Tarde o temprano, muchas nanopartículas artificiales terminan en cuerpos de agua o suelo. Crédito:iStock / enot-poloskun
La forma en que se comportan las nanopartículas en el medio ambiente es extremadamente compleja. Actualmente, hay una falta de datos experimentales sistemáticos que ayuden a comprenderlos de manera integral, como han demostrado los científicos ambientales de ETH en un gran estudio general. Un enfoque más estandarizado ayudaría a avanzar en el campo de la investigación.
La industria de la nanotecnología está en auge. Todos los años, se producen en todo el mundo varios miles de toneladas de nanopartículas artificiales; tarde o temprano, una parte de ellos terminará en cuerpos de agua o suelo. Pero incluso a los expertos les resulta difícil decir exactamente qué les sucede allí. Es una pregunta compleja, no solo porque hay muchos tipos diferentes de nanopartículas artificiales (diseñadas), pero también porque las partículas se comportan de manera diferente en el medio ambiente dependiendo de las condiciones imperantes.
Investigadores dirigidos por Martin Scheringer, Científico senior del Departamento de Química y Biociencias Aplicadas, Quería aportar algo de claridad a este tema. Revisaron 270 estudios científicos, y el casi 1, 000 experimentos de laboratorio descritos en ellos, buscando patrones en el comportamiento de nanopartículas diseñadas. El objetivo era realizar predicciones universales sobre el comportamiento de las partículas.
Las partículas se adhieren a todo
Sin embargo, los investigadores encontraron una imagen muy variada cuando observaron los datos. "La situación es más compleja de lo que muchos científicos hubieran predicho anteriormente, ", dice Scheringer." Necesitamos reconocer que no podemos dibujar una imagen uniforme con los datos que tenemos disponibles hoy ".
Nicole Sani-Kast, estudiante de doctorado en el grupo de Scheringer y primer autor del análisis publicado en la revista PNAS , añade:"Las nanopartículas diseñadas se comportan de forma muy dinámica y son muy reactivas. Se adhieren a todo lo que encuentran:a otras nanopartículas para formar aglomerados, oa otras moléculas presentes en el medio ambiente ".
Análisis de red
A qué reaccionan exactamente las partículas, y que tan rápido, depende de varios factores como la acidez del agua o del suelo, la concentración de los minerales y sales existentes, y sobre todo, la composición de las sustancias orgánicas disueltas en el agua o presentes en el suelo. El hecho de que las nanopartículas diseñadas a menudo tengan un recubrimiento superficial complica aún más las cosas. Dependiendo de las condiciones ambientales, las partículas retienen o pierden su recubrimiento, lo que a su vez influye en su comportamiento de reacción.
Los investigadores evaluaron los datos experimentales publicados en la literatura científica mediante un análisis de red. Este análisis revela qué tipos de nanopartículas (azul) se han estudiado y bajo qué condiciones ambientales (rojo). Crédito:Thomas Kast
Para evaluar los resultados disponibles en la literatura, Sani-Kast utilizó un análisis de red por primera vez en este campo de investigación. Es una técnica familiar en la investigación social para medir redes de relaciones sociales, y le permitió demostrar que los datos disponibles sobre nanopartículas de ingeniería son inconsistentes, insuficientemente diverso y pobremente estructurado.
Más método para el aprendizaje automático
"Si es más estructurado, se disponía de datos consistentes y suficientemente diversos, puede ser posible descubrir patrones universales utilizando métodos de aprendizaje automático, "dice Scheringer, "pero aún no hemos llegado". Primero deben estar disponibles suficientes datos experimentales estructurados.
"Para que la comunidad científica lleve a cabo tales experimentos de manera sistemática y estandarizada, es necesario algún tipo de coordinación, "añade Sani-Kast, pero es consciente de que ese trabajo es difícil de coordinar. Los científicos son generalmente bien conocidos por preferir explorar nuevos métodos y condiciones en lugar de realizar experimentos estandarizados de forma rutinaria.
Distinguir nanopartículas naturales y artificiales
Además de la falta de investigación sistemática, También existe un segundo problema tangible en la investigación del comportamiento de las nanopartículas artificiales:muchas nanopartículas artificiales consisten en compuestos químicos que se encuentran naturalmente en el suelo. Hasta ahora ha sido difícil medir las partículas manipuladas en el medio ambiente, ya que es difícil distinguirlas de las partículas naturales con la misma composición química.
Sin embargo, investigadores del Departamento de Química y Biociencias Aplicadas de ETH Zurich, bajo la dirección del profesor de ETH Detlef Günther, Recientemente han establecido un método eficaz que hace posible esa distinción en las investigaciones de rutina. Utilizaron una técnica de espectrometría de masas altamente sensible y de última generación (llamada espectrometría de masas spICP-TOF) para determinar qué elementos químicos componen las nanopartículas individuales en una muestra.
En colaboración con científicos de la Universidad de Viena, los investigadores de ETH aplicaron el método a muestras de suelo con partículas naturales que contienen cerio, en el que mezclaron nanopartículas de dióxido de cerio de ingeniería. Usando métodos de aprendizaje automático, que se adaptaban perfectamente a este problema en particular, los investigadores pudieron identificar diferencias en las huellas químicas de las dos clases de partículas. "Si bien las nanopartículas producidas artificialmente a menudo constan de un solo compuesto, Las nanopartículas naturales por lo general todavía contienen una serie de elementos químicos adicionales, "explica Alexander Gundlach-Graham, un postdoctorado en el grupo de Günther.
El nuevo método de medición es muy sensible:los científicos pudieron medir partículas diseñadas en muestras con hasta cien veces más partículas naturales.
