Nanomateriales y su aplicación en la industria química: Desarrollo seguro de nanomateriales, nanocomposites y bionanomateriales

Natalia Ortuño y Arantxa Ballesteros, Centro tecnológico Itene

20/05/2024

Los nanomateriales han resultado claves para el desarrollo de materiales avanzados con propiedades mejoradas en un sinfín de sectores. Dentro de éstos, los biomateriales son una pieza clave para alcanzar con éxito el objetivo de la Unión Europea (UE) de lograr para 2050 una comunidad climatológicamente neutra. Esto se debe a que pueden hacer que la economía sea más sostenible y reducir su dependencia de recursos fósiles y minerales cada vez más costosos y finitos, al mismo tiempo que trabajan en la mitigación del cambio climático.

Sin embargo, deben cumplir dos requisitos: por un lado, para lograr que sean aceptados por la industria y los usuarios finales, los biomateriales deben ofrecer propiedades funcionales para aplicaciones de gran volumen y funcionar de manera similar a los materiales de origen fósil; por otro, para cumplir los objetivos establecidos por las políticas europeas orientadas a la neutralidad climática, deben ser seguros y sostenibles.

La ventaja de los nanomateriales para avanzar en el desarrollo de nuevos materiales se basa en que, por su elevada superficie específica y relación de aspecto, permiten que haya una alta interacción con los materiales donde se incorporen, pudiendo brindarles de nuevas propiedades requeridas en muchos sectores, como las mecánicas, térmicas, reológicas, ópticas, barrera y activas.

Figura 1.

Aunque el rendimiento de los productos finales se puede mejorar con el uso de nanomateriales en comparación con sus equivalentes a tamaño micrométrico, fruto de esta mayor reactividad que resulta de su alta relación de aspecto, también pueden generar efectos potencialmente más negativos en la salud humana y ambiental, que son necesarios vigilar. Además, la implementación de nuevos productos en el mercado que incorporen este tipo de aditivos se ha encontrado con cierta reticencia debido a sus costes más elevados y la falta de datos de análisis de ciclo de vida (ACV).

Nanomateriales biobasados: una de las líneas de desarrollo más prometedoras en el ámbito de la nanotecnología aplicada a la industria química

Para desmitificar y promover la aceptación de este tipo de materiales por parte de la industria y los usuarios finales, el proyecto BIONANOPOLYS, financiado por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, persigue fortalecer la circularidad de los nanomateriales biobasados, con un enfoque totalmente alineado con la sostenibilidad, mediante el aprovechamiento de la biomasa procedente de residuos lignocelulósicos, evitando así una pérdida de recursos, y su eliminación en vertederos para desarrollar bionanocompuestos innovadores.

En la primera mitad del proyecto, los centros tecnológicos participantes, entre los que está ITENE, se han centrado en mejorar las tecnologías y procesos realizados en muchas de sus plantas piloto. El propósito de realizar dichas mejoras ha consistido en optimizar los métodos de síntesis y modificación de diversos tipos de nanomateriales para lograr procesos más sostenibles, así como aumentar el rendimiento de los procesos y la capacidad de producción de los mismos, y mejorar el grado de dispersión de los nanomateriales en las matrices biopoliméricas y los sustratos celulósicos, de manera que sus propiedades se puedan equiparar a las que se consiguen con el uso de materiales provenientes de fuentes no renovables. También se ha evaluado la seguridad de aquellos nanomateriales desarrollados en el proyecto que se utilizan en demostradores con aplicaciones críticas como envase cosmético o alimentario. Así pues, los nanomateriales desarrollados han consistido en compuestos de alto valor añadido de origen renovable como las nanofibras y nanocristales de celulosa, la nanolignina, nanopartículas metálicas, copolímeros de bloque, nanocápsulas con propiedades antimicrobianas y antioxidantes, así como nanoarcillas modificadas.

Tras estas mejoras, los socios industriales y el apoyo de los centros tecnológicos trabajan en la validación de los nanomateriales obtenidos y modificados en el proyecto mediante veintiún casos de uso, aplicados a diferentes sectores, entre los que se encuentran envases plásticos para aplicación flexible y rígido, envase celulósico, piezas espumadas para el sector de automoción, cosméticos y aplicaciones textiles.

Hasta el momento, algunos de los demostradores más prometedores han consistido en una botella para cosmética producida a partir de biopolímeros biodegradables reforzada con nanoarcillas, con el objetivo de mejorar las propiedades barrera al oxígeno y vapor de agua entre un 30-40% con respecto al material biopolimérico base (Figura 1).

Figura 2.

Otro de los demostradores consiste en un film bicapa para alimentación, compuesto con polímeros de origen renovable, donde la capa minoritaria contiene una arcilla modificada capaz de mejorar sus propiedades barrera hasta un 70%, para conseguir reducir su espesor hasta un 5% del total de la estructura, y le permita además mantener las propiedades del film bicapa original (Figura 2).

Por último, otro de los demostradores desarrollado hasta el momento dentro del sector textil consiste en una bayeta de limpieza, desarrollada con materiales biodegradables donde uno de los biopolímeros se ha modificado mediante extrusión reactiva para otorgarle propiedades antimicrobianas (Figura 3).

Figura 3.

Actualmente, los tres demostradores, están siendo evaluados con el objetivo de determinar la sostenibilidad de éstos al final de su vida. En el caso de la botella y la bayeta, se está evaluando su comportamiento en condiciones de compostaje industrial, mientras que, en el caso del film, se está evaluando la reciclabilidad del mismo siguiendo las indicaciones de la guía para el diseño de film flexibles basado en polietileno de RecyClass.

En términos de seguridad, los demostradores de los casos de uso asociados a envase alimentario o cosmética, entre otros, también se evalúan para garantizar que no presenten riesgos para la salud.

Seguridad y sostenibilidad: claves desde el diseño de los nanomateriales

Pese a su uso generalizado en muchas aplicaciones, existe un vacío científico para entender cómo la estructura, el tamaño, las interacciones o la reactividad asociada a materiales nanométricos puede afectar a la salud humana o ambiental. Esto es especialmente relevante en el caso, por ejemplo, de nanomateriales multicomponente (MCNM), en los de alta relación de aspecto (HARNs), así como en los nanomateriales manufacturados (ENM) y productos nanoestructurados (NEP).

Para alinear los desarrollos de materiales avanzados con los objetivos estratégicos de la Comisión Europea, existen políticas y recomendaciones para impulsar la implementación y aplicar metodologías y enfoques que permitan desarrollar materiales más seguros y sostenibles.

Detalle de un ensayo de citotoxicidad, uno de los estudios de caracterización del perfil toxicológico de nanomateriales que se llevan a cabo en el centro tecnológico Itene.

Así pues, la Estrategia Europea sobre Productos Químicos (Chemical Strategy for Sustainability, CSS), enmarcada como parte de la ambición del Pacto Verde Europeo (Green Deal), surge como respuesta a la necesidad de garantizar que los productos que empleamos y consumimos sean lo más seguros y sostenibles posibles desde un enfoque de ciclo de vida. Como herramienta para articular esto, nace el marco europeo de seguridad y sostenibilidad desde el diseño SSbD (del inglés, Safe and Sustainable by Design), el cual nace con el objetivo de impulsar, desde etapas tempranas de la I+D hasta su fin de vida útil, el desarrollo de materiales y productos químicos más seguros y sostenibles (prestando atención también a los procesos durante la producción), en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Por tanto, la SSbD resulta, aparte de tratar minimizar y sustituir el uso de sustancias peligrosas, también es clave para la transición hacia la neutralidad climática, la economía circular y la ambición de contaminación cero del Pacto Verde Europeo.

En este contexto, y con el fin de guiar a la industria química europea hacia un desarrollo sostenible alineado con los objetivos de SSbD, desde ITENE trabajamos activamente en diferentes líneas de trabajo enfocadas a desarrollar e implementar estrategias de SSbD que permitan mitigar los potenciales efectos adversos en la salud humana y ambiental.

Así pues, el proyecto SbD4Nano, financiado por la UE en el marco del programa Horizonte 2020, pretende abordar los retos actuales relacionas con el desarrollo de nanomateriales, NEP y ENMs en lo que respecta a la aplicación e implementación del macro SSbD. Para ello, se ha trabajado en el desarrollo y la validación de nuevos enfoques y herramientas que permiten garantizar la seguridad de procesos y productos, considerando todo el ciclo de vida de los nanomateriales y nanoproductos, desde el propio diseño del material a la implementación de mejoras en el proceso para el mejor control de los riesgos, enfocándose en sectores industriales como recubrimientos, cosméticos, tecnología farmacéutica y sanitaria, y los nanomateriales estructurales y funcionales.

Para cumplir estos objetivos, se ha trabajado en el desarrollo de modelos matemáticos los cuales se han integrado en una plataforma software “e-infrastructure”. La finalidad de esta plataforma es permitir la identificación, diseño e implementación de estrategias para el diseño de nanomateriales, nanoproductos y procesos seguros. A la vez, busca fomentar el diálogo y la colaboración entre los agentes de la cadena de suministro de nanotecnología con vistas a la definición, basada en el conocimiento, de enfoques de diseño seguro basados en criterios de peligro, exposición, rendimiento del producto y coste.

La infraestructura se ha validado en diferentes casos de uso y se está trabajando en su implantación a mayor escala para ayudar y orientar a la industria, los organismos reguladores y la sociedad civil en el diseño de estrategias bien equilibradas de seguridad, funcionalidad y coste. El sistema pretende reducir los posibles riesgos de los nanomateriales y los productos nanotecnológicos en una fase temprana del proceso de desarrollo.

Por su parte, el proyecto DIAGONAL, financiado por el programa Horizonte 2020, que tiene como objetivo aportar nuevas metodologías para garantizar la nanoseguridad a largo plazo a lo largo del ciclo de vida de los MCNM y HARN. El proyecto se basa en la implementación de estrategias de SSbD y metodologías en siete casos industriales, en los que se está validando el rediseño de nanomateriales y la aplicación de estrategias (funcionalización o encapsulación) que buscan reducir la toxicidad. Para ello, en DIAGONAL se han analizado las propiedades fisicoquímicas, la toxicología, el comportamiento y la exposición ambiental de los materiales, así como la seguridad humana a lo largo de su ciclo de vida, desarrollando además herramientas de modelado a multiescala capaces de predecir y caracterizar propiedades nanoespecíficas.

Como resultado final de la validación de las estrategias implementadas en estos siete casos de estudio representativos del ámbito de aplicación de nanomateriales, se elaborará una guía de buenas prácticas de SSbD que pretenderán dar soporte a la industria para el desarrollo de nanomateriales más seguros.