La nanogeología, una gran aliada para entender los procesos naturales apoyada por la nanotecnología y su utilidad en el campo de la restauración y conservación de patrimonio

Hoy en día, sectores tan allegados a nosotros —como las redes de internet cada vez más potentes, la tecnología móvil o el desarrollo de nanochips— son capaces de conseguir una altísima sensibilidad en un espacio muy reducido. El avance en los tratamientos contra enfermedades como el cáncer, tanto en equipos de diagnóstico como en medicamentos, que encapsulados logran penetrar a nivel celular para destruir las células malignas, tienen un fuerte aliado en la nanotecnología.

Imaginamos una partícula mucho más pequeña que una bacteria, similar al tamaño de los virus e incluso menor. Es el caso de los nanómetros. Aquel espacio con dimensiones equivalentes a una mil millonésima parte de un metro. En este sentido, un virus puede llegar a tener dimensiones entre 20 y 400 nanómetros y una bacteria un tamaño mayor, comúnmente del orden de las 10 a 100 micrómetros (la milésima parte de un milímetro).

En ese espacio tan reducido se concentran gran cantidad de átomos, lo cual favorece la interacción entre ellos. En comparación con materiales de dimensiones mayores, la superficie disponible en la escala nanométrica, es decir, la superficie específica, fomenta que haya más reactividad. Así, muchas reacciones químicas pueden acelerarse, como es el caso de los catalizadores, el rendimiento de dispositivos de almacenamiento energético como las baterías, o aspectos tan cotidianos como son la mejora en los colores de una pantalla de televisión o un teléfono móvil. Igualmente, sucede con los nanotubos de carbono, una larga cadena de átomos enrollados formando un cilindro, con una de sus dimensiones en la escala nanométrica, lo que comúnmente se conoce como nanoestructurado. Esta cadena de átomos confiere una alta resistencia mecánica a su vez que mejora la conductividad térmica y eléctrica, resultando útil en el sector aeroespacial.

Propiedades que cambian con el tamaño y la forma

La modificación tanto del tamaño como de la forma y la composición de los nanomateriales puede llegar a generar cambios en sus propiedades específicas.  

Imaginemos que a escala nanométrica los átomos se disponen ordenadamente, como lo haría un ejército de soldados, completamente alineados, pero desarrollando redes tridimensionales con formas cúbicas, ortorrómbicas, hexagonales, tetragonales, entre las más conocidas. Al entrar en contacto con otra formación donde los átomos son más grandes, solamente podrían pasar los más pequeños a través de esos espacios que por algún motivo han sido perturbados, formando dislocaciones y fisuras. Esa interacción entre filas de átomos puede ser la responsable de las modificaciones en sus propiedades, tal y como lo harían compuestos químicos de distinta naturaleza, dentro de la escala nanométrica.

Los avances en las técnicas de fabricación de nanomateriales (normalmente conocida como síntesis), incluyendo las modificaciones producidas por el uso de diferentes reactivos o la aplicación de tratamientos térmicos hacen que hoy en día exista una gran variedad de nanomateriales, que, aunque tengan la misma composición química, su morfología y tamaño, así como su grado de ordenamiento atómico puede ser diferente. 

Tal vez esa sea una de las cualidades que confiere el hecho de poder modificar esos compuestos. Un seguimiento controlado de las modificaciones nos ayuda no solo a entender el fenómeno en sí, sino a saber cuándo y en qué condiciones utilizarse.

Es a partir de ese momento donde el entendimiento de las reacciones a nivel atómico se hace útil para su aplicación en diferentes procesos. Ya lo decía el físico Stephen Hawking, al referirse a que “el fenómeno de la interferencia entre partículas es crucial para la comprensión de la estructura de los átomos, las unidades básicas de la química y de la biología, y los ladrillos a partir de los cuales nosotros, y todas las cosas a nuestro alrededor, estamos formados”. Él comparaba el movimiento de las partículas subatómicas (electrones, protones o neutrones), con el comportamiento del universo en su conjunto, analizando los cambios que ocurren a nivel microscópico. De forma similar podemos decir que puede hacerse una comparación a través de la nanogeología. En este caso, aprovechando las herramientas que nos brinda la nanotecnología, para la modificación de las estructuras mediante la utilización de distintos nanomateriales en un espacio reducido y así comprender lo que pasa en diferentes fenómenos geológicos.

Podría decirse que resulta más fácil entender el proceso de crecimiento mineral a partir de las reacciones de distintos fluidos mineralizantes, capaces de formar un nuevo compuesto. Es el caso de aquellos que a nivel geológico vemos en cuevas donde a lo largo del tiempo crecen estalactitas y estalagmitas, también conocidas como espeleotemas, formadas por la disolución de la piedra caliza por efecto del agua y la posterior recristalización del carbonato de calcio, siendo la calcita o el aragonito los más conocidos. Como vemos en la Figura 2, estos compuestos cristalizan alcanzando varios metros, lo mismo puede suceder cuando las nanopartículas de hidróxido de calcio reaccionan con el dióxido de carbono ambiental (reacción de carbonatación) formando este tipo de carbonatos de calcio, en este caso en condiciones de alta humedad relativa.

Así mismo sucede con las vetas minerales ricas en compuestos como el oro o la plata, formadas a partir de fluidos que favorecen la acumulación de átomos y el crecimiento cristalino. Es más, cabría pensar si en la naturaleza suceden fenómenos similares a los tratamientos térmicos aplicados en el laboratorio a los materiales y sí, claro que existen. Es el caso de aquellos procesos donde al entrar en contacto dos materiales de composición diferente, con fluidos mineralizantes dan lugar a la cristalización de compuestos minerales que finalmente producen modificaciones en la roca, tanto con el solo contacto como por su incremento en temperatura o por cambios de presión como sucede en mármoles o granitos, debido a procesos metamórficos. Al igual que los ocasionados por reacciones hidrotermales, debido a la acción de fluidos calientes que alteran los minerales presentes. 

Cristalizaciones naturales y artificiales: un mismo lenguaje

Si nos adentramos en su utilidad, tales cristalizaciones pueden ser útiles en procesos de restauración de materiales de origen natural, incluyendo el caso de los utilizados en construcción o en esculturas. Cuando, por ejemplo, uno de estos materiales es expuesto al aire, a los cambios de temperatura, o a la acción de compuestos químicos contaminantes, conducen a su deterioro. Es allí donde la aplicación de un producto puede llegar a restaurar esa estructura porosa (restableciendo la cohesión perdida), previniendo un daño mayor e incluso su total pérdida de compactación. Hablamos de los productos consolidantes que actúan rellenando los poros de la roca y que, dependiendo no solamente de su composición, tamaño y morfología, sino de su método de aplicación, pueden modificar el sistema poroso y, por tanto, la piedra, para así garantizar una durabilidad mayor.  De esta manera, la superficie del material adquiere más resistencia no solamente ante el impacto de factores favorecedores de su deterioro, sino que actúan previniendo su fracturamiento.

Estas zonas de debilidad, que a escalas micro o nanométrica se identifican como regiones con acumulación de fisuras y dislocaciones equivaldrían a aquellas zonas en las cuales los movimientos del terreno son fácilmente afectados por la acción de fallas y diaclasas, es decir fracturas que afectan los bloques de rocas resultando ser zonas de riesgo en caso de actividad sísmica, entre otras causas. Estas superficies también resultan favorecedoras para la circulación de fluidos mineralizantes, los cuales, dependiendo de su composición, pueden resultar contaminantes, como lo producirían la acumulación de sales o de compuestos provenientes de una atmósfera contaminada. 

Lo mismo sucede cuando en un material de construcción utilizamos nanomateriales, los cuales van a interferir con el material cementante, lo mismo que harían en la naturaleza. Si podemos visualizar ese comportamiento a través de un microscopio capaz de llegar a detectar los átomos, como el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución, seríamos capaces de analizar cómo los átomos que forman la estructura de los nanomateriales interactúan con los de la matriz cementante de las rocas, llegando a modificar los poros, llenando las fisuras y, por lo tanto, modificando su resistencia superficial. Pero no siempre todos son éxitos, se producen fracasos, ya que un nanomaterial debe ser cuidadosamente seleccionado para garantizar una efectividad no solamente a corto sino a largo plazo. Es ahí donde el entendimiento de los procesos de reacción mineral resulta ser indispensable. 

Un ejemplo de ello es el promover la cristalización de compuestos minerales directamente sobre la superficie pétrea, a partir de la técnica de electroquímica, en donde, como su propio nombre indica, se combina la energía eléctrica y las reacciones químicas. En la Figura 3 vemos cómo la reacción producida por los compuestos químicos inyectados condujo a la cristalización del carbonato hidratado de magnesio, conocido como hidromagnesita directamente en los poros de una roca. Su cristalización y posterior crecimiento consiguieron que se formaran fibras que se acomodaron al espacio existente, reduciendo la porosidad.

Estos ejemplos de por sí resultan bastante útiles; sin embargo, es indispensable realizar un buen control a nivel microscópico de los efectos de las reacciones químicas, considerando sus propiedades específicas y las condiciones donde están expuestos los materiales. Para ello, lo importante es contar con el microscopio más adecuado, uno capaz de proporcionar información tanto de la composición química como de la estructura cristalina.

Nos referimos a microscopios electrónicos donde se juegue con la escala que queremos observar, es decir, desde una escala micro hasta una escala nano, iniciando con un microscopio electrónico de barrido de alta resolución (SEM), considerando las características  texturales y químicas del material, incluyendo aquellos que permiten visualizar la estructura cristalográfica (EBSD), o los de tipo ambiental de última generación (ESEM) cuya gran  ventaja es ser una técnica no destructiva,  hasta un microscopio electrónico de transmisión (TEM) capaz de detectar imágenes en torno a los angstroms (la décima parte de un nanómetro), para llegar a la escala atómica (HRTEM), en conjunto con la difracción de electrones y detectores de la composición química (EDS-EELS); e incluso optar por aquellos que mezclan barrido y transmisión (HRSTEM). Este seguimiento a nivel microscópico es fundamental, si se quiere hacer una evaluación de la eficacia del nanomaterial o los materiales empleados.  

Por tanto, resulta fundamental considerar el gran potencial de la nanogeología para el avance tanto en el entendimiento de los fenómenos geológicos, así como de los diversos campos de aplicación, a partir del estudio a micro y nanoescala de las reacciones minerales y sus efectos ayudados por la nanotecnología.

Cortesía de Muy Interesante

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