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REVISTA TENDENCIAS EN DOCENCIA E INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA Año 8, Número 8, enero-diciembre
de 2022, es una publicación anual de la División de Ciencias Básicas e Ingeniería, de la Universidad
Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco, ubicada en Edificio HP, 1er. Piso. Av. San Pablo No. 420 Col.
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Responsable: Comité Editorial de la Revista Tendencias en Docencia e Investigación en Química, con
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203, ISSN 2448-6663, ambos otorgados por el Instituto Nacional del Derecho de Autor. Responsable de la
última actualización de este número: M. en C. I. María del Rocío Cruz Colín, Presidenta del Comité Editorial,
Departamento de Ciencias Básicas, Unidad Azcapotzalco. Fecha de la última modificación: 31 de
diciembre de 2022. Tamaño del archivo 40.54 MB. Las opiniones expresadas por los autores no
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Elementos disciplinares y educativos a considerar en
el proceso de enseñanza-aprendizaje de la
nanoquímica en el bachillerato
Meinguer Ledesma Jorge
Universidad Nacional Autónoma de México, Escuela Nacional Colegio de Ciencias y Humanidades, Plantel Sur. Cataratas y Llanura
S/N, Jardines del Pedregal, Coyoacán, Ciudad de México C.P. 04500. México
0000-0001-7178-0882
Recibido:
23/mayo/2022
Aceptado:
28/noviembre/2022
Palabras clave:
Keywords:
RESUMEN
La nanoquímica es una subdisciplina que ha cobrado relevancia en los últimos años,
debido a las valiosas contribuciones que está generando en los ámbitos de la
investigación, la industria, la tecnología y la sostenibilidad. Se fundamenta en
métodos de síntesis ascendente (bottom-up) que involucran procesos de
autoensamblaje molecular, herramientas y aproximaciones que son propias de la
química. En este trabajo se indaga sobre los elementos históricos, disciplinares y
educativos que se deben considerar en el proceso de enseñanza-aprendizaje de esta
temática en particular en la educación química. Posteriormente, se esboza una
propuesta basada en el enfoque CTS-A (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente), la
cual pretende orientar el trabajo educativo sobre la nanoquímica en el bachillerato.
ABSTRACT
Nanochemistry is a subdiscipline that has gained relevance in recent years due to the
valuable contributions it is generating in the fields of research, industry, technology
and sustainability. It is based on bottom-up synthesis methods involving molecular
self-assembly processes, tools and approaches that are typical of chemistry. This
paper explores the historical, disciplinary and educational elements that should be
considered in the teaching-learning process of this particular subject in chemistry
education. Subsequently, a proposal based on the STS-E (Science, Technology, Society
and the Environment) approach is outlined, which aims to guide the educational
work on Nano-chemistry in high school.
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Introducción
En las últimas décadas la química ha abierto nuevas rutas
de investigación multidisciplinar que fusionan
conocimientos de sus cinco áreas clásicas: la química
orgánica, la química inorgánica, la química teórica-
computacional, la química analítica y la fisicoquímica
(Atkins, 2013). Un ejemplo de estas áreas emergentes es
la nanoquímica, un campo que permite sintetizar
materiales o sistemas complejos mediante métodos
basados en el autoensamblaje molecular (Alonso-Núñez,
2015). El prefijo nano es un derivado del latín nanus que
significa enano en español y hace alusión a la
milmillonésima parte de un metro (1x10-9 m). En
consecuencia, estudiar el mundo nano es situarse en el
marco de acción de los átomos y las moléculas (Takeuchi,
2011). Un escenario que resulta afín para la química,
pues constituye un marco explicativo común en el
estudio de las propiedades, la composición y la
transformación de la materia.
En la nanoquímica se utilizan aproximaciones,
herramientas y modelos que son tradicionales de la
química para la obtención de materiales en la escala
nanométrica. Los productos nanoestructurados así
obtenidos poseen diversas aplicaciones que van desde la
catálisis y la obtención de fármacos de mayor
especificidad hasta la producción de celdas fotovoltaicas,
dispositivos ópticos, semiconductores y polímeros
reforzados o biodegradables (Fasenko y Yatsenco, 2018).
La nanoquímica al ocuparse de la síntesis y la
caracterización de materiales que son desarrollados a
través de técnicas o procedimientos basados en el
autoensamblaje molecular robustece el horizonte de
investigación de la denominada ciencia central
(Contreras y Cardoso, 2015). El autoensamblaje
molecular se basa en el aprovechamiento de fuerzas
débiles o intermoleculares como las de van der Waals, los
puentes de hidrógeno y las interacciones electrostáticas
que se dan entre las entidades químicas reaccionantes.
Lo que hace particular e interesante a los procesos que
ocurren en la escala nanométrica es que las propiedades
de la materia cambian drásticamente debido a efectos
cuánticos. Este inusitado comportamiento puede llegar a
contradecir lo que percibimos con nuestros sentidos. Por
ejemplo, cuando los metales como el oro, la plata y el
cobre se dividen en diminutos fragmentos que rozan la
escala nanométrica su brillo metálico desaparece
paulatinamente dando lugar a tonalidades poco
convencionales. Al respecto, se sabe que las esferas de
oro de 100 nanómetros (nm) adquieren una tonalidad
naranja, las esferas de 50 nm son verdes y las de 25nm
son rojas. Este hecho se debe a que los electrones libres
de conducción presentes en las superficies de las esferas
metálicas de tamaño nanoscópico pueden oscilar por
efecto de la luz y absorber energía (López-Quíntela,
2015). De lo anterior, se puede señalar que, otra
característica distintiva de la nanoquímica es que suele
auxiliarse y aplicar las bases teóricas de la mecánica
cuántica en la síntesis y caracterización de materiales.
El enfoque o método de síntesis que ha acompañado el
desarrollo de la nanoquímica es el denominado bottom-
up (de abajo hacia arriba), el cual consiste en utilizar
grupos de átomos y moléculas como precursores o
bloques de construcción de estructuras de orden
superior (Aguayo-González y Zarzuela, 2011). Otro
aspecto importante a considerar en torno a la
nanoquímica es que se auxilia de diversas técnicas de la
microscopia electrónica moderna en la caracterización
de las propiedades fisicoquímicas de los nanomateriales
(Figura1), siendo las más usuales la microscopia de
efecto túnel (STM) y de barrido (SEM).
Figura 1. Nanotubos de carbono (NTC) obtenida con
microscopía electrónica de barrido STM, tomadas de (Alonso-
Nuñez, 2008).
En el ámbito educativo, la comunicación de aspectos
relacionados con la nanoquímica se devela como una
cuestión pertinente por tres razones. La primera es que,
al ser un área de investigación reciente, su abordaje en
las aulas y laboratorios permite dotar de actualidad al
proceso de enseñanza y aprendizaje de la química. La
segunda se relaciona con la posibilidad de emprender un
proceso de enseñanza-aprendizaje del tema basado en la
contextualización, esto al mostrar la efectividad que
poseen las aplicaciones que se desprenden de la
nanoquímica en la resolución efectiva de problemas en la
vida social, económica y ambiental. La tercera razón se
vincula con promover en el estudiantado, la construcción
de una opinión informada sobre los beneficios,
limitaciones y riesgos asociados con la nanoquímica en
particular y con la nanotecnología en general, un
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requisito indispensable para promover la participación
en el debate público sobre el tema.
Otras cuestiones que justifican el impulso del trabajo
educativo en torno a la nanoquímica en los niveles medio
y superior son la necesidad de formar vocaciones
científicas en el campo y ofrecer una visión correcta y
equilibrada de esta subdisciplina. En el contexto actual,
las profesiones, áreas de investigación y empleos que
guardan relación con la síntesis de materiales en la escala
nanométrica se ha incrementado y diversificado
notablemente, por lo que resulta oportuno promover en
el ámbito escolar el interés por esta área de
investigación, para que paulatinamente un mayor
número de estudiantes decidan especializarse (Plagiario,
2015). Por otra parte, promover una visión correcta y
prudente tanto de la nanoquímica como de la
nanotecnología en general, se devela como una cuestión
pertinente porque se ha constatado que en los medios de
comunicación y en las redes sociales prevalece una
imagen errónea o deformada de la investigación nano.
Debido a que, se le suele asociar a este campo de
conocimientos metas ficticias, aplicaciones con una alta
carga especulativa y una retórica falaz proveniente de la
pseudociencia. Cuestiones que distan mucho de la
realidad imperante en los laboratorios y centros de
investigación. Para hacer frente a este problema es
necesario comunicar en las aulas y los laboratorios un
panorama de la nanoquímica que parta de aquellos
avances o aplicaciones que cuentan con un amplio
respaldo entre la comunidad de especialistas.
Metodología
En esta investigación de corte documental, se pretende
identificar los elementos históricos, disciplinares y
educativos en torno a la nanoquímica que se deben
considerar para elaborar una propuesta educativa que
sea viable de aplicar en las clases de química en el
bachillerato. Concretamente, en la enseñanza de los
nanomateriales que tienen como base estructural al
carbono en el curso de Química IV de la Escuela Nacional
Colegio de Ciencias y Humanidades (ENCCH) de la UNAM.
La realización de esta investigación documental
contempló tres etapas:
1.- Investigación bibliográfica de aspectos históricos-
disciplinares en torno a la nanoquímica. Se
consultaron diversas fuentes para documentar
cuestiones históricas en torno al surgimiento y evolución
de la nanoquímica, como es el caso de resultados,
descubrimientos y personajes que han destacado en este
campo de conocimientos. Asimismo, se identificaron las
nociones básicas que se deben comunicar con un nivel de
profundidad adecuado para que los estudiantes de
bachillerato, puedan construir aprendizajes suficientes y
significativos sobre esta subdisciplina. En esta etapa se
identificó también información relacionada con la
dimensión socioambiental de esta temática en particular
y aspectos vinculados con su regulación.
2.- Investigación bibliográfica de elementos
educativos sobre la nanoquímica. Se documentaron
aspectos relacionados con la presencia de la
nanoquímica en el nivel medio superior. Aunado a esto,
se indagó sobre los obstáculos epistemológicos que se
asocian con el abordaje de las nanociencias en general en
la educación científica, esto con el propósito de que la
propuesta de enseñanza de este tema resulte adecuada,
pertinente y significativa en las clases de química en el
bachillerato. Se revisaron algunas estrategias que se
reportan en la literatura sobre el abordaje de la
nanoquímica en los niveles medio y superior, esto con la
finalidad de contar con elementos teóricos suficientes
que orientarán, la elaboración de la propuesta educativa
que se presenta en esta investigación.
3.- Delinear una propuesta educativa general sobre
la enseñanza de la nanoquímica en el bachillerato
universitario. En esta fase se elaboró una propuesta
educativa donde se contemplan aspectos curriculares,
disciplinares y educativos producto del trabajo
documental efectuado previamente. Esta propuesta
permitirá cubrir el último subtema de la asignatura de
Química IV en la ENCCH de la UNAM, el cual lleva por
título materiales de futuro (ENCCH,2016).
Resultados y discusión
En los siguientes párrafos, se presentan los resultados
encontrados de la investigación bibliográfica que
permitió identificar elementos históricos, disciplinares,
educativos e implicaciones socioambientales en torno a
la nanoquímica.
Elementos históricos
Entre elementos históricos que se pueden destacar sobre
el surgimiento y el desarrollo de la nanoquímica, se
encuentran las conjeturas hechas por el connotado físico
Richard Feynmann a principios de la década de los
sesenta donde planteó la posibilidad de que la ciencia
logrará manipular a la materia átomo por átomo
(Feynmann, 1960). De hecho, a Richard Feynmann, se le
puede considerar un precursor de las nanociencias en
general. Otro aspecto histórico a resaltar es el
aislamiento y arreglo de 35 átomos individuales de
xenón sobre un sustrato de níquel para formar el
logotipo de la empresa IBM. Un desarrollo que fue hecho
por científicos que laboraban en esa corporación con los
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avances en microscopia de efecto túnel (STM) en la
década de los ochentas. Este acontecimiento se convirtió
en un hito para la ciencia moderna, ya que por primera
vez la ciencia consiguió colocar con precisión una
cantidad de átomos determinada sobre una superficie
plana (Bayda y Adeel, 2020).
La primera contribución valiosa de la química a la
investigación nano fue el descubrimiento de los
fullerenos. Un tipo de moléculas esféricas que son
utilizadas en la fabricación de celdas fotovoltaicas
orgánicas, en la elaboración de lubricantes automotrices
y como nanoestructuras inhibidoras de algunos virus
(Castro y Echagoyen, 2017). El descubrimiento de los
fullerenos ocurrió en 1985 en la Universidad de Rice y
fue atribuida al equipo de químicos conformado por
Harold W. Croto, Robert F. Curl y Richard E. Smalley
(Figura 2) a quienes se les otorgó el Premio Noble de
Química en 1996. La investigación en torno a los de
fullerenos se extendió en años posteriores, dando como
resultado la obtención de unas moléculas cilíndricas
denominadas nanotubos de carbono (NTC),
nanomateriales que se caracterizan por una alta
resistencia y cuyos procesos de síntesis han sido
relevantes en el desarrollo de la nanoquímica.
Figura 2. Equipo de investigación que reportó el hallazgo de los
fullerenos en 1985. De izquierda a derecha, Sean O´Brien,
Richard Smalley, Robert Curl, Harold Kroto y James Heath.
Imagen tomada de (Martín, 2011).
Otro antecedente importante de esta subdisciplina es la
denominada química supramolecular. En 1987, los
químicos Donald J. Cram, Charles J. Pedersen y Jean-
Marie Lehn, recibieron el premio Nobel de química por
diseñar moléculas que imitan el comportamiento de
algunas sustancias naturales implicadas en procesos
biológicos. Estos investigadores demostraron que en los
laboratorios se pueden obtener moléculas altamente
selectivas que pueden reaccionar con otros átomos, tal
como lo hacen las enzimas en los procesos celulares
(Munuce, 2014). Finalmente, una investigación que
puede considerarse también como un antecedente
histórico de la nanoquímica, fue el descubrimiento de los
polímeros conductores por los químicos Alan Hegger,
Alan MacDiarmid y Hideki Shirakawa por el cual
recibieron el premio Nobel de Química en el año 2000
(Aguayo y Zarzuela, 2011). La química supramolecular,
la síntesis de los fullerenos y la obtención de los
polímeros conductores, ejemplifican el enfoque bottom-
up que es característico de la nanoquímica.
Elementos disciplinares e implicaciones
socioambientales
En el plano disciplinar, los contenidos que se pueden
comunicar en las aulas y laboratorios sobre nanoquímica
son aspectos relacionados con la escala nanométrica, el
enfoque bottom-up, las técnicas de síntesis más
representativas en este enfoque metodológico, la
descripción de nanomateriales representativos, sus
aplicaciones, la relevancia de la microscopia y los
problemas socioambientales que se asocian con las
nanociencias y la nanotecnología en general. A
continuación, se muestra de forma sintética los aspectos
que resultan claves en los temas antes mencionados.
Cuestiones relacionadas con la escala nanométrica.
En la nanoquímica, los procesos de síntesis y
caracterización de materiales tienen su origen en la
escala nanométrica, esto es, en el marco de acción que es
propio de los átomos y las moléculas. En esta escala las
propiedades de la materia cambian drásticamente por
efectos cuánticos y de tamaño, llegando a contradecir lo
que percibimos con nuestros sentidos. La complejidad
inherente de la nanoquímica obliga a que previamente al
abordaje de cuestiones generales sobre el campo, se
aborden de forma adecuada contenidos relacionados con
la modelación atómica -molecular y, que estos, doten de
coherencia al entendimiento del enlace químico y la
geometría molecular.
El enfoque bottom-up y técnicas de síntesis de
nanomateriales relevantes. Como se ha mencionado en
este manuscrito, el enfoque que ha acompañado el
desarrollo de la nanoquímica se denomina bottom-up (de
abajo hacia arriba) y consiste en utilizar grupos de
átomos y moléculas como precursores o bloques de
construcción de estructuras de orden superior (Aguayo-
González y Zarzuela, 2011). Las técnicas bottom-up se
pueden clasificar en dos grandes categorías de acuerdo
con el entorno físico en el que se obtienen los
nanomateriales, estas son técnicas en fase gas y fase
líquida (Sebastián, 2018). Técnicas bottom-up
representativas que se llevan a cabo en fase gaseosa son
la deposición en vapor y la ablación laser. Mientras que,
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en los métodos de fase liquida destacan las
microemulsiones, la síntesis sol-gel y los basados en la
fotoquímica (Ozin y Arsenault, 2015).
Al abordar los métodos de síntesis antes mencionados,
los estudiantes deben tener claro que estos se
fundamentan en el autoensamblaje molecular. Para ello,
se recomienda utilizar softwares o animaciones que
permitan modelar el crecimiento molecular en la
obtención de nanomateriales. En el nivel licenciatura, se
puede dar pauta al estudio de las variables implicadas en
los procesos de síntesis ascendente como es el caso del
análisis de las condiciones de reacción, la reactividad, la
selectividad, la presencia de imperfecciones y el uso de
catalizadores (Much y Winkelmann, 2022).
Nanomateriales representativos y aplicaciones.
Como materiales representativos se puede referenciar la
obtención de catalizadores más eficientes, esto es,
sustancias químicas que incrementan la rapidez de una
reacción química y que son usados en diversos procesos
industriales. En este campo destaca la catálisis
heterogénea (sistemas en donde los catalizadores se
dispersan en materiales altamente porosos). Ejemplos de
catalizadores nano son los agregados moleculares de
óxidos y sulfuros metálicos producidos por las técnicas
sol-gel. Otro tipo de nanomateriales que se pueden
referenciar en las aulas y laboratorios son aquellos cuya
base estructural es el carbono como los fullerenos, los
nanotubos de carbono (NTC) e inclusive el grafeno
(Figura 3). Este tipo de materiales guardan una fuerte
relación con la química, debido a que el estudio del
carbono y sus derivados en un campo que
tradicionalmente ha sido parte de esta disciplina
científica.
Figura 3. Alótropos nanoestructurados del elemento
carbono: nanotubos de carbono, fullerenos y grafeno.
Lo que hace interesante el abordaje de los
nanomateriales que tienen como base estructural al
carbono, es que en el nivel nano algunos agregados
moleculares de este elemento químico conducen la
electricidad de forma eficiente, son resistentes a la
tracción, elásticos y de alta dureza, mientras que otros
tienen la capacidad de encapsular, adsorber y
transportar átomos de otros elementos o fragmentos
moleculares, lo que les confiere una gama amplia de
posibles aplicaciones. Aunado a lo anterior, se pueden
mencionar las aportaciones que está haciendo la
nanoquímica al campo de los polímeros, esto al adicionar
nanoestructuras que mejoraran sus propiedades
mecánicas, térmicas, de resistencia y adhesión (Martín y
Vega, 2013). Un ejemplo son las nanofibras, materiales
que tienen un diámetro de hasta 100 nm y que están
siendo utilizadas en la elaboración de ropa de protección,
deportiva y en membranas poliméricas (García, 2013).
En realidad, existe una amplia gama de aplicaciones de
los materiales que está generando la química en la escala
nanométrica, cubriendo áreas como la farmacia, la
industria de los alimentos, la biotecnología, la fotónica y
la óptica. Por lo que su selección en un curso de química
determinado, dependerá del enfoque curricular de este,
los objetivos de aprendizaje y la formación del personal
docente en cuestión.
Microscopia. Un elemento esencial en el estudio de las
nanociencias en general y de la nanoquímica en
particular es la microscopia. Una herramienta
instrumental que convencionalmente se ha utilizado
para obtener de manera indirecta imágenes del entorno
atómico de materiales específicos. Aunque es importante
tener en cuenta que, algunas técnicas microscópicas van
más allá, permitiendo manipular átomos y moléculas
para obtener arreglos específicos. Las técnicas
microscópicas más usuales en el campo de la
nanoquímica son la microscopia de efecto túnel (STM), la
microscopia electrónica de transmisión (TEM) y la
microscopia electrónica de barrido (SEM). En los últimos
años, varias investigaciones han incorporado también el
uso de la microscopia de fuerza atómica (AFM), esto
debido a la importancia tecnológica que ha cobrado el
estudio de las superficies en el campo de los
nanomateriales (Contreras y Cardozo, 2015). En la
literatura se menciona que, la utilización de programas y
simuladores computacionales en conjunción con el uso
de la microscopía electrónica, permite calcular con
detalle algunas propiedades fisicoquímicas de los
nanomateriales como la determinación de los átomos
que los constituyen, la estructura electrónica en
superficies, modos vibracionales, etc. Esta metodología
exploratoria pude resultar útil para predecir
teóricamente propiedades nuevas de materiales
conocidos o en desarrollo (Takeuchi, 2011).
Implicaciones socioambientales. Las nanociencias al
ser áreas de investigación emergente tienen asociada
una fuerte carga de incertidumbre, relacionada
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principalmente con la toxicidad y el impacto ambiental
de los materiales que está generando. Algunas acciones
que están siendo evaluadas por expertos, para aminorar
los riesgos de los nanomateriales son la implementación
de protocolos de ensayo de las nanopartículas de origen
sintético, el establecimiento de normas que permitan
regular su impacto ambiental, el estudio de su relevancia
e implicaciones en la educación científica formal e
informal, así como una serie de recomendaciones en
materia de gobernanza de la nanotecnología (Pyrrho y
Schramm, 2019). Por lo anterior, se puede aseverar que
la nanoquímica como parte de las nanociencias, posee un
rostro jánico, ya que puede contribuir significativamente
en el bienestar humano al potenciar el desarrollo
tecnológico y la sostenibilidad. Pero, si sus avances no
cuentan con una regularización basada en la ética, el
cuidado del medio ambiente y el bienestar común, sus
desarrollos pueden ser desvirtuados y generar
enfermedades, agudizar problemáticas ambientales,
conflictos sociales y económicos producto de la
sobreexplotación de recursos y su comercialización
posterior. Esta dualidad es una cuestión muy importante
a tener en cuenta en el proceso educativo.
Elementos educativos
La labor educativa en torno a la nanoquímica permite
abordar aspectos novedosos relacionados con los
procesos de síntesis, conectarlos con el estudio de otros
contenidos donde la innovación tecnológica adquiere
valor, así como involucrar a los estudiantes con tres
rasgos que son distintivos de la ciencia contemporánea la
interdisciplinariedad, la incertidumbre y la complejidad
(Meinguer, 2021). En la literatura se han reportado
algunos obstáculos epistemológicos que se deben
considerar en el ámbito de la enseñanza y divulgación de
las nanociencias. Los más importantes son:
-El manejo de una escala sumamente pequeña
-La ineludible presencia de conceptos abstractos.
-El carácter multi e interdisciplinar de las nanociencias y
la nanotecnología
-La existencia de efectos vinculados con el tamaño y
forma de los objetos.
-La existencia de ideas preconcebidas sobre la
investigación nano (Sánchez-Mora, 2011).
Para atenuar estos obstáculos epistemológicos, en la
literatura se recomienda hacer uso de un discurso
analógico al comunicar conceptos complejos y
relacionarlos con aspectos de la vida cotidiana, así como
referenciar sustancias y organismos que resulten
familiares al estudiantado. Se sugiere comunicar el
tamaño y las funciones de algunos virus o fomentar el
estudio de moléculas como el ADN, la penicilina y la
glucosa para despertar el interés por el comportamiento
de la materia en la escala nanométrica (Takeuchi, 2011).
Otras cuestiones relevantes a considerar en el proceso de
enseñanza-aprendizaje de la nanoquímica son informar
sobre los avances conseguidos a nivel local, nacional e
internacional, incorporar el uso de las tecnologías de la
información y comunicación (TIC) para modelar
estructuras, materiales y dispositivos que tienen su
origen en la escala nanométrica, así como crear
escenarios de aprendizaje donde se propicie el debate
racional de ideas, la indagación y la argumentación
escolar (Garcia-Betancourt, 2017).
Desde una óptica curricular, en la literatura se menciona
que, el avance de la nanoquímica en la educación ha sido
más lento y limitado de lo conseguido en el ámbito de la
investigación científica, tecnológica e industrial, pues
aunque la mayoría de los países cuenta con
especializaciones y grados universitarios que certifican
los estudios en esta área de conocimiento, en la
educación química que se imparte en los niveles
obligatorios no suelen figurar contenidos relacionados
con la investigación nano o son muy escasos, debido a
que se les otorga poca relevancia en los programas de
estudio (Much y Winkelmann, 2022). Al respecto, Jones y
Blonder (2013) señalan que para que la educación nano
se consolide, es necesario establecer y validar estándares
de aprendizaje. En este sentido, en países de Europa y en
los EUA se están consolidando cursos intensivos en las
etapas de pregrado para ahondar en aspectos
relacionados con la nanoquímica. Estos cursos suelen
tener una duración de cuatro a ocho semanas y se
imparten a estudiantes que poseen conocimientos
suficientes sobre química, física, matemáticas y biología
(Garcia-Betancourt, 2017; Pagliario, 2015).
En el contexto iberoamericano y, específicamente, en el
bachillerato destaca la guía didáctica elaborada por los
académicos Pedro Serena, Noboru Takeuchi y Javier
Tutor (2014). En esta publicación se ofrece una cantidad
considerable de fichas didácticas que los docentes
pueden consultar al abordar diferentes aspectos sobre
las nanociencias y la nanotecnología, como es el caso de
sus fundamentos teóricos, cuestiones generales sobre
microscopia electrónica, la dimensión y efectos
asociados con nanomateriales entre otros. Una
metodología alternativa es la reportada por Meinguer
(2019), en esta se analiza la estructura, propiedades y
aplicaciones de los alótropos nanoestructurados del
carbono (fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno)
mediante la lectura, análisis y problematización de textos
provenientes de la comunicación pública de la ciencia. El
trabajo educativo de esta propuesta gira en torno al
diseño de estrategias de análisis textual que contemplen
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la realización de investigaciones documentales y
escenarios de debate con el propósito de que los
estudiantes puedan articular aprendizajes disciplinares,
contextuales y sobre naturaleza de la ciencia que les
permitan construir una interpretación amplia y crítica
del tema. Por otra parte, Ribeiro, Godoy y Souza-Filho
(2018) informan que, el uso de la halografía y la realidad
virtual en contextos escolares contribuye a superar
barreras sensitivas e intuitivas al modelar la estructura
química de materiales y al referenciar conceptos
abstractos ligados con las nanociencias.
En resumen, las propuestas educativas descritas con
anterioridad sugieren abordar la nanoquímica como una
cuestión sociocientífica, es decir, como un campo de
conocimientos con fuertes implicaciones sociales,
tecnológicas, éticas y ambientales. Para ello, se debe
tener en consideración los siguientes puntos: i) fomentar
el dominio de los contenidos disciplinares en los que se
fundamenta la nanoquímica, ii) promover el análisis de
los riegos e implicaciones socioambientales de los
productos y desarrollos que tienen su origen en esta línea
de investigación y iii) promover el pensamiento creativo,
crítico y la innovación. Otros elementos a considerar en
el ámbito educativo son robustecer la formación de los
profesores en esta área de conocimiento químico (sobre
todo en el nivel bachillerato) y que los contenidos
relacionados con la nanoquímica sean contemplados
como relevantes por los especialistas e instituciones
responsables de las reformas curriculares en materia de
educación química.
Propuesta de enseñanza de la nanoquímica en el
bachillerato
Tomando en consideración los antecedentes descritos en
la sección anterior, se propone dar cauce al abordaje de
la nanoquímica en el bachillerato a través del enfoque
CTS-A (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente), ya que
esta perspectiva educativa constituye un marco idóneo
para dotar de coherencia y sentido a los contenidos que
figuran en esta subdisciplina.
El enfoque CTS-A es un movimiento educativo que surgió
en la década de los años setenta y se consolidó a
principios del presente siglo. Entre sus objetivos
principales se encuentra la conceptualización de la
ciencia como una actividad humana en construcción,
desarrollar actividades y prácticas democráticas en
torno a la investigación tecnológica, promover la
construcción de puentes entre la cultura humanista y el
pensamiento científico, vincular los procesos de
enseñanza de la ciencia con el desarrollo sostenible, así
como fomentar la toma de decisiones informadas en
materia de ciencia y tecnología (Vilches y Gil, 2011).
En el dominio de lo científico, se pueden presentar los
fundamentos que permiten explicar el comportamiento
de la materia en la escala nanométrica y como las
técnicas de síntesis agrupadas en el enfoque bottom-up
están modificando sustancialmente aspectos
metodológicos e instrumentales de la química. Dado que
esta propuesta está dirigida al cuarto y último curso de
química que se imparte en la ENCCH de la UNAM, se
recomienda abordar en este apartado, la estructura y
propiedades de materiales que tienen como base
estructural al carbono, ya que este curso es de naturaleza
propedéutica y está basado en el estudio de los
compuestos orgánicos. En lo relativo a lo tecnológico se
sugiere comunicar la amplia gama de aplicaciones que se
asocian con los productos que tienen su origen en la
nanoquímica, focalizando la atención en aquellas
relacionadas con nanomateriales de carbono. En este
rubro es pertinente también hacer uso de vídeos y
animaciones para ejemplificar el relevante papel que
tiene la microscopia electrónica en la caracterización de
materiales. En lo relativo a lo social es posible abordar
contenidos relacionados con el financiamiento y
comercialización de la investigación nano. Finalmente,
un elemento muy importante y al que no se le otorga la
relevancia debida en las propuestas referenciadas con
anterioridad, es lo relacionado con la dimensión
ambiental de la nanoquímica. Para cubrir este apartado,
se propone incentivar la indagación a través de
investigaciones documentales sobre los riesgos
toxicológicos asociados con los nanomateriales
referenciados en el curso. Para el cumplimiento de este
objetivo, se puede tomar como referencia algunos de los
principios que la Organización de las Naciones Unidas
asocia con el desarrollo sostenible (ONU, 2019). Esto con
el objetivo de que los alumnos puedan indagar y valorar
sobre qué tan sostenibles son las contribuciones que está
generando la nanoquímica.
Se propone que la duración de esta propuesta sea de 10
a 12 horas totales, debido a que los planes de estudio de
las asignaturas de química en el bachillerato suelen estar
sobrecargados de contenidos y el estudio de la
nanoquímica no figura aún como una temática relevante.
En el caso del programa de estudio de la asignatura de
Química IV de la ENCCH, el tiempo propuesto para cubrir
esta temática es de 6 horas, pero se puede ajustar a 10 si
se aborda con agilidad algunos contenidos previos. La
propuesta está dividida en tres etapas, la primera de ellas
busca fomentara el aprendizaje de nociones básicas en
torno a la nanoquímica, en la segunda se sugiere
incentivara la elaboración de informes y presentaciones
sobre las aplicaciones e implicaciones socioambientales
de nanomateriales específicos. Los nanomateriales que
se sugiere abordar en esta propuesta son los alótropos
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nanoestructurados del elemento carbono (fullerenos,
NTC y grafeno), los derivados de nanocelulosa o algunos
polímeros en los que se han adicionado materiales
nanoestructurados para optimizar sus propiedades. En la
tercera y última parte de esta propuesta, los alumnos
mediante la organización de debates y exposiciones dan
a conocer los resultados de las investigaciones
documentales efectuadas y se valora tanto su calidad
como su pertinencia mediante actividades de
coevaluación. En la tabla 1, se condensa la información de
la propuesta de enseñanza sobre nanoquímica
presentada en este manuscrito.
Tabla 1. Propuesta de enseñanza de la nanoquímica en el
curso de Química IV de la ENCCH-UNAM.
Contenidos
Tiempo
Actividades
Bibliografía
Fundamentos
de la
nanoquímica y
estudio de
nanomateriale
s cuya base
estructural es
el carbono
4 horas
Lecturas y
presentacion
es en el aula
Serena, P., Giraldo,
N., Takeuchi, N. y
Tutor J. (2014). Guía
didáctica para la
enseñanza de la
nanotecnología en la
educación secundaria,
Madrid: nanoDYF.
Takeuchi, N. (2011).
Nanociencia y
nanotecnología: la
construcción de un
mundo mejor átomo
por átomo. México:
FCE-UNAM.
Nanomateriales
en acción.
Proyectos de
investigación
sobre las
aplicaciones de
los
nanomateriales
y su impacto
socioambiental
4 horas
Elaboración
de informes y
proyectos de
investigación
Herraéz, A. (2011).
Las asombrosas
estructuras del
carbono. Apuntes de
Ciencia, 22-25.
CAC-CNA. (2011).
Guía Didáctica:
Nanomateriales.
Buenos Aires:
Ministerio de
Educación.
Comunicación
y evaluación de
aprendizajes
sobre la
nanoquímica
2 a 4
horas
Debates,
exposiciones
y dinámicas
de
coevaluación
Instrumentos de
evaluación
elaborados por el
docente (rubricas y
listas de cotejo)
La meta principal de esta propuesta de enseñanza de la
nanoquímica es articular su abordaje bajo el enfoque
CTS-A y, potenciar con ello, la formación ciudadanos
científicamente cultos, responsables y comprometidos
con su entorno, así como promover vocaciones
científicas sobre este campo de conocimiento químico.
Conclusiones
La nanoquímica es una subdisciplina emergente que se
centra en la síntesis y caracterización de materiales que
tienen su origen en la escala nanométrica. Para ello, se
vale de diversas técnicas que fusionan e integran
conocimientos, herramientas y aproximaciones de las
áreas clásicas de la química, las cuales son agrupadas en
el ámbito de las nanociencias bajo el enfoque bottom-up.
Una metodología de síntesis ascendente donde los
procesos de autoensamblaje molecular y
funcionalización química juegan un papel relevante.
Gracias a la nanoquímica se han creado materiales
híbridos con aplicaciones importantes en el ámbito de la
catálisis, la industria de los polímeros, los alimentos, los
textiles, los medicamentos, las autopartes, la ciencia de
materiales, la biorremediación ambiental entre otros
ramos (Ozin y Arsenault, 2015).
En el contexto educativo, el avance de la nanoquímica ha
sido lento debido a la escasa o nula presencia de
contenidos relacionados con esta área de conocimientos
en los niveles de enseñanza obligatorios. Un problema
que está asociado con la complejidad que revisten
algunos contenidos presentes en su marco conceptual,
así como por la serie de obstáculos epistemológicos que
se han reportado en la literatura en los procesos de
enseñanza y divulgación del mundo de lo nano (Serena,
2013; Sánchez-Mora, 2011). Otro elemento a considerar
en torno a esta problemática es que, en el ámbito
educativo las reformas curriculares suelen ser procesos
lentos e independientes de los avances y las
transformaciones que experimenta el conocimiento
científico. No obstante, el pronunciado avance que ha
tenido el campo de la nanoquímica en particular y de las
nanociencias en general, invita a considerar como
necesaria la inclusión de esta subdisciplina como un eje
renovador de los currículos química sobre todo en los
niveles medio y superior. Esto redituara en una
actualización del proceso de enseñanza-aprendizaje de la
química, en la adquisición de una opinión crítica e
informada sobre esta área de conocimientos en la
ciudadanía y en la formación de vocaciones científicas en
el campo.
En este trabajo se presentó un esbozo de una propuesta
de abordaje de la nanoquímica que puede ser aplicable
en el nivel medio superior, la cual está basada en el
enfoque CTS-A y estructurada en tres etapas. Su
implementación busca generar conocimientos e
investigaciones que favorezcan la formación de
vocaciones científicas y la construcción de opiniones
informadas sobre el tema. Es importante señalar que,
dicha propuesta es una primera aproximación al
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tratamiento de la nanoquímica en el bachillerato, por lo
que se buscará en futuras investigaciones cuya meta
principal sea la obtención de recursos didácticos,
robustecerla y mejorarla.
Agradecimientos
Se agradece a la Dirección General del Personal
Académico (DGAPA) de la UNAM, por el apoyo recibido
en la elaboración de esta investigación documental, la
cual forma parte del proyecto INFOCAB 2022 con folio
PB200522.
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