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Predicen con simulación computacional, propiedades de nanoalambres de carburo de silicio

 
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Son capaces de generar luz y reducir el consumo de energía; con ellos será posible, en un futuro, desarrollar dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia
Son capaces de generar luz y reducir el consumo de energía; con ellos será posible, en un futuro, desarrollar dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia

27 de diciembre de 2012

• Son capaces de generar luz y reducir el consumo de energía; con ellos será posible, en un futuro, desarrollar dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia, dijo Angélica Estrella Ramos Peña, del IIM de la UNAM

Apoyada con equipo de cómputo de hasta 48 procesadores, que mediante algoritmos matemáticos realiza cálculo en paralelo, mientras ella imagina y modela la estructura física y química de nuevos materiales desarrollados en el universo nano, Angélica Estrella Ramos Peña, del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la UNAM, predice con simulación computacional las propiedades fisicoquímicas de los nanoalambres de carburo de silicio, útiles para hacer dispositivos microelectrónicos.

Son capaces, por ejemplo, de generar luz y reducir el consumo de energía; con ellos será posible, en un futuro, desarrollar dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia. También, pueden soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio, sin que sobrevenga la ruptura.

Este elevado valor de campo eléctrico de ruptura lo hace de utilidad en la fabricación de componentes que operan a elevado voltaje y alta energía, como diodos, transistores, supresores, incluso dispositivos para microondas de alta energía, explicó la investigadora.

Antes de desarrollar y probar los nanoalambres a nivel experimental, se hace modelado molecular para analizar opciones en su diseño y construcción. Así puede modificar el acomodo de los átomos en la computadora y verlos de frente, de lado, por arriba y por abajo, con el conocimiento previo de las variantes de la estructura atómica, que pueden producir cambios en el resultado final.

“Si probamos en la computadora, a veces no sabemos hacia dónde va el resultado; estamos en un camino azaroso, como el del viajero Fernando de Magallanes, que buscaba atravesar el continente porque estaba convencido de que los mares estaban comunicados, pero lo que logró fue darle la vuelta al mundo. Al realizar un proyecto de investigación, en un principio los resultados que se encuentran pueden ser sorprendentes, no llevarte a ningún lado o abrir un sinfín de posibilidades.

“Si se parte únicamente de la distribución de las partículas subatómicas, como son los protones y los electrones, y mediante algoritmos matemáticos que definen las interacciones entre las partículas, es sorprendente que puedan ser predichas las propiedades físicoquímicas de un material. Lo que hacemos es ciencia básica”, precisó Ramos Peña, química, maestra en físico-química, y doctora en ciencia e ingeniería de materiales por la UNAM.

Silicio en el mundo nano

El silicio es abundante en la naturaleza, es el constituyente de la arena del mar y es semiconductor, así que con poca energía se logra que los electrones se muevan y transporten la corriente eléctrica. Todas las aplicaciones electrónicas actuales están basadas en ese elemento y en el germanio, los dos semiconductores por excelencia.

“La desventaja es la dificultad para hacer compuestos a partir de él, porque su enlace con el oxígeno es muy fuerte, lo que encarece la producción de nuevos materiales. Por ello, se buscan alternativas con ventajas para diseñar materiales con aplicación tecnológica, y una opción está en el mundo de lo nano”, explicó la investigadora.

El de las nanoestructuras es un campo de vanguardia en el estudio de los materiales. “El átomo más pequeño, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 1×10-10 m, es decir, 0,0000000001 m. Para tener una idea de lo que representa nano, hay que comparar el diámetro de una pelota de ping pong, que es de 40 milímetros, con el de la Tierra, de 12 mil 742 kilómetros. Así de grande es la relación de tamaños”, ejemplificó.

Lo más apasionante del universo nano es que materiales simples y conocidos pueden mostrar nuevas y sorprendentes propiedades si se presentan en un nanotamaño. “Esto sucede con la resistencia mecánica, la adherencia y la absorción de los nanomateriales, que son muy superiores a las encontradas en materiales convencionales”.

Además de mejores propiedades electrónicas, también tienen ventajas ópticas, magnéticas y mecánicas.

Con los nanoalambres de carburo de silicio, Angélica Estrella Ramos también prueba, con simulación computacional, otro tipo de posibles aplicaciones, como detectores de moléculas y sensores de luz o temperatura.

Créditos: UNAM-DGCS-794/2012

Obtienen universitarias becas para las mujeres en la ciencia

 
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María Soledad Funes, del Instituto de Fisiología Celular.
María Soledad Funes, del Instituto de Fisiología Celular.

29 de agosto de 2011

• Isabel Gómez, del IBt, y el grupo donde labora, han logrado una toxina modificada que puede terminar con lepidópteros que podrían ser resistentes a las Cry “naturales”. El desarrollo ya está patentado y a punto de ser transferido a una empresa internacional
• Monserrat Bizarro, del IIM, desarrolla el Estudio de las propiedades fotocatalíticas de películas delgadas de óxidos metálicos nanoestructurados para su aplicación en el tratamiento de aguas contaminadas
• María Soledad Funes, del IFC, recordó que en el pasado remoto las mitocondrias eran una célula independiente, pero en algún momento de la evolución entraron a otra, mediante un fenómeno conocido como endosimbiosis

Tienen mucho en común. Son jóvenes menores de 40 años, científicas, universitarias y ganadoras de la Beca para las Mujeres en la Ciencia L´Oréal-UNESCO-Academia Mexicana de Ciencias, 2011.

Se trata de Isabel Gómez Gómez, Monserrat Bizarro Sordo, y María Soledad Funes Argüello, de los institutos Biotecnología (IBt), de Investigaciones en Materiales (IIM), y Fisiología Celular (IFC), respectivamente.

Insecticidas biodegradables

Las toxinas Cry son proteínas que produce la bacteria Bacillus thuringiensis; su ventaja es que matan insectos y, aún mejor, “bichos” que casi siempre son vectores de enfermedades para humanos, como la malaria, o plagas en bosques y cultivos.

Por tratarse de proteínas se convierten en un insecticida biodegradable: no se acumulan en el ambiente ni en los alimentos, y no afectan a otros organismos como los mamíferos o las plantas; pero es necesario entender su mecanismo de toxicidad para hacer un mejor uso de ellas. Ésa es la labor de Isabel Gómez Gómez, del Departamento de Microbiología Molecular del IBt.

Asomada en los charcos para ver si contenían “animalitos”, y en la observación de cómo crecen las plantas, supo desde niña que lo suyo eran las ciencias naturales. Por ello, cursó la carrera de Ingeniería Ambiental en el Instituto Politécnico Nacional, donde se interesó en la biorremediación.

Luego, llegó al IBt para cursar la maestría y el doctorado, y en el grupo de Mario Soberón y Alejandra Bravo comenzó a trabajar con los bioinsecticidas. Su primer labor fue entender por qué las toxinas Cry sólo matan insectos y no afectan a otros organismos; luego, cuáles son las proteínas receptoras de las toxinas, presentes en los intestinos de los insectos susceptibles.

Al terminar una estancia posdoctoral en la Universidad de Drexel, Filadelfia, EU, regresó a México, donde el propio Soberón le abrió un espacio como investigadora asociada. Hoy, como titular, se enfoca a entender los mecanismos de especificidad de las Cry con sus insectos blanco.

Su meta es seguir con la identificación de moléculas receptoras y entenderlas para poder efectuar modificaciones, a fin de aplicarse en campo y tener mejor control de plagas.

La universitaria obtuvo la beca con el proyecto “Estudio del papel funcional de la aminopeptidasa-N y fosfatasa alcalina, presentes en el intestino de Manduca sexta, como receptores de las toxinas Cry1 Bacillus thuringiensis”, y con ello, espera obtener resultados en un menor plazo.

Aminopeptidasa-N y fosfatasa alcalina son dos proteínas presentes en el intestino de Manduca sexta –una oruga de color verde que se come las plantas de tabaco y tomate–, donde las toxinas Cry se “pegan” para hacer un “hoyo” y matarla.

Isabel Gómez ya ha obtenido orugas sin aminopetidasa o fosfatasa alcalina, con la ayuda de la técnica de silenciamiento de proteínas por ARN de doble cadena, y ha visto que se vuelven resistentes a la toxina. “Eso señala la importancia de esas proteínas. Nos dieron la beca para concluir este proyecto”.

Se trata de la continuación de una labor que hasta ahora ha tenido resultados alentadores. En el grupo del que forma parte, ya han logrado obtener una toxina modificada que no depende de la presencia de otro receptor en los insectos –llamado caderina–, para ser activa, sino que puede terminar con orugas o lepidópteros que podrían ser resistentes a las Cry “naturales”. El desarrollo ya está patentado y a punto de ser transferido a una empresa internacional.

Con trabajos publicados en el Journal of Biological Chemistry, Biochemistry, y Science, la joven científica consideró que la subvención propicia la independencia de las investigadoras que apenas comienzan su carrera.

Obtenerla es sinónimo de que “estamos hacemos bien las cosas. Es un orgullo, un reconocimiento importante. Para mí y mis estudiantes es una motivación. Me siento más impulsada a ofrecer lo mejor por la Universidad Nacional”, indicó Isabel Gómez.

Tratamiento de aguas contaminadas

“Ganar esta beca es un reconocimiento al esfuerzo y empeño que he puesto en mi labor como investigadora. Esta distinción es, sin duda, una gran motivación para seguir adelante en mi carrera científica. Representa también un gran compromiso por desarrollar de manera exitosa mi proyecto y que, con ello, la sociedad se beneficie con un método de purificación de agua”.

Así lo dijo Monserrat Bizarro, quien desarrolla el “Estudio de las propiedades fotocatalíticas de películas delgadas de óxidos metálicos nanoestructurados para su aplicación en el tratamiento de aguas contaminadas”.

Egresada de Física de la Facultad de Ciencias (FC), y del doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales, del IIM, ingresó al instituto como investigadora asociada C en octubre del 2007, mediante el Programa de Fortalecimiento Académico para las Mujeres Universitarias.

En su tesis doctoral estudió el óxido ternario ZrAlO, para obtener un material con constante dieléctrica alta, que pudiera emplearse como aislante eléctrico en las estructuras metal-óxido-semiconductor, base de los circuitos integrados. Desde entonces, también “me he dedicado a la obtención de óxidos metálicos en película delgada con la utilización de la técnica de rocío pirolítico”.

Hija de químicos, desde muy pequeña tuvo inclinación por la ciencia; en particular, le atraía saber sobre el Universo y las estrellas. A los siete años recibió el libro Cosmos, de Carl Sagan, “que probablemente no entendía, pero me entusiasmaba ver las imágenes”. Más adelante, tuvo un profesor de Física en la preparatoria, que inclinó la balanza.

Con 16 artículos científicos en revistas de circulación internacional en su haber, la joven investigadora siempre quiso hacer trabajo experimental aplicable. En esta área, explicó, uno puede combinar ciertos elementos de la tabla periódica, variar los métodos de síntesis y jugar con diversos parámetros de la preparación para mejorar las propiedades de materiales existentes o, incluso, desarrollar nuevos, con una aplicación específica.

Al explicar el proyecto de la beca, señaló que muchas reacciones químicas tienen que ser iniciadas por agentes externos conocidos como catalizadores. La característica de los fotocatalizadores o materiales fotocatalíticos es que pueden degradar compuestos orgánicos de manera muy eficiente, con el uso de luz de longitud de onda adecuada, que generalmente es ultravioleta. Esta propiedad ha cobrado mucho interés a nivel mundial, porque se puede emplear para purificar el aire o el agua.

En particular, abundó Bizarro, esta investigación se enfoca en estudiar la degradación de colorantes orgánicos utilizados en la industria textil, compuestos químicos contaminantes y no biodegradables.

Para el tratamiento del agua resulta conveniente tener un fotocatalizador en forma de película delgada, pues así se evitan los procesos de separación posteriores y no hay pérdida del material.

Además, se busca que pueda activarse con la luz del Sol, para que el proceso sea completamente limpio y amigable con el ambiente al no requerir fuentes externas de iluminación. Para lograrlo, anunció, se introducirán impurezas de diferentes elementos en una matriz de óxido de zinc para modificar sus propiedades, tanto estructurales como electrónicas, que permitan dar una mejor respuesta en la fotocatálisis y así purificar el líquido contaminado con el empleo de luz visible.

Funcionamiento mitocondrial

En la etapa en que María Soledad Funes cursaba el bachillerato, y aún antes, desde la secundaria, supo que quería ser bióloga y dedicarse al estudio de las tortugas marinas, luego de haber visitado un campamento de estos animales en playas de Michoacán, haber asistido a congresos y realizado trabajos de educación ambiental.

Pero al llegar a la licenciatura, en la FC, “descubrí la biología celular. Quedé maravillada con lo que se puede indagar acerca de las células”; en el cuarto semestre de la carrera fue recibida en el laboratorio de Diego González, en el IFC, donde hizo sus “pininos” experimentales.

A partir de entonces, se dedica a estudiar las mitocondrias, como investigadora del Departamento de Genética Molecular del IFC, luego de haber cursado el doctorado en Ciencias Biomédicas en la UNAM, y realizado dos estancias posdoctorales en Alemania: en las facultades de Medicina y Química de la Universidad de Munich.

Las mitocondrias son el organelo celular que produce la energía básica; son esenciales para la mayoría de las células eucariontes, y aunque ya se sabe mucho sobre su funcionamiento, aún falta por estudiar; “es un campo fascinante”, consideró.

Al referirse al proyecto “Mecanismos inexplorados de translocación de proteínas en las membranas mitocondriales”, presentado para obtener la beca, Funes recordó que en el pasado remoto las mitocondrias eran una célula independiente, pero en algún momento de la evolución entraron a otra, mediante un fenómeno conocido como endosimbiosis.

Originalmente, tenía su propio material genético y era completamente independiente, pero a lo largo del tiempo, ese genoma se redujo más y más, hasta que hoy queda muy poco en ese organelo. El resto del ADN se ha transferido al genoma del núcleo de la célula.

Actualmente, la mayoría de las proteínas mitocondriales se codifican en el genoma nuclear; se sintetizan en el citoplasma por ribosomas citoplásmicos y desde ahí se “envían” a la mitocondria, donde se “importan” para llevar a cabo sus funciones.

La joven científica pretende estudiar algunas proteínas que en lugar de ser sintetizadas por completo en el citoplasma son producidas por ribosomas que migran a la superficie de la mitocondria, y ahí realizan su labor, de manera que el proceso de síntesis y de “importación” se hace de manera acoplada.

Dentro de la mitocondria se desarrollan muchos procesos metabólicos, como los que se encargan de producir la energía, lo que ocurre a través de la fosforilación oxidativa y la cadena respiratoria. Casi todas las proteínas codificadas en el genoma mitocondrial se dedican a esos procesos; en tanto, las que se importan desde el citoplasma son accesorias a ellos, dedicadas a la formación de centros de hierro-azufre o al plegamiento de otras.

Nadie, hasta ahora, ha indagado cómo funciona este mecanismo; se sospecha su existencia porque hay evidencias, pero no se ha explorado su funcionamiento desde el punto de vista mecánico, ni qué proteínas involucra o cuáles son los receptores mitocondriales.

Este trabajo de investigación básica que permite conocer más del funcionamiento celular, en este caso de Saccharomyces cerevisiae (la levadura de la cerveza), podría contribuir a estudiar posteriormente otro tipo de células.

Funes, quien ha publicado sus trabajos en revistas como Science, Nature Structure and Molecular Biology, y Proceedings of the National Academy of Sciences, consideró que dedicarse a la ciencia es una labor poco reconocida. “Es difícil que la gente preste atención a las razones por las cuales la Universidad debe aumentar el número de científicos para hacer investigación, ofrecerles equipo, insumos y una presencia permanente en las redes internacionales”.

Por ello, esta beca es importante, porque “reconoce la carrera y los propósitos a largo plazo del proyecto, horas de trabajo, sacrificios personales, y la trayectoria para llegar donde estás”. En este caso no sólo se premian carreras consolidadas y a grandes investigadores, sino a quienes inician. “Que te reconozcan aún si eres ‘chiquito’ está muy bien, es una especie de aliento al futuro; fortalece simultáneamente a la comunidad científica y al grupo que labora en el laboratorio”.

Créditos: unam.mx/dgcs-508/2011

Entregó IIM Premio a la Mejor Tesis Doctoral en el Área de Ciencia e Ingeniería en Materiales

 
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 Elizabeth Chavira, Ricardo Vera y Tatsuo Akachi, en la entrega del Premio IIM-UNAM a la Mejor Tesis Doctoral en el Área de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Elizabeth Chavira, Ricardo Vera y Tatsuo Akachi, en la entrega del Premio IIM-UNAM a la Mejor Tesis Doctoral en el Área de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

14 de enero de 2011

• Minerva Monroy Barreto, egresada del Doctorado en Ciencias Químicas, y Arturo Wong López, del Posgrado en Ciencia e Ingeniería en Materiales, ambos de la UNAM, obtuvieron mención honorífica

Como cada año desde hace 16, el Instituto de Investigaciones en Materiales entregó el Premio IIM-UNAM a la Mejor Tesis Doctoral en el Área de Ciencia e Ingeniería de Materiales, con el propósito de estimular la formación de recursos humanos en esta disciplina.

En la edición 2010 se otorgaron, además del primer lugar, tres menciones honoríficas. El premio a la mejor tesis doctoral fue para Mario Román Díaz Guillén, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, con el texto “Efecto del tamaño promedio de los cationes A y/o B en la dinámica de iones oxígeno de conductores iónicos A2B207 con estructura de tipo pirocloro”.

En cuanto a las menciones honoríficas, una fue para Minerva Monroy Barreto, egresada del Doctorado en Ciencias Químicas por la UNAM, otra para Arturo Wong López, del Posgrado en Ciencia e Ingeniería en Materiales, también de esta casa de estudios, y para Lorena Magallón Cacho, del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica de Querétaro (Cideteq).

Monroy Barreto obtuvo la distinción por la tesis denominada “Desarrollo de nuevas membranas híbridas para su posible aplicación en celdas de combustible”, en la que refiere que una celda electroquímica es un dispositivo que convierte la energía química en eléctrica; es decir, la transforma en una energía limpia.

Para ese proceso, explicó, las celdas de combustible requieren de una membrana, pero las que existen en el mercado son muy costosas, por lo que “proponemos elaborar una más económica, con las mismas características. Fue así como desarrollamos membranas híbridas”.

En la ceremonia, Ricardo Vera Graciano, director del IIM, explicó que el galardón se otorga a estudiantes mexicanos o extranjeros, con una edad máxima de 34 años.

En el caso de los mexicanos que hayan realizado su tesis doctoral en el país o en el extranjero, en un área relacionada con la ciencia y la ingeniería en materiales, y en el de los extranjeros, haber obtenido el grado en una institución nacional.

En esta ocasión, 13 estudiantes se inscribieron al concurso, y de ellos, cinco pertenecen a la UNAM, detalló en el auditorio de Materiales.

Finalmente, Elizabeth Chavira Martínez, coordinadora de Formación de Recursos Humanos de la entidad, precisó que la ciencia e ingeniería en materiales es un campo multidisciplinario que abarca desde los conocimientos fundamentales sobre las propiedades fisicoquímicas, su manipulación a nivel atómico molecular, y las aplicaciones con diversas áreas del conocimiento, de la ciencia y la ingeniería.

Implica, además, indagar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales, la correspondencia propiedades-estructura, y el diseño para conseguir un conjunto determinado de propiedades, reiteró acompañada de Tatsuo Akachi, coordinador del posgrado en Ciencia e Ingeniería en Materiales del IIM.

Los premiados recibieron un diploma y un estímulo económico, al igual que sus asesores de tesis.
Créditos: UNAM-DGCS-027-2011/unam.mx

Diseñan materiales que podrían absorber gases de efecto invernadero

 
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Es importante que al diseñar nuevos materiales, no sólo se considere su aplicación tangible y directa, también se debe visualizar hacia el futuro, consideró Heriberto Pfeiffer Perea, del IIM.
Es importante que al diseñar nuevos materiales, no sólo se considere su aplicación tangible y directa, también se debe visualizar hacia el futuro, consideró Heriberto Pfeiffer Perea, del IIM.

20 de mayo de 2010

• Su aplicación sería en lugares fijos donde se generan grandes combustiones, indicó Heriberto Pfeiffer Perea, del IIM de la UNAM
• Hoy en día es importante que al diseñar nuevos materiales, se tome en cuenta que cuando ya no sean útiles, sus desechos dañen lo menos posible al ambiente, subrayó

La elaboración de cerámicos, cuya función podría ser la captura y retención de gases de efecto invernadero, es la tarea que han emprendido integrantes del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la UNAM.

Es importante que al diseñar nuevos materiales, no sólo se considere su aplicación tangible y directa, también se debe visualizar hacia el futuro, para que cuando el material ya no sea útil pueda ser reciclado, o que su desecho sea lo menos tóxico o dañino posible para el ambiente, consideró Heriberto Pfeiffer Perea.

El académico del IIM y su grupo de investigación, trabajan con cerámicos de elementos alcalinos y alcalinotérreos, que químicamente tienen propiedades básicas; en contraparte, muchos de los gases contaminantes de efecto invernadero son muy ácidos.

“Por lo tanto, a un nivel fundamental se busca hacer una reacción ácido-base, es decir, provocar una reacción química por la acidez de los gases y la basicidad de estos elementos, para retener químicamente los gases contaminantes”, explicó.

Existen otros materiales que sólo los retienen físicamente por adsorción, pero con los que trabajan los universitarios, reaccionan químicamente, y “estamos viendo que podemos atrapar un gas contaminante de una mezcla de gases de combustión, lo separamos y después podemos regenerar el cerámico, volviendo a generar el gas, pero en un estado puro, donde puede tener un valor agregado”, indicó el especialista.

Una vez atrapados, estos gases quedan estabilizados y no se liberan hasta que son sometidos a un nuevo tratamiento químico, o mediante un proceso térmico, destacó.

Pfeiffer Perea mencionó que la aplicación de los materiales sería en lugares fijos, donde se produzcan grandes combustiones, como las industrias que queman diésel u otro combustible para generar algún proceso, o en plantas eléctricas.

Pueden estar diseñados en forma de membranas, columnas empacadas o como filtros, y serían estructuras capaces de retener gases antes de ser emitidos a la atmósfera. Su duración aproximada sería de 50 a 100 ciclos de absorción, sin perder su eficiencia de trabajo, acotó.

Actualmente, prosiguió, se trabaja en el desarrollo y síntesis de nuevos cerámicos, para evaluarlos y ver si funcionan como captores de estos gases.

De los estudios, se ha generado un grupo de materiales que sí funcionan, a los que pretenden hacer modificaciones físicas o químicas para mejorar su eficiencia, cinética, estabilidad y vida útil, agregó.

Asimismo, se labora en la determinación de constantes cinéticas y termodinámicas para determinar qué tan rápido se absorbe y se desorbe un gas, así como su estabilidad. También, se analizan los efectos generados por la presencia de otros gases.

En este sentido, aclaró, “se trata de una investigación todavía bastante básica, porque estamos en el entendimiento de la fenomenología”.

Al día de hoy, los cerámicos que más funcionan para este propósito son los aluminatos de litio y los silicatos de litio y/o sodio, porque son materiales nobles y fáciles de preparar, las técnicas de obtención no son tan complejas, y su capacidad de absorber gases es alta.

Si bien el litio y el sodio como metales son altamente corrosivos y nocivos para la salud, tratados como cerámicos son inertes y no ocasionan problemas de toxicidad; en ese caso, la toxicidad se reduce hasta en más de 95 por ciento, abundó.

“Con el diseño de las membranas que se desarrollan aquí y en otros laboratorios, en tres o cinco años se podrían hacer pruebas para saber un poco más acerca de su eficacia en sistemas reales, y conocer su campo de aplicación”, concluyó.
Créditos: UNAM. DGCS -305/unam.mx