Los sensores desempeñan un papel fundamental en la monitorización de diversos parámetros en el tratamiento del agua, como la humedad, la tasa de flujo y el destino de los contaminantes. Su capacidad para rastrear cambios en el ambiente subterráneo, donde se encuentran las fuentes de agua, es esencial para mantener la calidad y seguridad de los recursos hídricos. Gracias a su capacidad de responder a estímulos biológicos, químicos o físicos, los sensores son cada vez más relevantes en los procesos de tratamiento del agua, optimizando cada paso para garantizar la efectividad y la calidad del agua tratada.

Dentro de esta creciente área de innovación, los nanosensores han emergido como herramientas poderosas. La nanotecnología ha permitido el desarrollo de sensores con propiedades únicas, lo que ha facilitado el diseño de dispositivos más sensibles y precisos. Estos sensores, aunque similares a los tradicionales, aprovechan las propiedades extraordinarias de las nanopartículas, las cuales permiten detectar e interpretar fenómenos a escalas mucho menores que las convencionales. La gran ventaja de los nanosensores radica en su alta sensibilidad, selectividad, rapidez en la respuesta, costo reducido y facilidad de uso.

Una de las características más destacadas de los nanosensores es su capacidad de utilizar partículas más pequeñas que el tamaño característico de un fenómeno determinado. Este enfoque permite descubrir nuevas propiedades químicas y físicas que mejoran los mecanismos de reconocimiento y transducción. Por ejemplo, las nanopartículas, debido a su área superficial extremadamente grande, tienen una alta actividad superficial, lo que contribuye a una mayor sensibilidad en la detección. Además, estos sensores son capaces de minimizar la cantidad de muestras necesarias, reducir el uso de reactivos y eliminar la necesidad de etiquetas, lo cual reduce significativamente los costos operativos.

Los nanosensores basados en partículas de carbono, como los nanotubos de carbono (CNTs), el grafeno y los puntos cuánticos de carbono (CDs), son algunos de los más utilizados en el análisis químico y biológico. Estas partículas poseen propiedades únicas como una conductividad ajustable, resistencia mecánica robusta y una amplia área superficial, lo que las hace idóneas para diversas aplicaciones sensoriales. En particular, los CNTs y sus derivados son altamente reactivos y su resistencia eléctrica es sensible a cambios microscópicos, lo que los convierte en una opción preferida para sensores electroquímicos. Los nanosensores resistivos, como los quimiorestores y los transistores de efecto de campo (FET), aprovechan esta característica de los CNTs, donde los cambios en la adsorción o desorción de compuestos químicos sobre su superficie alteran la resistividad del material.

Los transistores de efecto de campo (FETs) basados en CNTs tienen una estabilidad superior y una sensibilidad mejorada. Estos dispositivos, que consisten en CNTs semiconductores depositados entre dos electrodos, permiten controlar la densidad de portadores de carga, lo que mejora enormemente el rendimiento del sensor. En este tipo de sensores, el grafeno y sus derivados también se utilizan de manera similar. La capacidad de estos materiales para responder a estímulos externos de forma rápida y precisa los hace aptos para detectar sustancias de interés a concentraciones extremadamente bajas, como el caso de la detección del coronavirus. Un sensor FET basado en grafeno, dopado con un anticuerpo específico para la proteína del virus, ha demostrado ser eficiente para identificar la presencia del patógeno con una sensibilidad destacable.

Por otro lado, los sensores basados en nanopartículas metálicas, como el platino, oro y plata, también juegan un papel crucial en el monitoreo de contaminantes en el agua. Estas nanopartículas metálicas se emplean principalmente en electrodos, mejorando la relación señal-ruido y promoviendo las reacciones electroquímicas necesarias para la detección precisa de compuestos como el peróxido de hidrógeno o los nitritos. Su resistencia a la corrosión y la oxidación las hace especialmente adecuadas para el uso en entornos acuáticos, donde las condiciones pueden ser extremadamente desafiantes.

Los nanosensores, al tener un rendimiento superior en cuanto a sensibilidad, velocidad y coste, ofrecen una ventaja significativa frente a los sensores tradicionales. Además, debido a su tamaño reducido, son más fáciles de integrar en dispositivos portátiles, lo que facilita su uso en campo. En términos prácticos, esto permite a los profesionales del agua tratar y monitorear de manera más efectiva el comportamiento de contaminantes y la calidad general del recurso hídrico en tiempo real, con una mayor precisión y a un costo más accesible.

Es importante tener en cuenta que, aunque los nanosensores presentan un potencial extraordinario, su implementación requiere un profundo conocimiento de las propiedades y la reactividad de las nanopartículas utilizadas, así como de los mecanismos de transducción involucrados. La interacción de las nanopartículas con las sustancias del entorno debe ser cuidadosamente estudiada para asegurar la precisión y la fiabilidad de los resultados. Además, la evolución de los nanosensores hacia versiones más asequibles y accesibles promete revolucionar no solo el tratamiento del agua, sino también otros campos de monitoreo ambiental y diagnóstico de enfermedades, ampliando aún más sus aplicaciones.

¿Cómo pueden las nanopartículas y membranas de grafeno mejorar la purificación de agua?

El uso de membranas de grafeno en la purificación de agua ha sido un campo de investigación en crecimiento debido a las notables propiedades de este material. El grafeno, un material bidimensional compuesto por una sola capa de átomos de carbono, ha demostrado un gran potencial en aplicaciones de filtración, especialmente en lo que respecta a la desalación y la eliminación de contaminantes iónicos. La clave de su eficiencia radica en su estructura y en la capacidad de modificarla para ajustar el tamaño y la densidad de los poros, lo que permite controlar el flujo de agua y la selectividad de los iones.

Uno de los métodos utilizados para crear poros en el grafeno es el bombardeo con iones pesados, como el Kr, que perforan las capas de grafeno y PET, creando poros a nivel nanométrico. Este proceso, combinado con un tratamiento de irradiación por electrones, puede permitir la formación de nanoporos con grupos carboxilo, lo que mejora aún más la funcionalidad de las membranas. Al crear estos poros de manera controlada, es posible ajustar la permeabilidad y la capacidad de rechazo de partículas específicas, lo que resulta crucial para la filtración de agua a nivel molecular.

Sin embargo, las investigaciones también han mostrado que muchas de las membranas de grafeno para purificación de agua, aunque prometedoras en el laboratorio, aún no han sido implementadas a gran escala. Las simulaciones y los experimentos de laboratorio han demostrado que las membranas de grafeno son altamente eficaces en la desalación, y que el rendimiento de estas membranas puede mejorarse al controlar el tamaño, la densidad y la funcionalidad superficial de los nanoporos. Esto proporciona un control preciso sobre la eficiencia de la desalación y el rechazo de iones, lo que podría revolucionar los métodos de purificación de agua en el futuro cercano.

En paralelo, el desarrollo de membranas autosoportadas de óxido de grafeno reducido (rGO) también ha ganado atención. Estas membranas, que se componen de capas de nanosheets de GO/rGO, pueden fabricarse utilizando varios métodos, como la filtración al vacío, la autoensamblaje capa por capa y el recubrimiento por spin. Cada uno de estos métodos ofrece ventajas específicas en términos de facilidad de fabricación, control de la porosidad y la capacidad de incorporar otros materiales funcionales, como nanopartículas metálicas o polímeros conductores, lo que puede mejorar aún más las propiedades de la membrana.

El método de filtración al vacío, en particular, permite la dispersión controlada de nanopartículas de grafeno en un disolvente, lo que facilita la preparación de membranas compuestas con otros nanomateriales, como nanopartículas de plata. Las membranas compuestas de GO y nanopartículas de plata, por ejemplo, no solo presentan una alta eficiencia de filtración, sino que también poseen propiedades antibacterianas, lo que es crucial para aplicaciones en la purificación de agua potable. Esta combinación de propiedades fisicoquímicas y biológicas abre un abanico de posibilidades para mejorar la calidad del agua en diversos entornos.

Además, las membranas de grafeno-polímero, que combinan grafeno con polímeros tradicionales, están mostrando resultados prometedores. Estas membranas, obtenidas mediante procesos como la inversión de fase por inmersión, mejoran significativamente la hidrofobicidad y la capacidad de rechazo de partículas grandes. La mezcla de grafeno con polímeros como el PVDF o el PSf resulta en membranas más eficientes en términos de flujo de agua, porosidad y resistencia a la obstrucción, lo que es fundamental en procesos de purificación continua.

La adición de GO (óxido de grafeno) a las membranas también mejora su capacidad para purificar agua, no solo por su alta permeabilidad, sino también por su capacidad para resistir el ensuciamiento, un problema común en los sistemas de filtración convencionales. La mejora de la eficiencia de las membranas de grafeno-polímero se puede ajustar según las necesidades del sistema, permitiendo personalizar el diseño de las membranas para aplicaciones específicas, como la eliminación de contaminantes industriales o la desalación de agua salada.

Es importante destacar que la tecnología de membranas de grafeno no solo se limita a la purificación de agua potable, sino que también tiene aplicaciones potenciales en la recuperación de recursos, como la eliminación de metales pesados o la purificación de aguas residuales industriales. A medida que la tecnología avanza, las aplicaciones se expandirán a nuevas áreas, como la descontaminación de suelos o el tratamiento de aguas subterráneas, lo que hace que el grafeno y sus derivados sean materiales clave en la lucha por un futuro más sostenible.

¿Cómo impactan las nanopartículas en el flujo superficial y la erosión del suelo durante eventos de lluvia?

El transporte de nanopartículas a través de los flujos superficiales de agua tiene un impacto significativo en la calidad del agua, especialmente en contextos agrícolas y urbanos. Este fenómeno está asociado principalmente a la erosión del suelo inducida por la lluvia, un proceso en el que las gotas de agua son capaces de arrastrar partículas de suelo, agua del suelo y otros solutos hacia los cuerpos de agua circundantes. En este sentido, las nanopartículas, debido a su tamaño diminuto, tienen un comportamiento único en comparación con partículas más grandes como los sedimentos gruesos.

El modelo basado en procesos desarrollado por Hairsine y Rose (1991) para la erosión inter-rill, establece que las partículas de suelo se clasifican según su tamaño. Este modelo, aunque asume que la erosión por lluvia no es selectiva respecto al tamaño de las partículas, predice que se produce una segregación de las partículas debido a que las partículas más finas, como los coloides y las nanopartículas, se desplazan más lentamente en la columna de agua, quedando suspendidas por más tiempo que los sedimentos más gruesos. Como consecuencia, estas partículas más pequeñas tienden a ser transportadas más lejos en el flujo superficial (Proffitt et al., 1991; Barry et al., 2010).

Un aspecto particular de este modelo es que contempla que las partículas grandes del suelo, al ser arrastradas por el flujo superficial, se asientan rápidamente, formando una capa de protección o “escudo” que puede proteger el suelo de una mayor erosión (Rose et al., 1994). Este fenómeno fue estudiado experimentalmente por Heilig et al. (2001), quienes demostraron que al mezclar arena gruesa con arcilla fina en un experimento de laboratorio, las partículas gruesas se asentaban rápidamente en el fondo, formando una capa protectora, mientras que las partículas de arcilla permanecían suspendidas y eran arrastradas por el flujo superficial, evidenciando indirectamente la relevancia de las nanopartículas en el transporte de sedimentos.

El transporte de nanopartículas debido a la erosión inducida por la lluvia es particularmente complejo de modelar. El modelo propuesto por Rose y sus colaboradores es útil en este contexto, pues descompone la erosión del suelo en distintas clases de partículas según su tamaño y describe su detención, deposición y la convección de estas partículas durante eventos de lluvia (Hairsine y Rose, 1991; Lisle et al., 1998; Rose y Hogarth, 1998). El modelo de Rose se adapta bien para modelar el transporte de nanopartículas desde el suelo hacia el flujo superficial, basándose en ecuaciones que relacionan la concentración de partículas con la tasa de deposición y la intensidad de la lluvia (Gao et al., 2004; Wang et al., 2018).

Por ejemplo, en condiciones experimentales, los datos muestran una correlación entre las simulaciones de este modelo y los datos experimentales obtenidos en experimentos con lluvias de diferentes intensidades, como los realizados por Gao et al. (2004). En sus estudios, se observó cómo las partículas de arcilla de tamaño nanométrico permanecían suspendidas en el flujo superficial, mientras que las partículas más grandes se asentaban rápidamente, lo que confirma la capacidad del modelo para predecir el comportamiento del transporte de nanopartículas en estos escenarios.

A pesar de estos avances en la comprensión del transporte de nanopartículas, uno de los principales desafíos radica en la gestión de las partículas finas y su impacto en los cuerpos de agua receptores. En este contexto, la vegetación de la superficie del suelo, como las franjas vegetales filtrantes (VFS por sus siglas en inglés), juega un papel crucial. Estas franjas vegetales son reconocidas por su capacidad para reducir la velocidad del flujo superficial, lo que disminuye la carga de partículas de suelo en las aguas superficiales (Nepf y Ghisalberti, 2008; Yang et al., 2008).

A lo largo de los años, diversas investigaciones han mostrado que las vegetación terrestre densa, como las franjas vegetales, pueden funcionar como filtros naturales, eliminando sedimentos, nutrientes y, en muchos casos, nanopartículas de los flujos superficiales antes de que lleguen a los cuerpos de agua (Munoz-Carpena et al., 1999; Yu et al., 2012). Estos filtros naturales no solo ayudan a reducir la contaminación por sedimentos en áreas agrícolas y urbanas, sino que también muestran una creciente capacidad para mitigar el transporte de partículas coloidales y nanopartículas, un tema de creciente preocupación debido a su rol en la contaminación de aguas y su potencial toxicidad.

Estudios realizados por Yu et al. (2011, 2012, 2013) emplearon experimentos en laboratorio con lluvias artificiales para estudiar la eficiencia de las franjas vegetales filtrantes en la remoción de partículas coloidales, como las partículas de arcilla. Los resultados de estos estudios sugieren que, en presencia de vegetación adecuada, es posible reducir considerablemente la carga de nanopartículas y partículas finas en el flujo superficial, actuando las franjas vegetales como una barrera efectiva para la protección de los recursos hídricos.

Es importante que el lector entienda que el control de las nanopartículas en el flujo superficial no se limita solo al aspecto de la erosión del suelo, sino que involucra un proceso continuo y complejo que abarca tanto las dinámicas de transporte de las partículas como la capacidad de la vegetación para atenuar este transporte. Las nanopartículas, al permanecer suspendidas durante más tiempo que las partículas más grandes, tienen un impacto a largo plazo sobre la calidad del agua, por lo que su manejo adecuado es esencial para la protección de los ecosistemas acuáticos y la salud humana.

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