Nanopartícula

El término nanopartícula normalmente identifica partículas formadas por agregados atómicos o moleculares con un diámetro entre aproximadamente 1 y 100 nm .

Para dar una idea del orden de magnitud, las celdas elementales de los cristales tienen longitudes del orden de un nanómetro; la doble hélice del ADN tiene un diámetro de unos 2 nm. La comunidad científica aún no ha determinado una medida unívoca: se pueden definir diferentes medidas dependiendo de si el abordaje es desde el punto de vista químico, físico, de biología molecular o de anatomía patológica . El tamaño mínimo es el de la molécula en estudio o evaluación.

El término se utiliza actualmente para indicar nanoagregados , es decir, agregados moleculares o atómicos, con interesantes propiedades físico-químicas, que también pueden ser producidos y utilizados en nanotecnologías .

A veces, el término se utiliza para indicar partículas ultrafinas (en particular, las partículas individuales discretas que componen los nanopolvos ).

Nanoesferas o Nanocápsulas : En el campo farmacéutico, son sistemas de matriz polimérica utilizados para la entrega de principios activos particularmente citotóxicos o con problemas farmacocinéticos relevantes. Actualmente algunas formulaciones se encuentran en fase II de experimentación.

Los nanoportadores se utilizan para un transporte más eficaz de medicamentos y vacunas dentro del cuerpo.

Introducción

En nanotecnología , una partícula se define como un objeto pequeño que se comporta como una unidad completa en términos de su transporte y propiedades. Se clasifica además según el tamaño: en términos de diámetro , las partículas finas abarcan un rango de 100 a 2500 nanómetros , mientras que las partículas ultrafinas, por otro lado, se clasifican entre 1 y 100 nanómetros. Las nanopartículas, similares a las partículas ultrafinas, se miden entre 1 y 100 nanómetros. Las nanopartículas pueden o no exhibir propiedades relacionadas con el tamaño que difieren significativamente de las observadas en partículas finas o materiales masivos. [1] [2] Aunque el tamaño de la mayoría de las moléculas cae dentro de lo mencionado anteriormente, las moléculas individuales generalmente no se clasifican como nanopartículas.

Los nanoclusters tienen al menos un tamaño entre 1 y 10 nanómetros y una distribución de tamaño estrecha. Los nanopolvos [3] son ​​aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclusters . Los nanocristales de tamaño nanométrico , o partículas ultrafinas de un solo dominio , a menudo se denominan nanopartículas nanocristalinas . La investigación en nanopartículas es actualmente un área de intenso interés científico debido a la gran variedad de aplicaciones potenciales en los campos de la biomedicina, la óptica y la electrónica. En los Estados Unidos , la Iniciativa Nacional de Nanotecnología ha proporcionado generosos fondos públicos para la investigación de nanopartículas.

Historia

Aunque generalmente se considera que las nanopartículas son un invento moderno, tienen una historia bastante larga. Las nanopartículas -cuyas propiedades, además, no conocíamos perfectamente, no en el sentido moderno- fueron utilizadas por artesanos ya en el siglo IX en Mesopotamia para generar un efecto brillante en la superficie de la vajilla.

La cerámica medieval y renacentista a menudo conserva un distintivo brillo metálico dorado o cobrizo . Este fenómeno es causado por una película metálica aplicada a la superficie transparente de un acristalamiento ( técnica lustre ). El brillo aún puede ser visible si la película ha resistido la oxidación y otras degradaciones atmosféricas.

El brillo surgió de la propia película, que contenía nanopartículas de plata y cobre dispersas homogéneamente en la matriz vítrea de la superficie cerámica. Estas nanopartículas fueron creadas por artesanos mezclando sales de cobre y plata con óxidos , con la adición de vinagre , ocre y arcilla , sobre la superficie de la cerámica previamente esmaltada. Luego, el objeto se colocó en un horno y se calentó a una temperatura de aproximadamente 600 ° C en un ambiente de oxidación-reducción .

Con el calor la capa de pintura se adelgazaba, provocando la migración de iones de cobre y plata a las capas exteriores de la superficie, cuyo entorno redox reducía los iones de nuevo a metales que juntos formaban las nanopartículas que daban el efecto óptico y de color.

La técnica del lustre muestra que los antiguos artesanos poseían un conocimiento empírico bastante sofisticado de los materiales. La técnica se originó en el mundo islámico . Dado que los musulmanes no permitían el uso del oro en las representaciones artísticas, se encontró una manera de recrear sus efectos sin utilizarlo, precisamente la técnica del lustre. [4]

Michael Faraday , en su ensayo de 1857, proporcionó la primera descripción científica de las propiedades ópticas de los metales a nanoescala. En un estudio posterior, Turner señaló que: "Es bueno saber que cuando se extienden finas hojas de oro o plata sobre el vidrio y se calientan a una temperatura muy por debajo del calor rojo (~500 °C), se produce un cambio significativo en propiedades, por lo que se destruye la continuidad de la película metálica. El resultado es que la luz blanca ahora se transmite libremente, la reflexión se reduce al mismo tiempo, mientras que la resistividad eléctrica aumenta enormemente ". [5] [6] [7]

Uniformidad

El proceso químico y la síntesis de componentes tecnológicos de alto rendimiento para los sectores privado, industrial y militar requiere el uso de cerámicas, polímeros , vitrocerámicas y materiales compuestos de gran pureza . En cuerpos condensados ​​formados a partir de polvos finos, los tamaños y formas de las partículas de un polvo típico a menudo conducen a morfologías de empaquetamiento no uniformes al variar la densidad en el aglomerado de polvo.

La aglomeración incontrolada de polvos debido a las fuerzas de atracción de Van der Waals también puede conducir a un aumento de las heterogeneidades microestructurales. Las tensiones diferenciales que se desarrollan, como resultado de una contracción debido a un secado no uniforme, están directamente relacionadas con la velocidad a la que se puede eliminar el solvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad . Tales tensiones están asociadas con una transición de plástico a friable en cuerpos solidificados y pueden causar que las fracturas se propaguen en cuerpos enfriados si no se mitigan. [8] [9] [10]

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento en el aglomerado a medida que se prepara para el horno a menudo se amplifica durante el proceso de sinterización , lo que da como resultado una densificación no homogénea. Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con las variaciones de densidad desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al aumentar y, por lo tanto, limitar las densidades finales. También se muestra que las tensiones diferenciales que surgen de la densificación no homogénea son el resultado de la propagación de fracturas internas, convirtiéndose así en la fuerza que controla las grietas. [11] [12] [13]

Por lo tanto, sería deseable procesar un material de tal manera que sea físicamente uniforme en relación con la distribución de los componentes y la porosidad, en lugar de utilizar la distribución del tamaño de partículas que maximizará su densidad verde. Contener un conjunto uniformemente disperso de partículas suspendidas altamente interactivas requiere un control total de las fuerzas entre partículas. Las partículas monodispersas y los coloides proporcionan este potencial. [14]

Por lo tanto, los polvos monodispersos de sílice coloidal , por ejemplo, pueden estabilizarse lo suficiente para garantizar un alto grado de orden en el cristal coloidal o sólido coloidal policristalino resultante de la agregación. El grado de agregación parece estar limitado por el tiempo y el espacio permitidos para establecer correlaciones de mayor alcance. Estas estructuras coloidales policristalinas imperfectas parecen ser los componentes básicos de la ciencia de materiales coloidales submicrométricos y, por lo tanto, son el primer paso para desarrollar una comprensión más rigurosa de los mecanismos involucrados en la evolución microestructural en materiales y componentes de alto rendimiento. [15] [16]

Propiedades

Las nanopartículas son de gran interés científico ya que son en efecto un puente entre los materiales gruesos y las estructuras atómicas o moleculares . El material grande tendría propiedades físicas constantes en relación con su tamaño, pero las propiedades dependientes del tamaño a menudo se observan a escala nanométrica. Las propiedades de los materiales cambian a medida que se acercan a la escala nanométrica cuando el porcentaje de átomos en la superficie del material se vuelve significativo.

Para materiales más grandes que un micrómetro (o micra), el porcentaje de átomos a nivel de la superficie es insignificante en relación con el número de átomos incluidos en la masa total del material. Las interesantes ya veces inesperadas propiedades de las nanopartículas, sin embargo, se deben principalmente a la gran área superficial del material, que prevalece sobre los aportes que hace la pequeña masa del material.

Un excelente ejemplo de ello es la absorción de la radiación solar por parte de las células fotovoltaicas, que es mucho mayor en los materiales compuestos por nanopartículas que en las finas capas que forman piezas continuas de material. En este caso, cuanto más pequeñas son las partículas, mayor es la absorción solar.

Otros cambios en las propiedades que dependen del tamaño incluyen el confinamiento cuántico en partículas semiconductoras , la resonancia de plasmones superficiales en algunas partículas metálicas y el superparamagnetismo en materiales magnéticos . Irónicamente, los cambios en las propiedades físicas no siempre son deseables. Los materiales ferroeléctricos de menos de 10 nm pueden cambiar su dirección de magnetización utilizando energía térmica a temperatura ambiente, lo que los hace inadecuados para el almacenamiento de datos.

La suspensión de nanopartículas es posible porque la interacción de su superficie con el solvente es lo suficientemente fuerte como para superar la diferencia de densidad , que de lo contrario generalmente resulta en que un material se hunda o flote en un líquido. Las nanopartículas también suelen poseer propiedades ópticas inesperadas, ya que son lo suficientemente pequeñas como para confinar sus electrones y producir efectos cuánticos. Por ejemplo, las nanopartículas de oro en solución aparecen en un color rojo oscuro a negro.

Las nanopartículas tienen un área de superficie a volumen muy grande, lo que proporciona una tremenda fuerza impulsora para la difusión , especialmente a altas temperaturas. La sinterización puede tener lugar a temperaturas más bajas, en escalas de tiempo más cortas que con partículas más grandes . Esto teóricamente no afecta a la densidad del producto final, aunque las dificultades de fluidez y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse complican el asunto. La gran relación área superficial/volumen también reduce el punto de fusión incipiente de las nanopartículas. [17]

Además, se ha descubierto que las nanopartículas transmiten algunas propiedades adicionales en varios productos cotidianos. Por ejemplo, la presencia de partículas de dióxido de titanio transmite lo que se denomina un efecto de autolimpieza. Se ha descubierto que las partículas de óxido de zinc tienen la propiedad, muy superior a las masas más grandes, de bloquear los rayos UV . Esta es una de las razones por las que a menudo se utilizan en la preparación de lociones de protección solar.

Las nanopartículas de arcilla incrustadas en matrices poliméricas aumentan la fuerza, lo que hace que los plásticos sean más resistentes, lo que se puede verificar mediante una temperatura de transición vítrea más alta y otras pruebas de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras y transmiten sus propiedades al polímero (plástico) . Las nanopartículas también se unen a las fibras textiles para crear ropa elegante y funcional. [18]

Se crearon nanopartículas metálicas , dieléctricas y semiconductoras , así como estructuras híbridas (es decir, nanopartículas de núcleo y cubierta ). Las nanopartículas hechas de material semiconductor también pueden denominarse puntos cuánticos si son lo suficientemente pequeñas (normalmente por debajo de 10 nm) para que se produzca la cuantificación de los niveles de energía del electrón . Estas partículas a nanoescala se utilizan en aplicaciones biomédicas , como portadores de fármacos o agentes de formación de imágenes .

Se produjeron partículas semisólidas y ligeras. Un prototipo de nanopartícula semisólida es el liposoma . Varios tipos de partículas liposomales se están utilizando actualmente clínicamente como sistemas para transportar fármacos y vacunas contra el cáncer.

Resumen

Existen varios métodos para crear nanopartículas, incluida la fricción y la pirólisis . Con fricción, las partículas de escala macro o micro se colocan en un molino de bolas , un molino de bolas planetario u otro sistema que adopte el mecanismo. Las partículas resultantes tienen la apariencia de poder obtener nanopartículas. Con la pirólisis, un precursor vaporoso (líquido o gas) se fuerza a través de un orificio de alta presión y se quema. El sólido resultante (una especie de hollín) tiene la apariencia de poder recuperar partículas de óxido de los gases producidos. La pirólisis a menudo ocurre en agregados y aglomerados en lugar de partículas primarias individuales.

Procesos de plasma

Se pueden dividir en múltiples categorías, las más utilizadas en el ámbito industrial son los procesos de plasma de microondas y la síntesis de plasma-spray . [19]

Un plasma térmico también puede proporcionar la energía necesaria para provocar la evaporación de partículas del tamaño de un micrómetro. Las temperaturas del plasma térmico son del orden de 10.000 K, por lo que el polvo sólido se evapora fácilmente. Las nanopartículas se forman en la fase de enfriamiento mientras existe el estado de plasma. Los principales tipos de sopletes de plasma térmico utilizados para producir nanopartículas son los chorros de plasma de CC, el plasma de arco de CC y las inducciones de radiofrecuencia (RF). En las antorchas de plasma de inducción de RF, la energía asociada con el plasma se realiza a través del campo electromagnético generado por la bobina de inducción. El gas de plasma no entra en contacto con los electrodos, eliminando así posibles fuentes de contaminación, permitiendo el funcionamiento de dichas antorchas de plasma con grandes muestras de gases, incluidas mezclas de gases inertes, reductores, oxidantes y otros corrosivos.

La frecuencia de trabajo está generalmente entre 200 kHz y 40 MHz. Las unidades de laboratorio alcanzan potencias del orden de 30-50 kW, mientras que las unidades industriales a gran escala han sido probadas a niveles de potencia que llegan hasta1  megavatio . Dado que el tiempo de residencia de las gotas de alimento inyectadas en el plasma es muy corto, es importante que el tamaño de la gota sea lo suficientemente pequeño para lograr la evaporación completa. El método de plasma de RF se ha utilizado para sintetizar diferentes materiales de nanopartículas, por ejemplo, la síntesis de varias nanopartículas cerámicas como óxidos, carburos y nitruros de Ti y Si (ver tecnología de plasma de inducción ).

Aerosoles

Los procesos basados ​​en aerosoles se utilizan principalmente para la aplicación de recubrimientos. Los precursores químicos, rociados sobre una superficie en un ambiente calentado, forman las nanopartículas después de sufrir una pirólisis . Bajo esta familia se encuentran métodos como la pirólisis a la llama. [19]

Condensación de gas

El proceso de condensación de gas es el método más famoso para producir nanopartículas cerámicas y metálicas (se utiliza desde la década de 1930). Las partes principales del sistema de condensación son una cámara de vacío conectada a un elemento calefactor, el material a vaporizar, una cámara de enfriamiento conectada a un sistema de recolección de polvo y un sistema de bombeo. El material en la cámara de vacío se lleva a una temperatura y presión tal que establece un flujo de materia que choca con el gas presente en la cámara de enfriamiento, formando nanopartículas esféricas. Dependiendo de las aplicaciones, el fluido refrigerante puede ser reactivo o inerte. [19]

La condensación de gas inerte se usa con frecuencia para formar nanopartículas a partir de metales que tienen un punto de fusión bajo. El metal se vaporiza en una cámara de vacío y luego se sobreenfría con un flujo de gas inerte. El vapor del metal sobreenfriado se condensa en partículas de tamaño nanométrico, que pueden suspenderse en una corriente de gas inerte y depositarse en un sustrato o estudiarse in situ .

Ablación con láser

Con la ablación láser , utilizando un rayo láser de alta potencia con un sistema de enfoque óptico y un sistema de alimentación de objetivos, se pueden crear nanopartículas que se pueden recolectar en un colector especial. [19]

Descarga del arco

La técnica se basa en cargar eléctricamente dos electrodos, compuestos por el metal a vaporizar. Aprovechando el fenómeno del arco eléctrico es posible vaporizar pequeñas cantidades de metal suficientes para formar nanopartículas. El proceso de ionización por chispa también suele clasificarse como descarga por arco , incluso si los dos métodos difieren ligeramente en cuanto a la duración de la descarga: en la descarga por arco esto es continuo, mientras que en la ionización por chispa es momentáneo. [19] [20]

En los reactores de arco de plasma, la energía necesaria para la evaporación y la reacción la proporciona un arco eléctrico formado entre el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la arena de sílice se puede vaporizar con un arco de plasma a presión atmosférica. La mezcla resultante de gas de plasma y vapor de sílice se puede enfriar rápidamente con oxígeno, lo que garantiza la calidad de la sílice exhalada producida.

Sol-gel

El proceso sol-gel es una técnica de química húmeda (también conocida como sedimentación en solución química) ampliamente utilizada recientemente en los campos de la ciencia de los materiales y la ingeniería cerámica . Estos métodos se utilizan principalmente para la fabricación de materiales (normalmente un óxido metálico ) a partir de una solución química ( sol , significa solución) que actúa como precursor de una red integrada (o gel ) de partículas discretas o polímeros reticulados . [21]

Los precursores típicos son los alcóxidos y cloruros metálicos , que se someten a reacciones de hidrólisis y policondensación para formar un "sólido elástico" reticulado o una suspensión (o dispersión ) coloidal , un sistema compuesto por partículas submicrométricas discretas dispersas (a menudo amorfas ) en diversos grados en un huésped. líquido. La formación de un óxido metálico implica conexiones de núcleos metálicos con enlaces del tipo oxo- (MOM) o hidroxo- (M-OH-M), generando así polímeros oxo-metal o hidroxi-metal en solución. Por lo tanto, el sol evoluciona hacia la formación de un sistema bifásico similar a un gel que contiene tanto una fase líquida como una fase sólida cuyas morfologías van desde partículas discretas hasta redes poliméricas continuas. [22]

En el caso del coloide, la fracción de volumen de las partículas (o la densidad de las partículas) puede ser tan baja que puede ser necesario eliminar inicialmente una cantidad significativa de líquido para que se reconozcan las propiedades de tipo gel. Esto se puede lograr de varias maneras. El método más simple es dejar tiempo para que se produzca la sedimentación y, por lo tanto, verter el líquido restante. La centrifugación también se puede utilizar para acelerar el proceso de separación de fases .

La eliminación de la fase líquida restante (disolvente) requiere un proceso de secado, normalmente acompañado de una cantidad significativa de contracción y espesamiento. La velocidad a la que se puede eliminar el disolvente se determina en última instancia por la distribución de porosidad en el gel. La microestructura final del componente final claramente estará fuertemente influenciada por los cambios implementados durante este paso de procesamiento. Posteriormente, a menudo es necesario un tratamiento térmico o proceso de cocción para promover una mayor policondensación y aumentar las propiedades mecánicas y la estabilidad estructural a través de la sinterización final, el espesamiento y el crecimiento del gránulo. Una de las ventajas particulares de usar esta metodología en comparación con las técnicas de tratamiento más tradicionales es que el espesamiento a menudo se logra a una temperatura mucho más baja.

El sol precursor se puede depositar sobre un sustrato para formar una película (p. ej., mediante recubrimiento por inmersión o por rotación ), fusionarse en un recipiente adecuado con la forma deseada (p. ej., para obtener cerámicas monolíticas , vidrios , fibras, membranas , aerogel ), o utilizarse para sintetizar polvos (por ejemplo, microesferas, nanoesferas). El enfoque sol-gel es una técnica conveniente a baja temperatura que permite un excelente control de la composición química del producto. Incluso pequeñas cantidades de dopantes, como colorantes orgánicos y metales alcalinotérreos raros , pueden introducirse en el sol y eventualmente dispersarse uniformemente en el producto final. Se puede utilizar en la fabricación y el tratamiento de cerámica como material de fundición de inversión o como un medio para producir películas de óxido de metal muy delgadas para diversos fines. Los materiales derivados de sol-gel tienen diversas aplicaciones en óptica , electrónica , energía , espacio , (bio) sensores , medicina (por ejemplo, liberación controlada de fármacos) y tecnología de separación (por ejemplo, cromatografía ). [23]

El interés por el tratamiento sol-gel se remonta a los años 1880-1890 a través de la observación de la hidrólisis del ortosilicato de tetraetilo ( TEOS ) que en medio ácido da lugar a la formación de SiO 2 en forma de fibras y monolitos. La búsqueda de sol-gel creció a tal punto que en la década de 1990 se publicaron más de 35.000 documentos relacionados con el proceso. [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

Método solvotérmico

Para esta técnica, los solventes se utilizan a una temperatura significativamente superior a su punto de ebullición, mantenidos en tanques sellados a alta presión. Una subclase ampliamente utilizada de síntesis solvotermal es la síntesis hidrotermal , donde se usa agua sobrecalentada o supercrítica con una solución de sales metálicas. [19]

Inyección en caliente

La síntesis de nanopartículas denominada inyección en caliente es un proceso por lotes en el que los precursores químicos se inyectan rápidamente en un reactor calentado que contiene una mezcla de disolventes y ligandos. [19]

Síntesis industrial

La síntesis industrial de nanopartículas consiste en el escalado de los métodos de síntesis para su producción, que hoy en día se utilizan mayoritariamente en el laboratorio. En términos generales, hablamos de producción a gran escala de nanopartículas para una cantidad producida a partir de kg/h en adelante (en el laboratorio se producen cantidades como mg/hog/h). [32]

La Unión Europea y otros Estados están financiando la investigación y el consiguiente uso industrial de las nanopartículas, ya que su rendimiento en muchas áreas es superior al de los materiales utilizados tradicionalmente, muchas veces asociado a una reducción de costes en comparación con el material al que sustituirían. [19]

Sin embargo, el desarrollo se ve frenado por una serie de problemas tales como: la mayor presencia de impurezas a gran escala en comparación con el laboratorio, la ausencia de una regulación relativa (seguridad y salud del ambiente de trabajo, derechos de propiedad intelectual, impacto ambiental), la necesidad de monitoreo in situ para el control de calidad y la renuencia de la industria a invertir en esta área en ausencia de un retorno económico seguro. [19]

Los métodos de síntesis industrial se pueden dividir en bottom-up y top-down .

Métodos ascendentes

Dentro de esta familia podemos clasificar las técnicas de síntesis en fase vapor y en fase líquida.

Entre las técnicas de fase vapor se encuentran métodos basados ​​en aerosoles, condensación de gases, ablación láser, procesos de plasma, descarga por arco.

Los métodos basados ​​en aerosoles son métodos comunes, simples y económicos en relación con el valor del material producido. La temperatura en la fase de síntesis debe ser lo suficientemente alta para permitir la pirólisis de los precursores químicos. Puede presentar problemas críticos debido a la pérdida de la relación matemática entre la temperatura y la tasa de crecimiento de las nanopartículas. Se utiliza para producir pigmentos de óxido de titanio y negro de humo para pinturas, fibras ópticas y óxido de silicio .

En el caso de la condensación de gases en el ámbito industrial, la temperatura de calentamiento del material debe ser muy superior a su punto de fusión pero inferior a su punto de ebullición. Es necesario mantener la presión del gas lo suficientemente alta para promover la formación de partículas, pero lo suficientemente baja para mantener una forma esférica. Si se utiliza oxígeno como gas reactivo, se debe prestar atención a la oxidación rápida, lo que conduciría a un calentamiento excesivo con la consiguiente sinterización de las partículas. Dado que existen colisiones aleatorias, la formación de partículas es aleatoria y se pueden formar aglomerados que tienen como consecuencia el aumento de la distribución de tamaño ( partícula-tamaño distribución ). Con este método podemos obtener una gran cantidad de polvos cerámicos y metálicos en un tiempo relativamente corto. Se utiliza para producir, por ejemplo , nanopartículas de óxido de zinc .

Cuando se utiliza la ablación con láser, la concentración y la distribución del tamaño de las partículas dependen de varios factores: el medio presente en la cámara de ablación (aire, argón, agua), el material objetivo y los parámetros del láser (longitud de onda, duración de la pulsación, energía, tiempo de repetición y velocidad de escaneo). Si realizas la síntesis en argón tienes generada una cantidad de nanopartículas 100 veces mayor que la síntesis en aire, lo que a su vez genera una cantidad de material 100 veces mayor que la síntesis en agua. Si evaluamos la concentración de las partículas producidas en el aire esta es del orden de 10 5 cm -3 , mientras que si se realiza en argón es del orden de 10 6 cm -3 . Además, la concentración es un parámetro crítico del proceso, ya que una concentración excesiva conduce a la formación de agregados que empeoran la calidad del producto. La principal ventaja consiste en el uso de metales y óxidos metálicos como precursores, lo que permite la producción de materiales con alta cristalinidad. Este proceso se aplica solo en casos particulares ya que suele tener bajos rendimientos y altos costos operativos. Por ejemplo, se utiliza para producir nanopartículas de níquel. [19]

Usando descarga de arco, operando a temperaturas extremadamente altas (aprox.4 000  °C ) durante tiempos extremadamente cortos (decenas de milisegundos), la velocidad de evaporación se convierte en un parámetro importante del proceso, así como la concentración del metal vaporizado. El gas más barato de usar es el nitrógeno, por lo que el único parámetro de proceso relevante es la corriente eléctrica aplicada. Una corriente eléctrica más alta forma partículas más grandes y aumenta la tasa de producción. Una forma de optimizar tanto el rendimiento de la producción como el tamaño de las partículas (incluso menores de 100 nm) implica el uso de múltiples pares de electrodos en paralelo con un consumo de electricidad específico casi sin cambios. Si con una sola unidad somos capaces de producir unos 10 g/h, tras la paralelización podemos conseguir hasta100 kg/día de material. Aunque se producen cantidades relativamente bajas con este método, tiene la ventaja de ser fácilmente reproducible. En algunas aplicaciones es posible obtener procesos simples, efectivos y confiables. Además, gracias al uso de la descarga eléctrica, se elimina la necesidad de peligrosos precursores químicos, disolventes y estabilizantes. [33]

Al combinar la descarga con un gas reactivo, como el oxígeno, podemos crear óxidos metálicos. Un ejemplo de proyecto basado en la descarga de arco paralelo es el proyecto europeo BUONAPART-E (Better Up-scaling and Optimization of NAnoPARTicle and nanostructure production by between Electrical downloads). [34]

Para los procesos de plasma de microondas, la presencia de cargas eléctricas permite un excelente control sobre la distribución del tamaño, sin embargo, no es posible eliminar la carga de las partículas creadas. Además, podemos lograr altos volúmenes de producción manteniendo una alta calidad.

En cuanto a la técnica de plasma-spray, gracias a su sencillez puede ser utilizada en atmósfera no controlada, con el consiguiente ahorro económico. También en este caso, se pueden lograr altos volúmenes de producción. Sin embargo, debido a la velocidad de flujo extremadamente alta, es difícil recolectar el producto de manera efectiva y segura y esto limita el uso industrial de este método.

Las técnicas en fase líquida incluyen procesos sol-gel, inyección en caliente, sonoquímicos, solvotermales e hidrotermales.

Si se utiliza una técnica sol-gel, las ventajas son poder operar a bajas temperaturas y tener un método versátil, que permite obtener excelentes resultados en cuanto a la calidad de la forma de las nanopartículas. El uso de alcóxidos como precursores para la producción de óxidos permite un fácil control in situ. El único inconveniente es la posibilidad de migración de las nanopartículas durante el proceso de secado, lo que se traduce en una caída del rendimiento. [19]

La implementación industrial de la síntesis por inyección en caliente implica el uso de un sistema de reactor de flujo en estado estacionario mantenido a alta temperatura (180-320°C ). También es posible realizar una reducción de escala de los reactores hasta un diámetro interno igual a200–300 micras . Dos corrientes separadas que contienen una solución precursora se transportan a una cámara de mezcla antes de llegar al entorno de reacción. La optimización del tiempo de residencia es necesaria para tener un mezclado adecuado y al mismo tiempo evitar la formación de aglomerados. Una vez que se ha establecido el tiempo de residencia óptimo, se puede determinar el volumen y el caudal del mezclador. La calidad de las nanopartículas está íntimamente ligada a la concentración, el caudal volumétrico y la temperatura: variando estos parámetros es posible modular la distribución dimensional del producto. Al aumentar la temperatura y el tiempo de residencia, se obtiene un aumento en el rendimiento con la producción de nanopartículas más grandes. El proceso por lotes utilizado en el laboratorio se caracteriza por varios parámetros que son difíciles de controlar: velocidad de inyección, temperatura local, concentraciones, velocidad de mezcla y velocidad de enfriamiento. El proceso industrial continuo permite un mejor control de los parámetros anteriores y una mayor reproducibilidad. Un sistema de reactor de flujo micrométrico optimiza la ingeniería de parámetros críticos. De hecho, reduce el consumo de reactivos, garantiza una mayor uniformidad de la temperatura y un mejor control de los tiempos de residencia en el medio de reacción. La principal dificultad de escalar a un proceso continuo es no tener la posibilidad de utilizar los mismos productos químicos que se utilizan en el proceso por lotes en el laboratorio. De hecho, es posible que uno de los disolventes sea sólido a temperatura ambiente, un precursor pueda dar lugar a la formación de gas que imposibilite alcanzar altos niveles de reproducibilidad de los tiempos de residencia y que la descomposición de una de las sustancias pueda provocar la canales de inyección a bloquear. En los últimos años se han estudiado plantas continuas para la producción industrial de puntos cuánticos . Los puntos cuánticos de CdSe pueden sintetizarse industrialmente a partir de oleato de cadmio y TOPSe ( tri-n-octilfosfina de selenio ), como precursores de Cd y Se respectivamente, en una mezcla de disolventes a base de escualano, oleilamina y trioctilfosfina . [35]

En el caso de implementaciones de técnicas solvotérmicas, se utilizan disolventes orgánicos para dispersar nanocristales no oxidantes y para metaestabilizaciones. En la mayoría de los casos, se deben implementar métodos adicionales para la purificación de los materiales obtenidos, como hidrólisis, oxidación y termólisis. En la síntesis hidrotermal podemos desarrollar un proceso continuo, en el que las dos corrientes de fluidos se mezclan entre sí. Es posible utilizar un sistema en el que las operaciones puedan llevarse a cabo tanto en condiciones subcríticas (temperatura y presión por encima respectivamente100 ° C y10  bar ), próximas a la criticidad y también en condiciones supercríticas (desde374°C y 218 atm arriba).

Con este método no hay problema de toxicidad de los disolventes ni de incapacidad para disolver las sales en solución. La síntesis hidrotermal, si se lleva a cabo en un reactor bien diseñado, es capaz de producir cantidades superiores a 100 t/año de material. Es un método apropiado tanto para la producción de óxidos cristalinos como para la producción de materiales no oxidantes (semiconductores como el GaN).

A través de la síntesis sonoquímica se producen materiales particulares gracias a las condiciones del proceso (temperatura local y presión de al menos5 000  K e20  MPa , velocidad de enfriamiento muy alta), que facilitan la producción de nanopartículas más pequeñas que las de los otros métodos, y con formas diferentes. La principal ventaja es que es un método muy económico, ya que el único coste relevante lo representa el generador de ultrasonidos. [19]

Esta familia incluye procesos mecánicos en fase sólida, como la molienda de bolas y la síntesis mecanoquímica .

Mediante el proceso de molienda mecánica es posible obtener polvos nanométricos. [19]

Esta técnica consiste en la molienda de un polvo monofásico (con partículas de diámetro inferior a 100 nm), en el que se debe equilibrar la fractura y la fusión parcial. El proceso consiste en introducir los polvos a moler en un recipiente herméticamente cerrado, junto con los cuerpos de molienda revestidos en acero templado o carburo de tungsteno . Los continuos choques entre las esferas provocan una deformación plástica que a su vez provoca un aumento de la temperatura, pasando de la temperatura ambiente inicial hasta una entre 100 y200 °C , con el consiguiente refinamiento de la estructura interna de los polvos, cuyo tamaño final está entre 2-20 nm. Los procesos mecánicos tienen la ventaja de poder reproducirse a escala industrial y, dadas las bajas temperaturas del proceso, los granos que se forman pueden crecer muy lentamente. Esto permite obtener materiales avanzados y diseñar granos e interfaces para crear límites de grano particulares . Uno de los mayores problemas de esta técnica es la contaminación provocada por los objetos de molienda, en particular por el hierro si está presente en los mármoles o por el oxígeno presente en el aire. Una forma de superar estos problemas puede ser reducir el tiempo de molienda y recubrir las esferas de molienda con el mismo material que desea reducir. Además, la distribución dimensional final de los polvos obtenidos no es tan buena como la de los otros métodos vistos anteriormente y esta es una característica común a toda la familia de procesos mecánicos.

El proceso mecanoquímico pertenece a la familia de los métodos de molienda mecánica. La molienda mecanoquímica funciona de la misma forma que un reactor químico de baja temperatura y favorece la cinética de reacción de la mezcla de reactivos en polvo. A diferencia del proceso de molienda tradicional, gracias a las reacciones químicas que tienen lugar durante la molienda, existe un mejor control entre el ambiente de reacción y los polvos molidos. El material a moler suele colocarse en molinos especiales con una relación de masa entre cuerpos de molienda y polvos de 5:10. Se pueden utilizar gases reactivos (O 2 , N 2 y aire) que favorecen la reacción durante el proceso de molienda. Los metales como el titanio, el vanadio, el tungsteno, el circonio y el hierro reaccionan bien al método mecanoquímico y pueden transformarse en nitruros, óxidos metálicos y compuestos nanocristalinos de metal y cerámica. La industrialización del proceso de producción y la consiguiente reducción de costes se puede conseguir utilizando un precursor óptimo eligiendo entre óxidos, carbonatos, sulfatos, cloruros y fluoruros. [19]

Coloides

El término coloide se utiliza principalmente para describir una amplia gama de mezclas sólido-líquido (y/o líquido-líquido), todas las cuales contienen partículas sólidas (y/o líquidas) dispersas en diversos grados en un medio líquido. El término se refiere al tamaño de las partículas individuales, que son más grandes que el tamaño atómico pero lo suficientemente pequeñas como para revelar el movimiento browniano . Si las partículas son lo suficientemente grandes, su comportamiento dinámico en cualquier período de tiempo suspendido estaría gobernado por las fuerzas de la gravedad y la sedimentación . Pero si son lo suficientemente pequeños para ser coloides, entonces el movimiento irregular en suspensión se puede atribuir al bombardeo colectivo de una miríada de moléculas agitadas térmicamente en el medio de suspensión líquido, como lo describió por primera vez Albert Einstein en su disertación. Einstein demostró la existencia de moléculas de agua para concluir que el comportamiento de las partículas errantes podría describirse adecuadamente utilizando la teoría del movimiento browniano, siendo la sedimentación un posible resultado a largo plazo. Este campo de tamaño crítico (o diámetro de partícula) normalmente varía de nanómetros (10 −9 m) a micrómetros (10 −6 m). [36]

Morfología

Los científicos se han acostumbrado a nombrar sus partículas según las formas del mundo real que podrían representar. Nanospheres [37] , nanoreefs [38] , nanoboxes [39] y muchos otros aparecieron en la literatura. Estas morfologías a veces surgen espontáneamente como efecto de un agente temporal o directo presente en la síntesis, como emulsiones o poros de alúmina anodizada, o de patrones innatos de crecimiento cristalográfico de los propios materiales. [40] Algunas de estas morfologías pueden tener un propósito, como los nanotubos de carbono largos que se usan para unir una unión eléctrica, o representar solo una curiosidad científica como las estrellas que se muestran a la derecha.

En términos generales, las partículas amorfas adoptarán una forma esférica (debido a su isotropía microestructural), ya que los bigotes microcristalinos anisotrópicos adoptarán la forma geométrica correspondiente a su constitución cristalina particular. En el límite pequeño del rango de tamaño, las nanopartículas a menudo se denominan grupos . Esferas , palos , fibras y copas son solo algunas de las formas que se han trabajado. el estudio de las partículas finas se denomina microméritos .

Caracterización

Se requiere la caracterización de la nanopartícula para establecer la comprensión y el control de la síntesis y las aplicaciones de nanopartículas. La caracterización se realiza utilizando una variedad de técnicas diferentes, principalmente tomadas de la ciencia de los materiales . Las técnicas comunes son:

  1. microscopio electrónico (TEM, SEM)
  2. microscopio de fuerza atómica (AFM, Atomic Force Microscopy )
  3. dispersión de luz dinámica (DLS, dispersión de luz dinámica )
  4. Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X )
  5. Difracción de rayos X en polvo (XRD )
  6. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR ),
  7. Desorción láser asistida por matriz ( MALDI ) - espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOF )
  8. Espectroscopia ultravioleta/visible ,
  9. interferometría de doble polarización
  10. resonancia magnética nuclear (NMR, Nuclear Magnetic Resonance ).

Si bien la teoría se conocía desde hace más de un siglo (ver Robert Brown ), la tecnología que permite el análisis para el monitoreo de nanopartículas (NTA, Nanoparticle Tracking Analysis ) permite la detección directa del movimiento browniano y, por lo tanto, este método permite el control de nanopartículas individuales. en solución.

Seguridad

Las nanopartículas presentan posibles peligros, tanto en un sentido médico como ambiental, [41] la mayoría de los cuales se deben a la gran relación superficie/volumen, que puede hacer que las partículas sean altamente reactivas o catalíticas . [42] También son capaces de atravesar las membranas celulares de los organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos no se comprenden completamente. [43] Los estudios preclínicos han demostrado que las nanopartículas inorgánicas, si están debidamente compuestas, pueden escapar del organismo en poco tiempo, tanto después de la inhalación como después de la administración venosa. [44] [45] [46] Sin embargo, las partículas libres en el medio ambiente tienden a aglomerarse rápidamente dejando así el régimen nanométrico, y la naturaleza misma presenta muchas nanopartículas cuyos organismos en la tierra pueden haber desarrollado inmunidad (como partículas de aerosol , terpenos de plantas , o erupciones de polvo volcánico del océano ) . Un análisis más completo se proporciona en el artículo dedicado a la nanotecnología .

Según el San Francisco Chronicle , “estudios en animales han demostrado que algunas nanopartículas pueden penetrar células y tejidos, moverse por el cuerpo y el cerebro y causar daños bioquímicos, y que pueden ser un factor de riesgo en humanos al promover la aparición de cáncer testicular. Pero sigue siendo una pregunta abierta si los cosméticos y los protectores solares que contienen nanomateriales podrían poner en riesgo la salud, ya que los estudios a largo plazo iniciados recientemente por la FDA y otras agencias siguen siendo insuficientes". [47] Al experimentar con ratones de laboratorio , se descubrió que las nanopartículas de diesel son capaces de dañar su sistema cardiovascular [48]

Notas

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