El transporte de nanopartículas en medios porosos es un proceso complejo influenciado por diversas características tanto de las partículas como del medio en el que se desplazan. Entre los factores clave que afectan su movilidad, se encuentran el tamaño de las partículas, las propiedades de su superficie y las condiciones del medio. Aunque el tamaño de las nanopartículas puede tener un impacto significativo en su transporte, estudios han mostrado que su efecto podría ser despreciable bajo ciertas condiciones desfavorables (Phenrat et al., 2009). La movilidad de las nanopartículas en medios porosos no depende únicamente de un factor aislado, sino de una interacción compleja entre múltiples variables, lo que hace difícil realizar una evaluación precisa de la influencia del tamaño de las partículas (Wang et al., 2016).

Las propiedades de la superficie de las nanopartículas, como la carga superficial y la hidrofobicidad, juegan un papel fundamental en su estabilidad en soluciones acuosas. Estos factores determinan en gran medida cómo las nanopartículas se comportan en su interacción con el medio, afectando directamente su transporte en el subsuelo. Métodos de recubrimiento de superficie como el recubrimiento con surfactantes, polímeros o mediante oxidación superficial, se emplean para modificar estas propiedades y, por ende, la movilidad de las nanopartículas. El recubrimiento con surfactantes, por ejemplo, ha demostrado mejorar el transporte de nanotubos de carbono (CNTs) en medios porosos saturados, mostrando que diferentes surfactantes tienen efectos variados sobre la mejora del transporte (Lu et al., 2013, 2014). Además, el recubrimiento con ligandos o polímeros, como el policloruro de polivinilpirrolidona (PVP) o el citrato, también puede mejorar el transporte de nanopartículas, reduciendo su retención en el suelo (He et al., 2018).

El contenido de materia orgánica natural disuelta (NOM) también juega un papel importante en la modificación de las propiedades superficiales de las nanopartículas. Estas sustancias se adsorben fácilmente sobre las superficies de las partículas, alterando sus características y, en consecuencia, su movilidad. Se ha demostrado que ácidos húmicos naturales, como el ácido húmico del río Suwannee (SRHA), pueden potenciar el transporte de diversas nanopartículas en medios porosos bajo condiciones experimentales variadas (Tian et al., 2012c; Wang et al., 2012b).

Además, la concentración inicial de nanopartículas tiene un efecto relevante en su transporte en el subsuelo. En general, concentraciones más altas de nanopartículas resultan en una mayor movilidad en los medios porosos. Investigaciones sobre el transporte de partículas de hierro nanométricas (nZVI) estabilizadas con carboximetilcelulosa (CMC) han demostrado que un aumento en la concentración inicial promueve el transporte de las nanopartículas en medios saturados (Gong et al., 2020). Sin embargo, no siempre se observa esta relación, ya que en algunos casos, la concentración más alta puede tener un efecto negativo en la movilidad debido a la formación de agregados o la alteración de las interacciones entre las partículas y el medio (Phenrat et al., 2009).

En cuanto a las propiedades del medio, factores como el contenido de humedad, el tipo de medio, el tamaño de grano y la temperatura también influyen en la movilidad de las nanopartículas. Los suelos saturados, donde los poros están completamente llenos de agua, presentan una mayor movilidad de las nanopartículas en comparación con los suelos no saturados, donde la presencia de la fase gaseosa afecta la dinámica de transporte. En suelos con baja humedad, la movilidad de las nanopartículas disminuye considerablemente, ya que las partículas pueden quedar atrapadas en las interfaces aire-agua. Sin embargo, en estudios realizados con nanotubos de carbono dispersados con surfactantes, se observó que incluso en suelos no saturados, la movilidad de las nanopartículas se mantenía alta debido a la prevención de la adsorción en las interfaces aire-agua (Tian et al., 2011; Tian et al., 2012a).

La interacción entre las nanopartículas y el medio poroso es, por lo tanto, una cuestión de equilibrio entre diferentes fuerzas físicas y químicas. Este transporte no es un fenómeno lineal y puede variar drásticamente dependiendo de las condiciones del medio, las propiedades superficiales de las nanopartículas y las características del sistema experimental.

A lo largo de estos estudios, se resalta la importancia de comprender cómo diferentes modificaciones de las nanopartículas, así como las variaciones en el medio, pueden influir en su comportamiento. Estos conocimientos son cruciales para la aplicación de las nanopartículas en tecnologías de remediación ambiental, en donde el control preciso de su movilidad y destino en el subsuelo es esencial. Además, el diseño de nuevas nanopartículas con propiedades superficiales optimizadas puede mejorar significativamente su desempeño en aplicaciones específicas.

¿Cómo influyen las nanopartículas en el desarrollo de la nanotecnología y sus aplicaciones en la ciencia del agua?

El movimiento browniano, fenómeno observado en 1827 por el botánico Robert Brown, describe el comportamiento errático de partículas microscópicas suspendidas en un fluido debido a las colisiones con las moléculas de dicho fluido. Esta descripción, propuesta formalmente por Albert Einstein en 1905 a través de un modelo matemático, se ha convertido en una piedra angular para entender la dinámica de las nanopartículas en medios líquidos. Según la ecuación de Einstein, el desplazamiento aleatorio promedio (L) de una nanopartícula está determinado por su difusividad (D), de forma que la distancia recorrida por una nanopartícula es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Además, la ecuación de Einstein para la difusividad de una partícula esférica en un fluido, establece que la difusividad depende de parámetros como la temperatura, el diámetro de la partícula y la viscosidad dinámica del medio.

Las nanopartículas son partículas con tamaños de entre 1 y 100 nanómetros, y pueden dividirse en dos categorías principales: las nanopartículas naturales y las nanopartículas ingenierizadas. Las primeras incluyen minerales como la sílice y el arcillo, mientras que las segundas son predominantemente diseñadas en laboratorio, y están basadas en materiales como carbono, metales y óxidos metálicos. Las nanopartículas ingenierizadas, particularmente las de carbono, se destacan en la investigación científica debido a sus propiedades únicas y su impacto potencial en diversas áreas, incluida la mejora de la calidad del agua.

El estudio y la aplicación de las nanopartículas de carbono, como los nanotubos de carbono y el grafeno, han sido fundamentales en el avance de la nanotecnología. Desde el descubrimiento de los fullerenos en 1985, las nanopartículas de carbono han captado la atención de la comunidad científica debido a sus propiedades excepcionales. Los fullerenos, conocidos también como "buckyballs" por su estructura de jaula cerrada, fueron galardonados con el Premio Nobel en Química de 1996. A pesar de su tamaño extremadamente pequeño (alrededor de un nanómetro), los fullerenos tienen una notable solubilidad en muchos disolventes orgánicos y se han utilizado principalmente en aplicaciones biomédicas, como la imagenología médica y el tratamiento del cáncer.

Los nanotubos de carbono, derivados de los fullerenos, son estructuras tubulares unidimensionales que poseen propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas excepcionales. Estos nanotubos pueden ser de pared simple o múltiple, y sus longitudes pueden alcanzar incluso varios centímetros. Gracias a su resistencia mecánica, ligereza y conductividad, los nanotubos de carbono tienen aplicaciones potenciales en una amplia gama de tecnologías, incluyendo dispositivos electrónicos, sensores, celdas solares y baterías. Además, su enorme área superficial específica y su química superficial ajustable los convierten en materiales ideales para aplicaciones ambientales, como el tratamiento de agua, donde pueden adsorber contaminantes como metales pesados y compuestos orgánicos.

El grafeno, por su parte, es otro material de carbono bidimensional que ha revolucionado el campo de la nanotecnología. Consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura en forma de panal. Debido a su espesor de solo un átomo, el grafeno es el material más delgado conocido, pero a su vez, es extremadamente fuerte, flexible y conductor de electricidad y calor. El descubrimiento del grafeno en 2004 por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov les valió el Premio Nobel de Física en 2010. Este material tiene un gran potencial para una variedad de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos de alta eficiencia hasta sistemas avanzados de almacenamiento de energía y purificación de agua.

Sin embargo, el uso de nanopartículas en el tratamiento de agua y en la mejora de la calidad ambiental plantea tanto oportunidades como riesgos. Las nanopartículas de carbono, por ejemplo, pueden tener efectos perjudiciales sobre los organismos acuáticos si no se gestionan adecuadamente. Su tamaño y alta reactividad superficial les permiten interactuar fácilmente con otras sustancias químicas, lo que puede tener implicaciones imprevisibles en el medio ambiente y la salud humana. Por lo tanto, es crucial que la investigación en nanotecnología no solo se enfoque en los avances tecnológicos, sino también en las evaluaciones de seguridad y los impactos ecológicos a largo plazo.

Las nanopartículas metálicas, como las de plata, oro y zinc, también están recibiendo atención en la investigación debido a sus propiedades antimicrobianas, lo que las hace útiles en aplicaciones como el tratamiento de aguas residuales y la prevención de enfermedades. La plata, por ejemplo, ha sido utilizada durante siglos debido a su capacidad para inhibir el crecimiento bacteriano, mientras que los óxidos metálicos, como el dióxido de titanio, tienen aplicaciones en cosméticos y recubrimientos, así como en procesos de fotocatálisis para la purificación de agua.

Es esencial entender que la manipulación de nanopartículas implica no solo el control sobre sus propiedades físicas y químicas, sino también la responsabilidad de manejar los riesgos potenciales asociados a su uso. El progreso en la nanotecnología debe ir acompañado de un enfoque ético y regulador que garantice el uso seguro y sostenible de estos materiales en diversas aplicaciones.

¿Cómo mejorar la localización en la paratiroidectomía? Técnicas y enfoques actuales
¿Cómo se diagnostica y trata la infección por H. pylori?
¿Cómo se configura un proyecto con FastAPI para la creación de una API REST mínima y funcional?
¿Cómo la Percepción de lo Médico Influye en Nuestro Entendimiento de la Salud?
¿Cómo las Reacciones de Oxidación Supercrítica y Métodos Electroquímicos Transforman el Tratamiento de Aguas Residuales?
¿Cómo el dinero puede atar la vida y la muerte?