Nanomateriales. Propiedades, Aplicaciones y Riesgos Asociados. Rubén Sánchez Hidalgo Instituto Nacional del Carbón INCAR-CSIC

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1 Nanomateriales Propiedades, Aplicaciones y Riesgos Asociados Rubén Sánchez Hidalgo Instituto Nacional del Carbón INCAR-CSIC Jornada Técnica: Riesgos Laborales asociados a la Nanotecnología Burgos 12 Abril 2016

2 Índice 1. Nanotecnología 2. Nanopartículas y Nanomateriales Clasificación Obtención Nanomateriales de interés Aplicaciones 3. Riesgos Asociados 4. Conclusiones

3 Índice 1. Nanotecnología 2. Nanopartículas y Nanomateriales Clasificación Obtención Nanomateriales de interés Aplicaciones 3. Riesgos Asociados 4. Conclusiones

4 1. Nanotecnología There s plenty of room at the bottom Por qué no escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler? 1959 Am. Phys. Soc. Richard Feynman

5 1. Nanotecnología Eric Drexler Ordenados de un modo, los átomos forman el suelo, el aire y el agua; ordenados de otro modo, las frutas maduras. Ordenados de un modo forman hogares y aire fresco; ordenados de otro, cenizas y humo Los motores de la creación 1987

6 1. Nanotecnología Qué es la Nanotecnología? Moléculas DNA Virus Glóbulo Rojo Ácaros Pelota Humano Es la Ciencia dedicada a la Observación, Manipulación y Obtención de Materiales a escala Nanométrica Tamaño (nm) 1 nm = 10-9 m Nanopartícula ~ nm

7 1. Nanotecnología Dónde está la Nanotecnología? Baterias Magnetotáctica Diatomea marina (Thalassiosira pseudonana) Vidrieras

8 1. Nanotecnología Cómo hacer visible lo invisible al ojo humano? Punta Trayectora Punta Microscopía de Efecto Túnel (STM) Átomo Superficie Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

9 Índice 1. Nanotecnología 2. Nanopartículas y Nanomateriales Clasificación Obtención Nanomateriales de interés Aplicaciones 3. Riesgos Asociados 4. Conclusiones

10 Cómo definimos los Nanomateriales? Materiales con un tamaño comprendido entre 1 y 100 nm en al menos una de las tres dimensiones posibles. Nano-Objeto Nanopartícula Nanofibra Nanoplaca Nanohilo Nanotubo Nanovarilla UNE-CEN-ISO/TS 27687

11 Cómo se obtienen las Nanopartículas? 1 TOP UP DOWN BOTTOM 1

12 Cómo se obtienen las Nanopartículas? Fase Gaseosa Métodos Químicos Nucleación y crecimiento en disolución Coloides de Agregación Síntesis Sol-Gel

13 Nanomateriales basados en Carbono Negro de Carbón Fullerenos Nanotubos Grafeno

14 Negro de Carbón Nanomateriales basados en Carbono Fabricado por primera vez hace más de 2000 años Combustión incompleta de derivados de petróleo 85% de la producción mundial Nanomateriales Empleado como pigmento y material de refuerzo en caucho

15 Fullereno Nanomateriales basados en Carbono Descubiertas en 1985 por Smalley, Kroto y Kurl Pueden obtenerse fullerenos desde átomos de Carbono C60 Buckminster flullereno (Richard Buckminster Füller) Aplicación como sensores químicos, catalizador, lubricantes y refuerzo

16 Nanomateriales basados en Carbono Nanotubos de Carbono Descubiertos en 1991 por Iijima SWNT MWNT Cien veces más resistentes que el acero y diez veces más ligeros 2.5 publicaciones diarias Aplicación como sensores químicos, catalizador, lubricantes, refuerzo, almacenamiento de energía

17 Nanomateriales basados en Carbono Grafeno PN. Física 2010 K. Novoselov A. Geim Red hexagonal monoatómica de átomos de carbono Aislamiento de Grafeno monocapa con cinta adhesiva

18 Nanomateriales basados en Carbono Grafeno Transparente y flexible Dureza 200 veces la del acero Conductor Térmico y Eléctrico Industria Emergente en España Red hexagonal monoatómica de átomos de carbono Empleo en diversos campos Biomedicina Polímeros Industria aerónautica Dispositivos Electrónicos

19 Nanomateriales basados en Metales NPs Oro y Plata NPs Magnéticas NPs TiO 2 y ZnO Quantum Dots

20 Nanomateriales basados en Metales NPs Oro NPs Plata Gran variabilidad morfológica (nanohilos, esferas, cubos) Obtención mediante reducciones químicas de sales precursoras Diagnótico y tratamiento médico Artritis y reumas Protección del medio ambiente Presente en más de 600 productos (textiles, cremas, electrodomésticos) Apósitos, vendajes, aires acondicionados, refrigerantes

21 Nanomateriales basados en Metales NPs Magnéticas (Cobalto, hierro ) Efecto Térmico Endocitosis Campo magnético Tratamiento contra el cáncer (Óxidos de Hierro) Biocompatible! Vehículos de fármacos

22 Nanomateriales basados en Metales NPs TiO 2 y ZnO TiO 2 ZnO Producción de 10mil toneladas al año Presente en pigmentos y cremas solares (50 nm) Obtención por métodos sol-gel, hidrotermales, solvotermales y pirolíticos Objeto de estudio en aplicaciones médicas como bactericida en implantes ortopédicos Presentes en la vida diaria en pastillas multivitamínicas.

23 Nanomateriales basados en Metales Quantum Dots Nanocristales de As, Cd, Se, Tl ) Tamaño entre 1 y 10 nm Luz emitida puede ajustarse en función de la dimensión de la NP Obtención por métodos coloidales para controlar morfología Aplicaciones en placas solares de nueva generación y diagnóstico médico

24 Aplicaciones Tecnología Medicina Bienes de Consumo Nutrición Energía

25 Aplicaciones Medicina Cremas antibacteriana (Ag) Recubrimientos biocompatibles para implante (CaCO 3 ) Biosensores (Óxidos Metálicos, Polímeros, Nanotubos) Promotores del crecimiento de huesos (cerámicas hidroxiapatitas) Fungicidas (ZnO, Cu 2 O) Resonancia Magnética para la detención de tumores (Fe 4 O 3 ) Localización células cancerosas (QDs) Liberadores de Fármacos (Dendrímeros)

26 Aplicaciones Tecnología Fibras Ópticas (Si) Circuitos electrónicos (Cu, Al) Partículas magnéticas para alta densidad de almacenamiento de datos (Fe) Dispositivos optoelectrónicos (Gd 2 O 3, Y 2 O 3 ) Dispositivos electrónicos flexibles (Polímeros, grafeno) Energía Almacenamiento de hidrógeno (Hidruros metálicos y grafeno) Catálisis Medioambiental (TiO 2 ) Supercapacitadores

27 Aplicaciones Bienes de Consumo Aditivos en pintura contra el rayado (alúmina, TiO 2 ) Revestimiento de cristales (TiO 2 ) Cremas corporales con vitaminas antioxidantes (nanocápsulas) Cremas Solares (ZnO y TiO 2 ) Telas repelentes de manchas y agua (Polímeros) Nutrición Tratamiento de aguas (TiO 2 ) Liberación controlada de herbicidas y pesticidas Potenciadores de sabor y color en comida y bebidas Materiales para el envasado de comida Detección de patógenos en comida

28 Índice 1. Nanotecnología 2. Nanopartículas y Nanomateriales Clasificación Obtención Nanomateriales de interés Aplicaciones 3. Riesgos Asociados 4. Conclusiones

29 3. Riesgos Asociados a los Nanomateriales Qué riesgos presentan los Nanomateriales? Incendio Toxicidad Tipo de Nanomaterial Nanotubos de Carbono Nanopartículas de Carbón Metales y Óxidos Metálicos Humos de soldadura Polución ambiental de materia particulada Posible Riesgo Fibrosis pulmonar Granulomas y estrés oxidativo Efectos cardiovasculares Enfermedad Pulmonar Inflamación pulmonar Daño en los tejidos Cáncer de pulmón Fiebre del metal Enfermedad pulmonar obstructiva Cambios neurologicos Aumento de la mortalidad y morbilidad Efectos cardiovasculares Efectos respiratorios

30 3. Riesgos Asociados a los Nanomateriales Cuáles son los Factores de los que depende la Nanotoxicidad? Factores Químicos Factores Físicos Solubilidad Tamaño Superficie Específica Insoluble - + Soluble Penetración/ migración Forma Lugar de depósito Estado de Agregación Composición Química Esférica o compacta Irregular - + Fibra/filamento Estructura Cristalina

31 Índice 1. Nanotecnología 2. Nanopartículas y Nanomateriales Clasificación Obtención Nanomateriales de interés Aplicaciones 3. Riesgos Asociados 4. Conclusiones

32 4. Conclusiones Favorecer la colaboración entre diferentes instituciones a nivel mundial compartiendo conocimientos nanotoxicológicos Ante el gran desconocimiento que existe en cuanto a los nanomateriales, debe primar el Principio de Precaución. Se considerará de partida que son materiales peligrosos.

33 Nanomateriales Propiedades, Aplicaciones y Riesgos Asociados Rubén Sánchez Hidalgo Instituto Nacional del Carbón INCAR-CSIC Jornada Técnica: Riesgos Laborales asociados a la Nanotecnología Burgos 12 Abril 2016