Nanoseguridad

Edición: Lic. Carlos A. Andino Rodríguez

Diseño de cubierta: Dania Iskra Carballosa Fuentes

Diseño interior: Yadyra Rodríguez Gómez

Composición digital: Bárbara A. Fernández Portal

Corrección: Natacha Fajardo Álvarez

Coordinador científico: Dr. Luis Felipe Desdín

Emplane para E-book: Belkis Alfonso García

© Colectivo de autores, 2014

© Sobre la presente edición:

     Editorial Científico-Técnica, 2014

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ISBN 978-959-05-0817-2

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Dedicatoria

Dedicado a la memoria de los distinguidos investigadores

Dr. José Griffith Martínez y Dr. Luis Martí López

Prólogo

El desarrollo de las nanotecnologías puede ser comparable

quizás a la Revolución Industrial, pero comprimido

en unos cuantos años

Informe del Centro por la Nanotecnología Responsable

(año 2006)

El progreso de la sociedad está íntimamente ligado a su capacidad de asimilar de manera efectiva y responsable los avances de la ciencia. Estos permiten acelerar los procesos de cambios que elevan la eficiencia económica, amplían la gama de productos de alto valor agregado, hacen un uso más racional de los recursos naturales, satisfacen necesidades básicas de la población y preservan de manera adecuada el patrimonio de las naciones.

La política científica trazada por nuestro país está dirigida a sostener los resultados obtenidos en varios campos de la ciencia y a desarrollar nuevas áreas, entre las que se destaca la nanotecnología. Esta esfera emergente abarca el diseño, la caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas por medio del control de sus formas y dimensiones a escala nanométrica. Un nanómetro es una mil millonésima de metro, por lo que la nanoescala comprende la región incluida entre 1 y 100 nanómetros. En la zona nano los materiales refuerzan las propiedades que exhiben en escalas microscópicas o exhiben otras nuevas y sorprendentes. Semejante comportamiento se debe a la manifestación de las leyes físicas de naturaleza cuántica que gobiernan las nanopartículas.

Como las propiedades cambian al pasar a la nanoescala, resulta fácil de imaginar el impacto de los nanomateriales en muchos sectores: electrónica, computación, almacenamiento de datos, fotónica, comunicaciones, materiales y manufacturas, reactivos químicos, plásticos, energía, medio ambiente, defensa entre otras. Al decir de Michael C. Roco: El objetivo de la nanotecnología es construir el futuro, molécula a molécula, por ello no es una simple tecnología, es más bien una tecnología 'facilitadora', como en su momento lo fueron los textiles, los ferrocarriles, los automóviles, la aviación y las computadoras, que al entrar en escena produjeron un profundo cambio en la sociedad y la visión del mundo.

Sin embargo, la historia de la tecnología nos alecciona que cada nuevo avance en el ámbito de las leyes de la naturaleza que brinde solución a necesidades humana irá acompañado de riesgos. La energía nuclear, los alimentos genéticamente modificados y la clonación entre otras muchas plantean nuevos e insospechados retos, por lo que cada paso en el progreso tecnológico deberá ser sopesado cuidadosamente, ya que presupone una evaluación de la relación costo-beneficio.

En el verano de 1921, cuando Marie Curie sintió los primeros síntomas de que padecía cataratas, pudo asociarlo a otras dolencias que la habían aquejado en los últimos años y comenzó a sospechar que las emanaciones de radio podían producir algo más que quemaduras en los dedos. La esperanza en que la radioactividad tuviera un efecto permanente sobre las células cancerosas estaba en su apogeo, pero sus efectos nocivos provocarían que ella y su hija Irene murieran por leucemia. Cuentan que su esposo Pierre Curie experimentaba durante horas sobre su propia piel los efectos del Radio y presumiblemente, el accidente con un coche tirado por caballos, que puso fin a su vida, privó a la comunidad científica de una evidencia estadísticamente necesaria para comprender, desde sus albores, las serias consecuencias de la inadecuada manipulación en la síntesis y empleo de los elementos radioactivos.

Las preocupaciones, que hoy día despierta la nanotecnología están vinculadas con el hecho de que en la nanoescala las propiedades mecánicas, electrónicas, ópticas, químicas, biológicas y otras, de una sustancia, pueden diferir notablemente de las que exhiben en estado microscópico y macroscópico. De ello se deriva un asunto crucial, el riesgo potencial que pudiera ocultar para el medio ambiente y la salud. Muchas de las propiedades que hacen útiles a los nanomateriales de igual forma pueden constituir fuentes potenciales de riesgos. Estos se relacionan con la toxicidad, reactividad química, incendio y explosión.

La toxicidad de los nanomateriales depende de las concentraciones, dimensiones, formas, cristalinidad, agregación, química superficial y tipo de célula con la que interactúan, por lo que su evaluación requiere un análisis casuístico.

Los datos referentes a la nanotoxicidad son aún escasos, con frecuencia controversiales y el número de nuevos tipos de nanomateriales crece con rapidez. Por otra parte, aún son pocas las regulaciones o estándares de que se dispone para evaluar sus efectos toxicológicos. También existen dudas de si los test diseñados para evaluar una sustancia en estado microscópico resultan apropiados para iguales fines, cuando esta se encuentra en estado nano. En este escenario, resulta prudente considerar que todos los nanomateriales pueden ser potencialmente dañinos, a menos que se obtenga la información suficiente para probar lo contrario.

El escenario nacional está caracterizado por un número creciente de instituciones que efectúan investigaciones en la esfera de la Nanociencia y la Nanotecnología, dirigidas a aplicaciones biomédicas. Por otra parte, crece en el mercado internacional el número de materias primas y productos que incluyen en su constitución nanopartículas, las que presumiblemente estén siendo importadas o que lo sean en un futuro cercano. Sin embargo, en el país aún no se dispone de ningún texto técnico en que se resuman los elementos esenciales de cómo manipular a estos nuevos tipos de materiales muy peligrosos.

El presente texto contiene los elementos básicos de la nanoseguridad, eslabonados por especialistas que ya poseen una cultura de seguridad en un ámbito tan complejo como la esfera nuclear. Los autores brindan de manera sencilla, pero rigurosa, los conocimientos esenciales para realizar buenas prácticas en el campo de las nanociencias y las nanotecnologías. Atendiendo al acelerado desarrollo en esta esfera resulta imposible agotar el tema en un compendio de esta naturaleza, debiéndosele considerar apenas como una guía para su abordaje. A los líderes científicos y directivos, resta la tarea de crear un clima organizacional educativo para intercambiar reportes de eventos adversos, que permitan evaluar el impacto en la salud de los procesos de síntesis y manipulación, catalizando la creación de normas por los órganos reguladores.

Al poner este libro en manos de los lectores, la Editorial Nuevo Milenio está dotándoles de herramientas básicas que contribuirán a elevar la cultura de seguridad, además a garantizar un exitoso proceso de asimilación y desarrollo de las nanociencias, así como nanotecnologías en nuestro país.

Dr. Iván Padrón Díaz

Introducción

La historia del nacimiento de las nuevas tecnología ha enseñando que en estas siempre se avizoraron primero las ventajas y solo después los riesgos. La aceleración del progreso ha disminuido el lapso de tiempo entre su nacimiento y la introducción en la práctica. Por otra parte, muchas veces los efectos adversos se manifiestan a través de una larga cadena de eventos o se enmascaran en sucesos que aparentemente no se le relacionan y para poder desentrañarlos se requiere del tiempo que siempre niega el ritmo del progreso.

La Nanociencia y la Nanotecnología están experimentando un impetuoso desarrollo y en ellas están presentes las conexiones riesgo-beneficio. Como nuestro país ha definido entre sus direcciones estratégicas de desarrollo científico estas disciplinas, se precisa aplicar el principio de precaución que garantice aprovechar las ventajas que ofrecen minimizando sus riesgos, que deberán ser identificados y gestionados apropiadamente.

La motivación que ha impulsado al colectivo multidisciplinario de biólogos, ingenieros y físicos del Centro Nacional de Seguridad Nuclear (CNSN) y del Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) a tratar en este libro aspectos claves que deberán ser considerados para poder garantizar que la actividad de investigación y desarrollo con nanomateriales satisfagan los estándares de seguridad adecuados. Los especialistas seleccionados para esta tarea cuentan con una amplia experiencia práctica en los campos abordados. Sin embargo, la dinámica acelerada de la evolución de este campo del conocimiento imposibilita abarcar todos los elementos en detalle, por lo que se ofrecen abundantes referencias para profundizar. No obstante, este tipo de monografía pertenece a la categoría de aquellas que envejecen prontamente al tratar un campo emergente. Estas circunstancias explican el deseo de los autores de transmitir una filosofía de trabajo y no un formulario de soluciones.

Es importante resaltar que en este texto solo se abordara la Nanoseguridad a escala de laboratorio o situaciones de producción a muy pequeña escala acorde a las actuales realidades nacionales. Sin embargo, el entorno de investigación y desarrollo, plantea el reto más exigente, por la gran versatilidad de métodos y materiales que involucran, muchos de los cuales resultan nuevos. La gestión de riesgo en la I + D exige un gran volumen de trabajo y una alta demanda de personal especializado.

La carencia de datos sobre los nanomateriales imposibilita en la casi totalidad de los casos aplicar métodos cuantitativos de evaluación de riesgos. No obstante, los métodos simplificados permiten realizar una evaluación cualitativa del riesgo de exposición a nanopartículas y tomar decisiones sobre las medidas preventivas necesarias para el control del riesgo, en ausencia de legislación específica o valores de referencia.

Nuestro profundo agradecimiento al equipo del sello editorial Científico-Técnica de la Editorial Nuevo Milenio y, en especial, al permanente estímulo de la Lic. Miriam Raya Hernández, así como al cuidadoso trabajo de edición realizado por el Lic. Carlos A. Andino Rodríguez.

Por último, los autores desean transmitir a los lectores la importancia de fomentar en los colectivos e instituciones la Nanoseguridad como un elemento de la cultura tecnológica.

Dr. Luis Felipe Desdín García

Editor científico

Capítulo I. Nanociencia y Nanotecnología

Introducción a la Nanociencia y la Nanotecnología

Los organismos vivos son reconocidos como las estructuras de mayor complejidad en aquella parte del Universo a que tiene acceso el hombre contemporáneo. Todos ellos a pesar de su diversidad están constituidos por pequeños ladrillos microscópicos de dimensiones del orden de las micras: las células. Algunos a pesar de ser seres unicelulares tienen la capacidad de reaccionar de muy variadas formas ante los estímulos del entorno, estas respuestas que garantizan su supervivencia son el resultado de la acción de estructuras subcelulares, cuyas dimensiones son del orden de la mil millonésima de metro: nanoestructuras.

De manera que las maravillosas funciones que los sistemas orgánicos son capaces de realizar (la lógica, la memoria, el movimiento, la síntesis química, la conversión de energía o, incluso, la conciencia del yo) son consecuencias directas de la complejidad estructural en la nanoescala. La nanoescala abarca la región comprendida entre 1 nm y 100 nm. Un nanómetro es una mil millonésima de metro. El prefijo nano se deriva de una palabra griega que significa enano o diminuto. Tomando como unidad de medida al nanómetro, entonces el grosor de un cabello humano estaría entre 10 000 nm y 100 000 nm, el tamaño de un glóbulo rojo sería de unos 5 000 nm, las dimensiones de un virus típico oscilaría entre 10 nm y 100 nm, en el caso del responsable del resfriado común es de unos 100 nm y una proteína representativa de las que componen su envoltura tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esta proteína. El diámetro de una molécula de ADN estaría en el entorno de los 2 nm y la del agua en unos 0,3 nm.

Al conocer estas maravillas de la naturaleza, se comprende la visión que delineó Richard Feynman, Premio Nobel de Física en 1959, sobre la potencialidad y riqueza que encerraba para la ciencia la manipulación de estructuras a escala nanoscópicas.¹ Su perspectiva tecnológica avizoraba una miniaturización extrema muchos años antes que la palabra chip fuera adoptada en el argot popular.

Sin embargo, no sería hasta 1974 cuando N. Tanaguchi, de la Universidad de Tokio, acuñaría el término nanotecnología² para referirse a la posibilidad de manipular moléculas individuales y obtener materiales con nuevas propiedades no observadas en las estructuras macroscópicas. Con este término deseaba distinguir entre la ingeniería a escala micro y la llevada a escala nano, una diferencia no solo de escala, sino un cambio cualitativo profundo. La popularización del término ocurrió en 1986, cuando vio la luz el libro Engines of Creation de Eric Drexler, del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

En la literatura se encuentran definiciones de nanotecnología que difieren en matices.³ Una de las de mayor aceptación fue enunciada por la Royal Society en 2004.⁴ En esta se define a las nanotecnologías como el diseño, la caracterización, producción y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas por medio del control de sus formas, así como sus dimensiones a escala nanométrica. Resulta interesante que en esta definición se refiere a las nanotecnologías en plural para enfatizar su variedad de métodos y enfoques.

Muy ligado al concepto de nanotecnología se encuentra el de nanociencia.⁵ Este campo del conocimiento consiste en el estudio de los fenómenos y la manipulación de los materiales a escala atómica, molecular y macromolecular, donde las propiedades difieren significativamente de aquellas que exhibe estos a gran escala. Las investigaciones en este campo están dirigidas a observar, medir y comprender las variaciones de las propiedades, además de las reactividades como función del tamaño y las formas. Las variaciones estructurales que obedecen a los cambios de tamaño y áreas superficiales, pueden incluir la expansión y la contracción de los enlaces, el cambio en los ángulos de estos, la variación en la distribución de las vacancias, además de otros defectos, tales como: escalones, dislocaciones helicoidales y grietas entre otros. En las nanopartículas esto resulta en la redistribución de las estructuras electrónicas que afecta las características de sus interacciones con el entorno.

Se puede decir que el universo de interés de la Nanociencia y la Nanotecnología está acotado entre las dimensiones del isótopo más ligero, del hidrógeno y el diámetro del virus del resfriado, un rango espacial de 1:1 000 aproximadamente. Por debajo de la cota inferior de este universo y en escalas 10 000 veces menores, solo se encuentran las partículas elementales. Por encima de su frontera superior la materia se comporta acorde a las leyes de la física clásica.

En la zona nano los materiales fortalecen las propiedades que exhiben a escalas microscópicas o exhiben otras nuevas y sorprendentes. Los efectos cuánticos comienzan a alterar de manera significativa las propiedades (tales como: su transparencia, color de fluorescencia, conductividad eléctrica, permeabilidad magnética y otras características) de muchos materiales en el entorno de los 100 nm.⁶ Los efectos cuánticos en las propiedades electrónicas se incrementan de forma inversamente proporcional a la disminución de su tamaño.

Este comportamiento se debe a la manifestación de las leyes físicas de naturaleza cuántica que gobiernan las nanopartículas. En el dominio nano la descripción del movimiento no se efectúa según las leyes de carácter dinámico típico de la física clásica, sino a través de leyes de carácter estadístico, que no permiten determinar de manera absoluta el estado de una partícula, sino solo la probabilidad de encontrarla en este estado. Mientras que en el macro mundo, los procesos de medición no alteran el estado de un sistema, en esta escala el acto de medición lo altera.⁷

Los efectos cuánticos se ponen de manifiesto de una manera más ostensible en la zona inferior del dominio nano y esas propiedades dependientes de las dimensiones se han explotado por siglos;⁸ por ejemplo, nanopartículas de oro y plata con tamaños menores a 100 nm se han empleado como pigmentos para colorear cristales y cerámicas desde el siglo x de n.e. En dependencia de su tamaño, una partícula de oro puede aparecer roja, azul o amarilla. El reto de los antiguos alquimistas fue obtener todas las partículas del mismo tamaño y por lo tanto del mismo color, desafío que se conserva para nuestros contemporáneos dedicados a obtención de nanopartículas de semiconductores quantum dots (puntos cuánticos). En estas nanopartículas (NP) los efectos cuánticos limitan los estados energéticos que pueden poseer los portadores de carga (electrones y huecos), pero como la energía se corresponde con la longitud de onda de los fotones que estas nanoestructuras absorben o emiten, entonces sus propiedades ópticas pueden ser reguladas apropiadamente controlando su tamaño.

La conducta que manifiesta la materia a escala nanoscópicas es también consecuencia del incremento de su superficie específica (área por unidad de masa).⁹ La superficie resulta importante porque la mayor parte de las reacciones químicas que experimenta un sólido ocurren en su superficie, donde los enlaces químicos están incompletos.¹⁰ La superficie de un cubo de un material sólido de arista igual a 1 cm es de 6 cm², sin embargo, la superficie específica de ese mismo cubo descompuesto en forma de cubos de 1 nm de arista sería de unos 6 000 m², equivalentes a la de la suma de las áreas de unos 100 apartamentos típicos de dos habitaciones en Cuba. Este cúmulo de nanopartículas con su gran superficie puede resultar excepcionalmente reactivo, ya que más de un tercio de sus enlaces químicos se encuentran en su superficie. Este comportamiento se ejemplifica en la plata, la cual se ha usado en calidad de bactericida, pero solo cuando su nanoestructura incrementa su efectividad. Este reforzamiento de una macro propiedad al