Qué son las nanopartículas: tipos y aplicaciones

Las nanopartículas son estructuras de tamaño nanométrico (aprox. 1–100 nm) que pueden comportarse de forma distinta al mismo material a mayor escala. Por eso aparecen en aplicaciones tan diversas como diagnóstico, energía, electrónica o tratamiento de agua. 

En este artículo verás qué son, cómo se clasifican por composición y en qué ámbitos se utilizan.

Qué son las nanopartículas

Una nanopartícula es una partícula extremadamente pequeña, con un tamaño aproximado de 1 a 100 nanómetros (nm), que existe como unidad individual (no como película o bloque continuo). A esa escala su comportamiento puede cambiar respecto al mismo material en tamaños mayores.

Se consideran un tipo de nanomateriales porque operan en la nanoescala, pero destacan por dos motivos:

1. Relación superficie/volumen muy alta: más superficie expuesta, más interacción y, a menudo, mayor reactividad.
   
   
2. Efectos de tamaño: a esta escala pueden cambiar propiedades como el color, la conductividad o el magnetismo.

De ahí que, con la misma composición, una nanopartícula pueda comportarse de forma distinta al material en su versión macroscópica.

Tipos de nanopartículas

Nanopartículas metálicas

Se sintetizan normalmente a partir de sales metálicas que se reducen a metal “cero” mediante una reducción química.
Su característica principal es la resonancia de plasmón superficial: una oscilación colectiva de los electrones de la superficie que, al interactuar con la luz, genera colores intensos y señales ópticas muy sensibles al tamaño, la forma y el medio que las rodea.

Ejemplos:

• Oro (Au): su resonancia de plasmón superficial es especialmente estable, por eso se usa en biosensores y tests colorimétricos para diagnóstico biomédico, por ejemplo en detección de biomarcadores (proteínas, antígenos o fragmentos de ADN).
• Plata (Ag): destaca por su efecto antimicrobiano; se emplea en recubrimientos y materiales con función antibacteriana.
• Platino (Pt): su alta superficie activa lo convierte en un catalizador muy eficiente; se utiliza en catálisis industrial y en procesos electrocatalíticos (p. ej., reacciones en electrodos).

Nanopartículas de carbono 

Son partículas o nanoestructuras hechas principalmente de carbono. Se usan cuando interesa mucha superficie activa y buena estabilidad. Además, su superficie se puede modificar para ajustar cómo interactúan con otros materiales o con moléculas.

Ejemplos:

• Carbon dots (CDs) o “puntos de carbono”: emiten fluorescencia; se usan como señal en biosensores y ensayos de detección.
• Nanodiamantes: son muy estables y se pueden funcionalizar; se usan como portadores en liberación controlada y en marcaje.
• Carbon black (negro de humo): partículas primarias en la nanoescala que forman agregados; se usa como carga de refuerzo y/o conductora en polímeros y cauchos.

En conjunto, estas nanopartículas se aplican para aportar señal óptica o para mejorar propiedades mecánicas y eléctricas en materiales compuestos.

Nanopartículas poliméricas

Se forman con polímeros que funcionan como una cápsula: encapsulan un compuesto y lo protegen. Normalmente se obtienen de dos formas: (1) dispersando un polímero ya formado hasta generar partículas en nanoescala o (2) polimerizando monómeros directamente en forma de nanopartículas. Su ventaja clave es que el polímero se puede ajustar para definir cuánto dura la partícula, cómo se degrada y a qué ritmo libera su contenido.

Ejemplos:

• PLGA (poli(láctico-co-glicólico)): biodegradable y muy usado como matriz de liberación controlada; se emplea en sistemas de liberación sostenida de fármacos.
• Quitosano: polímero natural con buena interacción con mucosas (mucoadhesivo); se utiliza como nanovehículo para administración mucosal de activos.
• PCL (policaprolactona): biodegradable con degradación más lenta, útil cuando se busca liberación prolongada; se usa en formulaciones de liberación extendida.

En general, se usan como vehículos a nanoescala para proteger un compuesto y controlar el momento y la velocidad con la que se libera.

Nanopartículas lipídicas

Se forman a partir de lípidos que se autoensamblan en nanoestructuras. Suele ocurrir al mezclar una fase orgánica con lípidos y una fase acuosa. El resultado son partículas estables en la nanoescala, capaces de encapsular y proteger moléculas sensibles.

Su rasgo diferencial es su “arquitectura” lipídica. Puede alojar cargas hidrofílicas en el interior. Y, al mismo tiempo, interactúa bien con membranas biológicas, lo que facilita la entrega del contenido.

Ejemplo: 

LNP (lipid nanoparticles): se emplean como sistema de encapsulación y protección de ARN (por ejemplo, en formulaciones de vacunas de ARNm). Están compuestas por lípidos ionizables + fosfolípidos + colesterol + lípido-PEG.

Uso típico: nanovehículos para la entrega de ácidos nucleicos (ARNm/siRNA), mejorando su estabilidad y su entrada en células.

Nanopartículas híbridas

Se fabrican uniendo dos o más materiales en una sola nanopartícula. La forma más común es la estructura núcleo–capa (core–shell): un material forma el ‘núcleo’ (la parte central) y otro lo recubre como una ‘cáscara’ continua. Ese recubrimiento no es decorativo: sirve para estabilizar el núcleo, protegerlo del entorno y aportar una superficie química distinta (por ejemplo, más compatible con agua o más fácil de funcionalizar). Otra variante es recubrir un núcleo inorgánico con una capa orgánica (polímero o lípido) para mejorar la dispersión y controlar cómo interactúa con el medio

Ejemplos:

• Oro (Au) + sílice (SiO₂): el oro aporta una señal óptica intensa. La sílice lo estabiliza y deja una superficie fácil de funcionalizar.
• Óxido de hierro (Fe₃O₄) + polímero (p. ej., PEG o PLGA): el núcleo responde a campos magnéticos. El recubrimiento mejora la estabilidad en agua y permite ajustar la interacción con el medio.
• Puntos cuánticos (p. ej., CdSe/ZnS) + sílice o polímero: el núcleo emite fluorescencia muy brillante. El recubrimiento aumenta la estabilidad y facilita anclar moléculas en la superficie.

En conjunto, se usan cuando se necesita multifuncionalidad: señal (óptica o magnética) y una superficie “lista” para trabajar en condiciones reales.

Aplicaciones de las nanopartículas

Medicina y biotecnología

Se usan para detectar señales biológicas en tests rápidos y biosensores. También se aplican como sistemas de entrega para transportar fármacos o material genético y liberarlo donde interesa. En investigación y clínica, se emplean además como marcadores o agentes de contraste para seguimiento e imagen.

Materiales y recubrimientos

Se incorporan a recubrimientos para añadir funciones concretas, como efecto antibacteriano o protección frente a desgaste. En pinturas y barnices se usan para mejorar resistencia, estabilidad y acabado. En materiales compuestos, ayudan a ajustar propiedades mecánicas o eléctricas.

Energía

Se aplican en componentes clave de dispositivos electroquímicos, sobre todo en electrodos y catalizadores. También se usan para optimizar materiales en sistemas de almacenamiento y conversión de energía. El objetivo es mejorar rendimiento y estabilidad de esos componentes.

Electrónica y fotónica

Aparecen en tintas conductoras y en procesos de electrónica impresa. Se emplean en sensores por su respuesta eléctrica u óptica ante cambios del entorno. En fotónica, se usan en materiales y capas funcionales para dispositivos optoelectrónicos.

Medioambiente y tratamiento de agua

Se usan para eliminar contaminantes en agua mediante captura o degradación. También se aplican en sensores para monitorizar sustancias a bajas concentraciones. En remediación, se exploran en soluciones específicas para suelos o corrientes de aire.

Alimentación y envases

En packaging se aplican para crear envases funcionales, con mejor barrera o con actividad frente a microorganismos. También se usan como indicadores para control de estado o trazabilidad. En formulación, pueden ayudar a estabilizar ciertos compuestos sensibles.

Cosmética y cuidado personal

Se emplean para formular activos y mejorar su estabilidad en el producto. También se usan para ajustar textura y sensorialidad. En fotoprotección, se aplican en sistemas diseñados para proteger frente a radiación UV.

Para entender estas aplicaciones con rigor hay que ir más allá de los ejemplos y dominar tres cosas: cómo se sintetizan, cómo se caracterizan y cómo se evalúan en cada caso de uso. Para ello, el Máster Universitario en Nanomateriales Funcionales se centra en nanomateriales aplicados a energía, biotecnología y medioambiente.