nanocontacto no requieren mucha energía para detectar iones metálicos o elementos radiactivos. Además, se pueden realizar en modo automático para que puedan ser utilizados de forma legible en cualquier momento. Además, estos sensores de nanocontacto son energéticamente y rentables ya que están compuestos con equipos de fabricación microelectrónicos convencionales que utilizan técnicas electroquímicas. [37]
Algunos ejemplos de monitoreo nanométrico 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 exigen que se estudien en profundidad investigaciones adicionales sobre el impacto de la nanotecnología en los organismos. De hecho, el campo de la econanotoxicología 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 qué sucederá cuando las nanopartículas se filtren en el suelo y el agua, pero organizaciones como NanoImpactNet se han propuesto estudiar estos efectos. [39]