La conexión Nanotecnología – Agua

El desarrollo de la Humanidad ha estado ligado a la capacidad de ingeniar y utilizar tecnologías vinculadas al agua: tecnologías de extracción, acumulación, distribución, eliminación y depuración de aguas residuales, sistemas optimizados de riego, sistemas de contención de aguas, mecanismos de desalación de agua marina, obtención de alimentos mediante acuicultura, obtención de energía eléctrica en saltos hidráulicos, etc. El aumento de la población y la mejora de las condiciones de vida de una gran parte de ésta han disparado la demanda de recursos hídricos requeridos para las actividades industriales, agropecuarias o turísticas y para el consumo doméstico. Sin embargo, el acceso a los recursos hídricos es muy desigual. Por ejemplo, en EE.UU. se consumen 575 litros por habitante y día, mientras que hay un buen número de países en los que consumo medio es inferior a unas pocas decenas de litros por día, por debajo de los límites que aseguran la supervivencia. En la actualidad más de cuatro mil millones de personas tienen problemas cotidianos para acceder a este recurso, y más de mil millones viven en condiciones de claro “déficit hídrico”. Sobre esta situación se debe añadir un nuevo ingrediente perturbador: las modificaciones en el régimen de precipitaciones y la ampliación de zonas desérticas consecuencia del inexorable cambio climático.

En España, el consumo de agua por persona es de unos 320 litros/día lo que nos sitúa entre la decena de países que más agua necesitan (o despilfarran, según se mire). Un 80% de este consumo se dedica a regadío, un 14% al abastecimiento de núcleos urbanos y un 6% a usos industriales. El agua está entre los temas de creciente interés social como demuestra el continuo debate sobre la explotación abusiva de manantiales, aguas de superficie y aguas subterráneas, las movilizaciones a favor y en contra de los transvases desde la cuenca del río Tajo a la del Segura, la encrespada discusión política sobre las paralizadas obras del transvase del Ebro, la incorporación en los Estatutos de Autonomía de las competencias sobre la gestión de las cuencas hidrológicas, los debates sobre la construcción de las plantas desaladoras, la ineficiencia en los sistemas tradicionales de riego o la necesidad de racionalizar el uso de más de medio millón de piscinas o de 400 campos de golf. Es un tema que da mucho juego.

Es evidente que el tema del agua es estratégico a nivel mundial y sobre todo debe serlo en países como España. Las soluciones a los problemas planteados en las diversas actividades que rodean a este tema deben abordarse mediante nuevos enfoques en I+D, desde una perspectiva multidisciplinar capaz de producir avances rupturistas. Es en este contexto donde aparece la intersección de la temática del agua con la nanotecnología (en adelante NT). Esta disciplina, que ha emergido con fuerza en los últimos 20 años, amalgama conocimientos científico-técnicos provenientes de diversas disciplinas tradicionales con el fin de conocer y controlar la materia a escala atómica y molecular, y poder así obtener materiales y dispositivos con propiedades mejoradas o nuevas. Las aplicaciones de la NT son transversales, abarcando todos los sectores económicos, incluyendo, claro está, el del agua.

Las conexiones de la NT con el tema del agua son múltiples y sorprendentes por lo que han suscitado el interés de la OCDE y de la ONU. Esta última ha planteado varios retos dentro de su Proyecto Milenio, entre los que destaca el objetivo de lograr que la mitad de la población mundial tenga acceso a agua apta para el consumo. Siguiendo los informes de la Fundación Meridian, las aplicaciones de la NT en el ámbito de los estudios sobre el agua se pueden clasificar de acuerdo con estas temáticas:

Nuevos sistemas para nanofiltración basados en diversos nanomateriales (nanotubos de carbono, sistemas porosos de alumina, diversos tipos de polímeros, celulosa, arcillas, zeolitas, etc.) para construir estructuras con dimensiones, densidades y formas controladas, capaces de capturar selectiva y eficientemente desde metales pesados y complejos metálicos hasta virus.
Mejora de técnicas de desalación (osmosis inversa) mediante Nanotecnología. El proceso de osmosis inversa, usado en las plantas desaladoras convencionales, puede mejorar su eficiencia mediante la adecuada combinación de nanomembranas y sistemas de nanofiltrado.

Nanopartículas. Las nanopartículas de dióxido de titanio, de hierro, plata, zinc, etc., se pueden usar como catalizadores para degradar contaminantes orgánicos y eliminar sales y metales pesados de los líquidos en los que están disueltos. En el caso de las nanopartículas magnéticas, es posible recubrirlas con diferentes componentes con afinidad selectiva por ciertas sustancias contaminantes. Mediante la aplicación de campos magnéticos es posible la manipulación y eliminación de las sustancias que se adsorban sobre la nanopartícula magnética.

Nanosensores para la detección de contaminantes. La combinación de técnicas de nano-microfabricación (propias de la microelectrónica) y métodos proporcionados por la química y la biotecnología, permite construir distintos tipos de sensores que pueden tener su aplicación en la detección de contaminantes orgánicos e inorgánicos en el agua.

Los puntos anteriores muestran cómo la NT proporciona avances directos que nos van a permitir mejorar el acceso al agua de calidad. Sin embargo el estudio del agua también se puede abordar desde una perspectiva mucho más básica utilizando las herramientas teóricas y experimentales propias de la NT. De esta forma se han realizado estudios dedicados a entender el comportamiento de nanofluidos (líquidos confinados en cavidades nanométricas) mediante complejas simulaciones o utilizando microscopios de proximidad (SPM). Por ejemplo, en la Figura 1 se ilustra la formación de un pequeño puente o cuello de agua (de tan solo 3,2 nm) entre una punta de un microscopio óptico de campo cercano (conocido como SNOM). La Figura 2 muestra cómo se propaga la luz por el sistema conjunto punta + nanocuello + superficie. Estos estudios sirven para entender cómo se comporta el agua en espacios nanométricos y permiten utilizar los nanocuellos de agua como amplificadores de la luz que se propaga entre la punta y la muestra. Estos estudios pueden permitir el desarrollo de nuevo instrumental que permita estudiar el comportamiento del agua o de diversos sistemas nanométricos. Este tipo de configuraciones puede tener interés para observar el comportamiento del agua (u otro líquido) confinada en un virus o en un nanotubo de carbono ¡Ciertamente, los caminos de la NT son insospechados!

Parece claro que hay que aprovechar todos los recursos que ofrece la NT para entender mejor el comportamiento del agua desde un punto de vista básico y para ayudar a resolver los problemas que la gestión y el tratamiento del agua plantean. Países como Israel, Australia, Japón y EE.UU. ya han impulsado la conexión entre “nano” y agua, dado que consideran el tema de los recursos hídricos como un tema realmente prioritario a todos los niveles, incluido el de la I+D. Sería interesante seguir su ejemplo y fomentar esa conexión también en España. El desarrollo de conocimiento y tecnologías relacionadas con el agua permitirá no solo resolver problemas de tipo doméstico sino que servirá para liderar un sector económico de gran impacto global.

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