Enfoques Las fronteras de la ciencia
La lucha contra la contaminación radiactiva
Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
[09.10.2012] Leer en otro idioma : ENGLISH | 日本語 | 简体字 | 繁體字 | FRANÇAIS | العربية |

En el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, en Tsukuba, prefectura de Ibaraki, los científicos están desarrollando nuevas aplicaciones que pueden llegar a lograr que millones de personas puedan beber agua con seguridad, así como resolver la pesadilla de la contaminación radiactiva que ha afectado a Japón desde la catástrofe del año pasado en la central nuclear de Fukushima Daiichi.

Liberando el “nano poder”

Sherif El-Safty vierte una pizca de polvo de sílice especialmente tratado en un tubo de ensayo que contiene una solución acuosa. Sus ojos brillan cuando observa el vial a contraluz. En cuestión de segundos el agua se torna verde, lo que indica presencia de yodo.

“Cuando los materiales detectan la toxina que se buscaba, cambia de color. Pero no solamente estamos detectando la toxina, sino que también la estamos absorbiendo. Esto es muy importante”, afirma El-Safty. “En unos pocos segundos la solución queda descontaminada. Antes eso no era posible. El cambio de color muestra la concentración de la toxina. Cuatro funciones en una: eliminación, visualización, estimación y especificidad. Estas son las características de nuestra nueva tecnología”.

El Instuto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS, por sus siglas en inglés) es uno de los centros líderes en el mundo en investigación sobre materiales mesoporosos, un tipo de nanomateriales que contienen una gran cantidad de espacios vacíos dispuestos de forma regular, denominados poros. Cada uno de estos poros tiene un diámetro de tan solo 2-50 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro). El material es como un panal con pequeños agujeros: la combinación de un tamaño medido en nanómetros con una superficie de grandes dimensiones hace que esos materiales tengan mucho potencial.

Los científicos japoneses fueron de los primeros en lograr importantes innovaciones en el campo de los materiales mesoporosos, hace unos veinte años. El propio El-Safty llegó a Japón en 2001, y ahora es miembro permanente del NIMS, así como profesor en la Universidad Waseda. Originario de Egipto, dirige un equipo compuesto principalmente por investigadores homólogos de Oriente Medio. El-Safty y sus colegas son parte de un entorno internacional en el NIMS, cuya cafetería bulle con conversaciones en distintos idiomas y sus letreros están escritos en chino, hindú, inglés y árabe, además de japonés.

“Llevo unos quince años trabajando con estos materiales. Al principio se trataba de un nuevo campo, muy audaz y apasionante. Las nanopartículas han existido siempre. En el antiguo Egipto y en la Europa medieval usaron nanomateriales por sus propiedades únicas (sin darse cuenta de que lo hacían, claro). Las nanopartículas ofrecen cualidades especiales de color, estabilidad, dureza y flexibilidad. Pero llegar a entender cómo modificar y fabricar estos materiales es un aspecto nuevo, con un increíble potencial. Hasta alrededor del año 2000, lo apasionante era desarrollar nuevos materiales. Pero el centro de atención ha ido cambiado, y ahora nos concentramos en encontrar aplicaciones prácticas para estos nuevos materiales”.

Nanosoluciones para los problemas de agua en el mundo

El trabajo de El-Safty se ha centrado en el medio ambiente, utilizando las propiedades de los materiales mesoporosos para absorber contaminantes y toxinas del agua, y recientemente también del aire y el suelo.

“La contaminación del agua es un gran problema, especialmente en los países en vías de desarrollo. El ochenta por ciento de todas las enfermedades proviene del agua. Mil millones de personas no tienen acceso a agua potable. Nuestra tarea es simple: ¿cómo podemos utilizar nuestros materiales para ayudar a paliar esta situación?”.

El-Safty y su equipo trabajan conjuntamente con colegas en Oriente Medio y con países en vías de desarrollo como Bangladesh o Indonesia.

“Países como Arabia Saudita y Kuwait son ricos en petróleo pero muy pobres en agua. La mayor parte de su agua potable la consiguen mediante la desalinización del agua del mar Mediterráneo y del mar Rojo. No es una tarea sencilla, y el agua resultante presenta altas concentraciones de metales pesados y toxinas, como el plomo y el arsénico”.

Los materiales mesoporosos desarrollados por El-Safty y su equipo pueden utilizarse para aislar esos peligrososos elementos. Se trata de materiales que pueden realizar excepcionalmente dos funciones a la vez. Detectan las toxinas peligrosas y al mismo tiempo las capturan. Las paredes de los poros están recubiertas de un compuesto especial que absorbe las toxinas que nos interesan. La estructura de los nanomateriales y el pequeño tamaño de los poros permiten a los materiales detectar y absorber las toxinas en concentraciones muy pequeñas (hasta tan solo unas pocas partes por billón).

“Nuestros materiales logran eliminar prácticamente toda la toxina en una única fase: el 99,97% en el caso del arsénico. Reaccionan muy rápidamente, en solo un minuto o a veces en segundos”. El-Safty afirma que los materiales de su equipo son aproximadamente mil veces más potentes que la mejor de las tecnologías anteriores.

“Nuestros materiales podrían utilizarse como las bolsitas de té para uso doméstico. Se rellenan las bolsitas con este polvo, se colocan en un receptáculo con agua y se dejan así toda la noche. A la mañana siguiente, el agua ya está purificada”.

Un antídoto específico para cada veneno

Es de vital importancia destacar que los materiales son específicos para un contaminante determinado. “En el caso del agua, solo deseamos eliminar una toxina específica y dejar los demás minerales que son beneficiosos para la salud. Nuestros materiales hacen posible localizar un elemento y eliminar solo ese elemento. Es la primera vez que esto es posible”. Los nanomateriales pueden “funcionalizarse” para distintas toxinas y distintos fines mediante un proceso que El-Safter denomina “acabado”.

“Se utilizan distintos acabados para distintos fines. Es como cuando una persona se viste de forma distinta según la ocasión. Al utilizar distintos nanomateriales y distintos acabados, podemos utilizar la misma tecnología para una amplia gama de diversos fines”.

Sílice mesoporoso: su interior alberga un extensa estructura de poros microscópicos en forma de panal.

Otra innovación crucial es que los materiales son estables y duraderos. Esto significa que los mismos materiales pueden ser utilizados una y otra vez. Un problema importante que ocurría anteriormente con nanoestructuras similares era que el menudo tamaño de los materiales las hacía extremadamente frágiles. “La vida de los materiales es un aspecto crucial”, comenta El-Safty. “Si nuestros materiales fallasen tras un mes en el mercado, nadie lo volvería a utilizar nunca más”.

“En cuanto a la gestión de los residuos, los materiales son reciclables. Después de extraer mercurio del agua, por ejemplo, podemos recoger ese mercurio de los nanomateriales. A continuación se limpian y preparan los materiales para un nuevo uso. Se puede usar los materiales veinte veces sin cambiar el acabado. Transcurrido un cierto tiempo, se limpian los materiales y se les vuelve a aplicar el acabado, y así pueden reutilizarse casi indefinidamente”.

Explotación urbana y descontaminación de radiación

En Japón, donde el acceso a agua potable no suele ser problema, gran parte de las investigaciones del equipo se han centrado en la manera de “explotar” recursos preciosos de latas de aluminio recicladas y otros materiales desechados. “Nuestros materiales pueden ser utilizados para separar un elemento valioso específico del polvo producido por una empresa de reciclaje. Podemos aislar un elemento específico y reutilizarlo. La mayoría de las masas de desechos son plásticos y otros materiales. Pero también podemos encontrar elementos útiles como cobalto, platino y oro. Estos elementos pueden representar el 1% o menos del total, pero la nanotecnología es perfecta para trabajar a estos niveles tan bajos. Y el coste de extraer estos elementos preciosos es muy bajo: tan solo setenta yenes por un gramo de paladio, por ejemplo, o noventa por un gramo de oro. Estos elementos pueden ser detectados en concentraciones de tan solo 0,5 partes por mil millones.”

Sin embargo, desde el accidente nuclear de Fukushima de marzo de 2011, El-Safty y su equipo han concentrado sus esfuerzos en la búsqueda de elementos menos glamurosos. Poco después de la catástrofe, todos los demás proyectos del equipo quedaron paralizados para poder responder al llamamiento del gbierno para realizar trabajos urgentes sobre descontaminación de radiación. El trabajo del equipo en este campo ya ha generado tres nuevas patentes.

“Fueron unos días increíbles, frenéticos; no solo para nosotros sino para todo el mundo”, afirma El-Safty. “Casi inmediatamente después de la catástrofe, el presidente del Instituto nos mandó centrar todos nuestros esfuerzos en el yodo. Este fue el primer elemento radiactivo detectado tras el accidente, y por ello el gobierno nos pidió que encontrásemos la manera de detectarlo. ¡Pero después llegó el estroncio! ¡Y a continuación el cesio! Estos elementos son aproximadamente diez veces más grandes que las toxinas que estábamos tratando con el agua. Esto dificultó la tarea de atrapar las moléculas en los nanoporos de nuestra estructura en panal. Las interacciones con estos elementos son muy débiles”.

Después de trabajar sin parar durante meses, utilizando más de cien materiales y acabados distintos, el equipo logró utilizar la nueva tecnología para absorber el yodo en bajas concentraciones de una parte por mil millones. Después vino el estroncio. Y hace poco, El-Safty ha conseguido avanzar con el cesio.

Un aspecto que hace especialmente atractiva esta tecnología es su rapidez y bajo coste. “En una fábrica, sería posible crear toneladas de nanomateriales en muy poco tiempo. Esto permitiría descontaminar muchas toneladas de agua a la vez. En este momento nos encontramos en la fase de desarrollo, y todo tiene que ser comprobado para que sea seguro. Esto ya es tarea del gbierno y del sector privado. Nosotros solo producimos los materiales. Pero incluso en nuestras instalaciones podemos producir un kilo en tan solo treinta minutos. El potencial de producción industrial a gran escala es enorme. Recuerde lo que le digo: ¡el futuro es nano!”

Los cambios de color indican que se ha detectado y absorbido una toxina determinada. El doctor El-Safty ha desarrollado materiales para una amplia gama de sustancias contaminantes y radiactivas.

 

La absorción de cesio: un nuevo avance

Yamauchi Yūsuke ha logrado sintetizar un nuevo azul de Prusia mesoporoso con el sencillo método de mezclar polímeros hidrosolubles con una solución de azul de Prusia.

Mientras tanto, el científico independiente Yamauchi Yūsuke y sus colegas del Centro Internacional de Nanoarquitectura de Materiales del NIMS han utilizado el pigmento azul de Prusia para desarrollar un material mesoporoso que puede absorber el cesio. El azul de Prusia es un compuesto que contiene hierro y que tiene un color azul brillante. Este compuesto forma cristales de estructura de red cúbica, y el cesio es absorbido en los intersticios de esa red. La estructura permanece estable dentro del cuerpo, y el azul de Prusia se utiliza a veces como agente desintoxicante cuando se han ingerido grandes cantidades de cesio. No obstante, hasta hace poco, el azul de Prusia no absorbía el cesio de manera particularmente eficiente. El doctor Yamauchi y sus colegas han logrado mejorar la capacidad de absorción del cesio formando cristales de azul de Prusia con una estructura mesoporosa.

Estructura de la superficie (izquierda) y estructura interna (derecha) del azul de Prusia mesoporoso. La superficie está recubierta de finos poros, con una cavidad más grande en su interior. (Fotos cortesía de Yamauchi Yūsuke)

Los científicos ya habían intentado antes potenciar la capacidad de absorción de cesio del azul de Prusia utilizando materiales porosos con una superficie grande, pero conseguirlo resultaba difícil con cristales de poros abiertos fabricados con un molde convencional.

“Y se nos ocurrió la idea de grabar los poros en los cristales”, explica Yamauchi. El nuevo método de síntesis que han desarrollado genera partículas uniformes de azul de Prusia y añade polímeros hidrosolubles a la solución. Esto hace que los polímeros se peguen a la superficie de las partículas. Si la solución se hace ácida, las partes en donde no se han pegado polímeros se disuelven, dejando así innumerables poros finos.

El doctor Yamauchi analiza la estructura cristalina del azul de Prusia mesoporoso.

“El objetivo era que la superficie fuese lo más extensa posible”, afirma Yamauchi. “Para conseguirlo, insertamos poros grandes y pequeños de todos los tamaños de forma irregular en los cristales”. Los cristales resultantes tienen una superficie de 330 m2 por gramo, más de diez veces que el azul de Prusia comercial. Esto significa que se puede absorber diez veces más cesio utilizando la misma cantidad de azul de Prusia. Yamauchi confía en que esta mejora de rendimiento permitirá utilizar el material para tratar tierra contaminada y otras sustancias.

Eliminar los materiales radiactivos que se filtraron durante la catástrofe de Fukushima será una operación a largo plazo. Quedan por resolver varias cuestiones antes de que los nuevos materiales de El-Safty y Yamauchi puedan ser producidos y utilizados a gran escala, pero en los laboratorios del NIMS ya se han dado los primeros pasos hacia la descontaminación.

(Escrito originalmente en japonés por Satō Narumi y traducido al español de la versión editada en inglés. Fotografías de Kawamoto Seiya.)

  • [09.10.2012]
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