Nanomateriales

DESCRIPCIÓN

Generalidades sobre nanotecnología

La nanotecnología se define como el conjunto de técnicas y ciencias en las cuales se estudian, manipulan y obtienen de manera controlada, materiales, substancias y dispositivos de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nanómetros.

El prefijo “nano” indica 10-9, es decir, una milmillonésima parte. Por lo que un nanómetro (nm) es la milmillonésima parte de un metro, lo que significa un tamaño decenas de miles de veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

A escala nanométrica, aparecen propiedades en los materiales totalmente nuevas, por lo que hay que recurrir a la física cuántica para poder entender ese comportamiento distinto. También hay que tener en cuenta que una partícula de material con un tamaño nanométrico tiene una superficie específica mucho mayor que un volumen similar del material a escala macroscópica, lo que significa que existe una mayor superficie para poder interaccionar con el resto de materiales que le rodean.

El trabajo desarrollado en el campo de la nanotecnología ha empezado a generar ya patentes y aplicaciones prácticas. El gran interés y las expectativas que se han desarrollado están basadas en que las previsiones indican que la nanotecnología tendrá impacto en todos los sectores como una tecnología clave. Además, las aplicaciones industriales de la nanotecnología son muy amplias, y aumentan día a día.

Se ha detectado una importante actividad en el campo de la nanotecnología en España, con la publicación de numerosos trabajos, la participación en proyectos europeos y nacionales y un creciente interés por parte de la industria.

Nanotecnología aplicada al sector de los envases para alimentos. Mejora de la barrera a los gases, las propiedades mecánicas y las propiedades térmicas

En el sector de los envases para alimentos una de las aplicaciones más destacadas es la de controlar la difusión de gases a través de los materiales de envase y por lo tanto, prolongar el tiempo de conservación de los alimentos mediante la incorporación de nanopartículas, ya sea en el seno de la matriz polimérica, o como recubrimiento tanto en materiales poliméricos como celulósicos.

En el caso de la incorporación de las nanopartículas en el seno de un material polimérico, éstas crean un recorrido tortuoso para la difusión de las moléculas gaseosas, lo cual permite conseguir iguales prestaciones con espesores inferiores. Además, estas nanopartículas proporcionan otras funciones, como aumentar la rigidez del material, aumentando la resistencia a la tracción del mismo y mejorar las propiedades térmicas, aumentando la temperatura de fusión del material.

Despierta gran interés el hecho de que con una pequeña cantidad de estas nanopartículas (3-5% en peso) se obtiene una notable mejora de las propiedades mencionadas.

Las interacciones interfaciales entre la matriz y las nanopartículas son las principales responsables del grado de mejora en las propiedades del material. Estas mejoras están relacionadas con los siguientes factores: dispersión, interacción con la matriz, agregaciones que puedan tener lugar entre las partículas, cantidad de arcilla utilizada y método de procesamiento. En la mayoría de los casos, la superficie de las nanopartículas se modifica por un proceso químico utilizando agentes modificantes bajo condiciones y procedimientos especiales, con el propósito de optimizar las interacciones entre el polímero y la arcilla, mejorar la dispersión y la reducción de aglomerados y facilitar la obtención de los nanocompuestos deseados.

Una de las aplicaciones sobre la que se están llevando a cabo estudios experimentales es la fabricación de botellas para alimentos sensibles al oxígeno mediante inyección-soplado a partir de preformas fabricadas con PET incorporando una capa aditivada con nanoarcillas. Las “nanoarcillas” son arcillas modificadas mediante la manipulación controlada a nivel nanométrico, con un diseño específico de su estructura en función de la aplicación. Unas de las ventajas principales que pueden aportar estos materiales alternativos al vidrio son fundamentalmente la reducción de peso, así como menores costes de fabricación, aunque hay que estudiar para cada producto concreto si es posible conseguir las propiedades barrera adecuadas para alcanzar la vida útil deseada.

Nuevas funcionalidades. Envases activos y/o inteligentes para alimentos basados en la nanotecnología

Por otro lado, también se están desarrollando sistemas de envasado activo y/o inteligente que permitan mejorar la protección y la trazabilidad de los alimentos.

Un envase activo es aquel que interacciona con el alimento o la atmósfera que lo rodea (libera algún tipo de compuesto de interés o bien absorbe algún tipo de sustancia indeseable) con el objetivo de aumentar la vida útil del alimento que contiene, mejorar sus propiedades organolépticas y su seguridad alimentaria, al mismo tiempo que mantiene la calidad del alimento. En este sentido, en la actualidad se está trabajando en el desarrollo de nanocompuestos funcionalizados con actividad antimicrobiana.

A diferencia del envase activo, un envase inteligente es aquel que monitoriza las condiciones del producto envasado y es capaz de registrar y aportar información sobre su calidad, evidenciando posibles mecanismos y/o prácticas “anormales” que hayan podido deteriorar el alimento y/o su envase durante las distintas fases de la cadena de distribución.

En relación a los materiales inteligentes basados en la nanotecnología, se prevé en un futuro disponer de materiales cuyas propiedades cambien en función de las condiciones externas o internas, como la temperatura. Otra idea innovadora es el uso de “nanosensores” incorporados al envase para detectar cantidades minúsculas de agentes químicos, como los producidos cuando un alimento empieza a deteriorarse. En este caso, el nanosensor del envase podría cambiar de color para avisar al consumidor del deterioro o la contaminación.

De esta forma, y con todo lo expuesto, se puede concluir que el uso de la nanotecnología permitirá que los alimentos se mantengan frescos durante más tiempo gracias a materiales de envasado capaces de absorber el oxígeno y la humedad, con propiedades antimicrobianas, más ligeros con mayor resistencia al calor, la luz, los daños mecánicos o de otro tipo y además permitirán monitorizar características sobre su evolución.

Tendencias futuras en el campo de la nanotecnología en el sector de envases

Del análisis realizado sobre la situación general de la nanotecnología dentro del sector de los envases se pueden identificar como oportunidades la capacidad de desarrollo de nuevos productos, la apertura a nuevos mercados y la posibilidad de desarrollo de nuevas empresas especializadas en el sector. En cuanto a las amenazas se puede mencionar la competencia de países consolidados como líderes en el sector (como pueden ser Estados Unidos o Alemania), y el número limitado de proveedores.

Las principales fortalezas son la fabricación de productos muy diversos y la fácil adaptación de los nuevos productos a los procesos productivos actuales. En cuanto a sus debilidades destacan el elevado coste de las nanocargas, la necesidad de evaluación de los riesgos para la salud asociados a la manipulación y uso de estas nanopartículas y la necesidad de realizar una actividad de I+D importante, que permita asegurar una correcta compatibilización y dispersión de las nanopartículas en el material de base.

Ahora bien, para poder desarrollar todo lo anteriormente mencionado, es necesario disponer de una infraestructura que permita realizar pruebas a partir de pequeñas cantidades de materiales. En este sentido, el Departamento de Tecnologías del Envase de ainia dispone de unas líneas completas de recubrimiento y de extrusión de plásticos de laboratorio, gracias a lo cual se ha podido llevar a cabo un proyecto de Plan Nacional apoyado por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio titulado “Desarrollo y caracterización de nuevos nanocomposites basados en polímeros y mezclas poliméricas para aplicaciones industriales“, cuyo objetivo es el de desarrollar una metodología de trabajo para optimizar la obtención de nuevos nanocompuestos basados en mezclas poliméricas y PET (polietilentereftalato).

Finalmente cabe destacar que la Comisión Europea ha creado una línea de trabajo dentro del 7º Programa Marco dedicada exclusivamente al desarrollo de proyectos relacionados con la nanotecnología.