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Partícula diminuta

para
un trabajo
grande

Con ayuda de la nanotecnología diseñaron un dispositivo diez veces más pequeño que el grosor de un cabello humano que cuenta con la capacidad de atrapar moléculas de mercurio presentes en los cuerpos de agua.

Por María Margarita Mendoza
Periodista
medinamm@uninorte.edu.co

A nivel mundial la minería ilegal y artesanal es la principal fuente de liberación de mercurio en el ambiente. Este elemento de consistencia líquida y tonalidades plateadas es utilizado por los mineros para extraer y separar el oro de las rocas en las que se encuentra; la extracción utiliza un proceso químico en el que se emiten enormes cantidades de este metal en la atmósfera, agua y suelos. Según informes del Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), en el año 2010 las emisiones de mercurio fueron de 3200 toneladas en la tierra y 3700 toneladas en los océanos, y las cifras parecen ir en aumento.

Colombia es el tercer país del mundo con los mayores índices de contaminación por mercurio, después de China e Indonesia; y es el primero per cápita. Datos presentados en una investigación publicada en 2011 en la revista Science of the Total Environment (Mercury contamination from artisanal gold mining in Antioquia, Colombia: The world’s highest per capita mercury pollution), afirman que esto se debe a que anualmente las actividades de minería artesanal emiten entre 50 y 100 toneladas de este metal que terminan en los ríos, lagos y mares nacionales.

Tres investigadores del departamento de Física y Geociencias de la Universidad del Norte trabajan en el área de nuevos materiales para diseñar una nanopartícula, un objeto cientos de veces más pequeño que un grano de arena, con la capacidad de atraer y retener moléculas de mercurio que se encuentren en los cuerpos de agua del país, para limpiarlos de la contaminación.

COLOMBIA ES EL TERCER PAÍS DEL MUNDO CON LOS MAYORES ÍNDICES DE CONTAMINACIÓN POR MERCURIO, DESPUÉS DE CHINA E INDONESIA; Y ES EL PRIMERO PER CÁPITA.

 

Ciencia tamaño nano

Una nanopartícula es un dispositivo sumamente pequeño creado a partir de moléculas de los elementos. Estas se miden en nanómetros, una unidad de medida más pequeña que la microscópica, y que equivale a la milmillonésima parte de un metro. Esto permite a los científicos crear piezas tecnológicas minúsculas con variadas aplicaciones en campos como la agricultura, la robótica, la medicina, o en este caso la purificación del agua.

Carlos Pinilla, físico y profesor de Uninorte, es uno de los investigadores que está detrás de la invención de esta nanopartícula limpiadora del agua. Explicó que esta tendría un tamaño entre los 500 nanos y una micra, equivalente a la décima parte del grosor de un cabello humano, y que para lograr la enorme tarea de atraer el mercurio su estructura estará conformada por tan solo tres elementos: cuarzo, magnetita (material magnético) y una molécula llamada tiol, que está presente en frutas y verduras cotidianas como la maracuyá, el ajo o el cebollín.

LA NANOPARTÍCULA TENDRÁ LA CAPACIDAD DE ATRAER Y RETENER ENTRE 100 Y 150 NANOGRAMOS DE MERCURIO POR CADA METRO CÚBICO.
Glosario

Nanopartícula: es un dispositivo sumamente pequeño creado a partir de moléculas de los elementos. Estas se miden en nanos, una unidad de medida más pequeña que la microscópica, y que equivale a la milmillonésima parte de un metro. 

Tiol: es un compuesto presente en frutas y verduras cotidianas como la maracuyá o el ajo. Está formado por moléculas de hidrogeno, oxígeno y azufre, esta última forma enlaces con el mercurio, por lo que logra atraer y retener este metal.

“Queríamos trabajar con materiales que fuesen baratos, que se encontraran locamente, orgánicos e inofensivos para el ser humano y el agua; los tres elementos cumplen con este propósito porque el cuerpo está acostumbrado a ellos a diario”, señaló el doctor en Física.

Para seleccionar los elementos que componen esta nanopartícula, Pinilla ha venido trabajando desde 2017 junto con sus colegas de Uninorte, el también físico Alfredo Lora, y el ingeniero mecánico, Juan Galvis. Diseñaron un modelo de nanopartícula esférica que cuenta con un centro magnético formado por magnetita, un mineral que se encuentra naturalmente en forma de rocas. Al encontrarse pulverizado en el interior de la nanopartícula, los investigadores podrán recuperarlas con ayuda de imanes de los ríos y lagos en las que sean liberadas, una vez que cumplan con su tarea de recolectar el mercurio. Esto también permitirá que sean reutilizables.

 

Pinilla señala que la magnetita se aislará del agua utilizando vidrio, que se elaboraría a partir de cristales de cuarzo, el segundo mineral más común de la Tierra y compuesto por moléculas de silicio y oxigeno. Sobre esta cobertura de tamaño nano se dispondrán las moléculas de tiol. Este es un compuesto que además de contener hidrógeno y azufre, también contiene una molécula de oxigeno, que se enlaza con la presente en el cuarzo, manteniendo toda la estructura unida. Señaló que al crearse cientos de ellas se alcanzarían a ver como una especie de polvo muy fino, de tonos oscuros.

“La nanopartícula flotará, y ya que las moléculas de azufre presentes en el tiol también forman fuertes enlaces químicos con el mercurio, se encargarán de atraerlo. Hemos hecho un estudio sistemático de los que están presentes en las verduras, y finalmente encontramos que los tioles presentes en el ajo tie nen mayor fuerza para atraer este metal estando en el agua”, manifestó el investigador y agregó que la idea es poder sintetizar este compuesto de las especies que se cultivan localmente.

El problema del mercurio

El experto también insistió en las repercusiones que traen los derramamientos de mercurio, tanto para la naturaleza como para la salud humana, pues este metal resulta tóxico por inhalación, contacto e ingesta. Según la Organización Mundial de la Salud, el límite anual tolerable de este elemento es de 1000 nanogramos por metro cúbico (un gramo contiene mil millones de nanogramos); pero la exposición constante afecta el sistema nervioso central y periférico, el sistema inmune, los pulmones, riñones y las consecuencias son especialmente graves para mujeres gestantes y niños.

De acuerdo con Pinilla, el problema se agudiza cuando el metal entra en contacto con el agua de ríos y lagos, ya que ciertas bacterias ingieren estas moléculas y las excretan formando metilmercurio, un compuesto neurotóxico que se aloja en el organismo de los peces, este luego llega a los humanos que consumen el pescado contaminado, y así continúa acumulándose el mercurio.

La labor de esta nanopartícula resulta tan significativa, pues a pesar de su minúsculo tamaño tendrá la capacidad de atraer y retener entre 100 y 150 nanogra mos de mercurio por cada metro cúbico (ng/m3). Así que si en un litro de agua de mar hay 0,0000000001 gramos de mercuriocantidad suficiente para ser considerada toxicauna sola nanopartícula podría “absorber” una décima parte de ese metal, por lo que entre mayor sea el número de nano dispositivos que se agreguen, el litro estaría más descontaminado.

“En algunos lugares del país la contaminación por mercurio en las aguas oscila entre los 3000 y los 5000 ng/m3; así que en teoría, si pones 10 de estas nanopartículas a la vez, podrían ser capaces de absorber mil nanogramos de mercurio por cada metro cúbico”, afirmó Pinilla.

El aporte de la química computacional

Desde finales de 2017 el proyecto para diseñar esta nanopartícula cuenta con financiación del Consejo de Investigación de Ingeniería y Física del Reino Unido, y apoyo tecnológico de la Universidad de Bristol, Inglaterra. Gracias a estos aportes el diseño de la nanopartícula y los cálculos para comprobar las reacciones de las moléculas que la componen, se hicieron a través de simulaciones de química computacional, rama de la química que permite crear simulaciones digitales de los elementos.

Anteriormente, cuando los científicos querían crear un nuevo material o sustancia debían desarrollarlos a través de experimentos prácticos, en un proceso de constante ensayo y error, por lo que esta metodología alternativa resulta más eficaz y económica, ya que permite manipular átomos y moléculas para crear nuevos compuestos. Lograrlo requiere de un gran poder de cómputo para calcular las complejas ecuaciones que están relacionadas con cada experimento. En esta parte la Universidad de Bristol cuenta con la BlueCrystal, una de las computadoras más poderosas de Inglaterra, que permite desarrollar estos grandes cálculos en poco tiempo; los investigadores de Uninorte han tenido acceso a esta desde sus computadores en Barranquilla para modelar la nanopartícula.

“La razón por la que es complicado el cómputo es por las leyes de la mecánica cuántica, y por eso tomaría mucho tiempo hacer estos cálculos a mano, así que empleamos computadoras rápidas”, expresó Neil Allan, profesor del departamento de Química de la Universidad de Bristol, quien ha estado apoyando y asesorando la fase inicial de este proyecto.

Por su parte Carlos Pinilla destacó que ahora que el diseño de la nanopartícula ha culminado, los investigadores se concentran en el proceso de fabricación, para lo cual están en conversaciones con otras instituciones europeas interesadas en financiar la materialización de esta idea. Una vez fabricada, iniciará el periodo de pruebas, en donde, asesorados por investigadores de la división de Ingeniería de Uninorte, estudiarán cómo varía la hidrodinámica de cada cuerpo de agua en el que se vaya a utilizar esta nanotecnología, dado que su capacidad de atracción y las labores de posterior recolección de los dispositivos podrían cambiar si estas se encuentran en un lago o un río.

Los investigadores también consideran que este tipo de nanotecnología podría ser empleada en el futuro para eliminar otros elementos contaminantes en el agua, tales como el plomo u otros metales; todo dependería de la molécula funcional que se disponga en la superficie y que reaccione como los tioles. Mientras tanto Pinilla y sus colegas continuarán trabajando en la materialización de esta nanopartícula, que aunque diminuta, fue concebida para la enorme tarea de limpiar los cuerpos de agua del país, de la contaminación por mercurio.

Para ello han recurrido a imágenes satelitales, mapas y un estudio en muestras de suelo. Schubert incluso ha llevado este material a Berlín, para estudiar los contenidos de nitrato y demás el material orgánico en la tierra del BST atlanticense. “Esto es importante para entender la biodiversidad del bosque seco, porque hay zonas donde hay más nutrientes y componentes del suelo diferentes, unos son más secos y otros más húmedos, y entendiendo esto se puede plantear cuales necesitan un manejo diferente”, dijo el geógrafo.

“Mi gran sueño es poder tomar un balde lleno con agua y mercurio, meter decenas de nanoparticulas y ver cómo queda limpio; eso es lo que quisiera lograr de aquí a dos años. Cuando ya vea completado esto, probablemente nos podremos mover a pensar en cómo resolver otra problemática con la ciencia”, puntualizó Pinilla.

 

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