Opinión


Materiales nanométricos: un avance para aplicaciones de energía y salud

Materiales nanométricos: un avance  para aplicaciones de energía y salud | La Crónica de Hoy

Salvador Fernández y Uriel Sierra

En el 2004 se inició una revolución en el campo de la química y los materiales avanzados; en ese año, los investigadores ingleses Geim y Novoselov demostraron la existencia de materiales bidimensionales al publicar por primera vez el aislamiento de una delgada película de grafeno (Science 2004). Se considera al  grafeno un material de dos dimensiones porque su espesor, de menos de la millonésima parte de un milímetro, es muy pequeño comparado con las dimensiones de los laterales de la red, su ancho y largo, que suelen ser miles o millones de veces mayores. El hallazgo llevó a que se otorgara el premio Nobel de Física a Geim y Novoselov en el año 2010.

El grafeno es un material compuesto solamente de átomos de carbón unidos entre sí en una red de anillos hexagonales de carbono, semejante a un panal de abejas. La red tiene la peculiaridad de estar formada por dos tipos de unión entre sus átomos, una de ellas literalmente genera una nube de electrones en ambos lados de la red que hace del grafeno uno de los mejores conductores de electricidad conocidos hasta el momento.

Hasta la publicación del 2004, la comunidad científica debatía la posibilidad de que los materiales de dos dimensiones fueran estables y si podrían ser aislados sin que la vibración de las láminas llevaran a su pronta descomposición. El descubrimiento de Geim y Novoselov terminó la controversia e inauguró la era de los materiales de dos dimensiones; al primer artículo le siguieron muchos más en los que esos mismos científicos  demostraron el aislamiento y existencia de una diversidad de materiales bidimensionales.

Otros investigadores ampliaron el interés sobre los materiales bidimensionales retomando estudios sobre los nitruros de carbono grafíticos, los que se especulaba podrían a su vez generar materiales de dos dimensiones con propiedades distintas a las mostradas por grafeno. Los nitruros de carbono grafíticos (gCN) están formados por unidades hexagonales de átomos interpuestos de nitrógeno y carbono unidos entre sí. Por su disposición los átomos generan una red similar a la del grafeno, presentando una  nube de electrones expuesta sobre la superficie de sus láminas. Actualmente los gCN se preparan con facilidad por la pirolisis de materias primas de alto contenido de átomos  de nitrógeno y carbono. Destacan la urea, un fertilizante de amplio uso en labores agrícolas y la melamina, precursor de una variedad de polímeros plásticos usados para fabricar diversos materiales. Aunque otras materias primas pueden ser igualmente usadas en la fabricación de gCN, las dos primeras son económicas e inocuas, lo que facilita su uso y asegura la obtención de gCN a bajo costo.

Pese a que desde mediados del siglo XIX se conoce la existencia y método de preparación de los nitruros de carbono grafíticos, hasta fecha reciente se sabe con más detalle su estructura y posible bi-dimensionalidad. Por su complejidad, los materiales no fueron estudiados a profundidad sino hasta el año 2009, en el que se publicó la generación de hidrógeno bajo irradiación de luz visible de suspensiones acuosas de gCN. El hallazgo despertó gran interés, indicando la posibilidad de producir cantidades inagotables del gas y, a partir de él de energía, fundamental para toda actividad humana.   Aunque la fotocatálisis sigue siendo el interés principal y mayor línea de investigación sobre los gCN, éstos han sido evaluados como materia prima de elaboración de múltiples dispositivos.

Las propiedades fotocatalíticas se han empleado con éxito en métodos de foto-remediación en los que los nitruros catalizan la degradación de moléculas orgánicas contenidas en cuerpos de agua. La aplicación ayuda a disminuir la creciente contaminación, posibilitando el uso y recuperación continua del líquido.

Los gCN presentan otras propiedades interesantes, particularmente al combinarse con fotocatalizadores inorgánicos como el dióxido de titanio. Se conoce que el dióxido de titanio interactúa con la luz separando los fotones incidentes sobre su superficie en pares de electrón-hueco (exitones); al evitar la recombinación del exitón, separando  los electrones de su contraparte y canalizando los primeros hacia materiales conductores, es posible generar un flujo de electrones y por ello energía eléctrica.  Esta aplicación ha sido estudiada con éxito en la fabricación de celdas solares,  con las que se logrará un suministro continuo de electricidad valiéndose de la inagotable irradiación solar.

Otras aplicaciones de compuestos de gCN con metales y óxidos metálicos se encuentran bajo intenso estudio. Entre ellas destacan el uso de los compuestos como materiales para la obtención de bioimágenes y en aplicaciones biomédicas. Pese a su posible utilización en la manufactura de sensores, el uso de materiales de nitruro de carbono grafíticos y sus derivados decorados con nanopartículas metálicas, o de óxidos de metales, para fines de medición de contenido de moléculas biológicamente relevantes como glucosa, ácido úrico, dopamina, peróxido de hidrógeno y otras, ha sido muy poco estudiado.

La diabetes se encuentra entre las enfermedades de mayor impacto sobre el sector salud, con una prevalencia nacional del 10.7% en personas entre 20 y 69 años. Su detección temprana y su monitoreo son estrategias de control de la dolencia frecuentemente utilizadas. Una herramienta aceptada se vale de la determinación de contenidos de glucosa y/o peróxido de hidrógeno en la sangre de personas afectadas. Para ese propósito se usan diferentes dispositivos y materiales de sensado. Se conoce que nanopartículas de oro, plata y cobre pueden ser empleadas en la medición electroquímica de contenidos de esas moléculas. En este sentido, el depósito de las partículas sobre materiales que disminuyan su aglomeración y/o inhiban su degradación puede ser una estrategia útil que permita el uso exitoso de esos materiales. En el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos perteneciente al CIQA (Saltillo) hemos encontrado que los gCN pueden ser preparados y decorados con facilidad por tratamiento reductivo in situ de suspensiones de gCN con disoluciones de sales precursoras de los metales, generando los compuestos gCN-metal correspondientes. Variando los métodos de reducción y las relaciones en peso de gCN-metal, hemos determinado por primera vez, que los nanocompuestos fabricados son capaces de medir electroquímicamente contenidos de glucosa y H2O2 en soluciones acuosas, con sensibilidades equivalentes o mayores a las reportadas para muchos de los materiales no basados en nitruros de carbono grafítico descritos en la literatura.

Esperamos que los materiales y métodos encontrados coadyuven en el tratamiento exitoso de la diabetes en México y en atender la demanda de desarrollo sostenible de la agenda 2030 en salud y bienestar que proyecta “para 2030, reducir en un tercio la mortalidad prematura por enfermedades no transmisibles mediante la prevención y el tratamiento y promover la salud mental y el bienestar”.

* El doctor Salvador Fernández Tavizón es Coordinador del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos, del Centro de Investigación en Química Aplicada.

El doctor Uriel Alejandro Sierra Gómez es colaborador del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos del mismo Centro.

 

 

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