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Nanopartículas

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Nanopolvo de silicio.Nanodiamantes, como se observa con un microscopio electrónico de transmisión.

En nanotecnología, una partícula se define como un objeto pequeño que se comporta como una unidad completa en términos de transporte y propiedades. Las partículas se clasifican en términos de su tamaño. Por lo tanto, las "partículas finas" son aquellas con diámetros en el rango de 100 a 2500 nanómetros (nm), mientras que las "partículas ultrafinas" tienen diámetros entre 1 y 100 nanómetros. Al igual que las partículas ultrafinas, nanopartículas se definen como que tienen diámetros entre 1 y 100 nanómetros, aunque la limitación de tamaño puede restringirse a dos dimensiones. En el extremo pequeño del rango de tamaño, las nanopartículas a menudo se denominan grupos. Además, las nanoesferas, nanorods y nanocups son algunas de las formas que se han cultivado.

Se han preparado nanopartículas metálicas, dieléctricas y semiconductoras, así como estructuras híbridas (como las nanopartículas núcleo-cubierta). Las nanopartículas hechas de material semiconductor también pueden etiquetarse como puntos cuánticos si son lo suficientemente pequeñas (por lo general, por debajo de 10 nm) que se produce la cuantificación de los niveles de energía electrónicos. Se han fabricado nanopartículas semisólidas y blandas. Un prototipo de nanopartícula de naturaleza semisólida es el liposoma.

La investigación de nanopartículas es actualmente un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos biomédicos, ópticos y electrónicos. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología ha generado generosos fondos públicos para la investigación de nanopartículas en los Estados Unidos. Actualmente, se utilizan clínicamente diversos tipos de nanopartículas como sistemas de administración de medicamentos y vacunas contra el cáncer, o como agentes de imagen.

Historia

Aunque generalmente las nanopartículas se consideran una invención de la ciencia moderna, en realidad tienen una historia muy larga. Específicamente, los artesanos utilizaron nanopartículas desde la Mesopotamia del siglo IX para generar un efecto brillante en la superficie de la maceta.

Incluso en estos días, la cerámica de la Edad Media y el Renacimiento a menudo conserva un brillo metálico distintivo de color dorado o cobre. Este llamado brillo es causado por una película metálica que se aplicó a la superficie transparente de un acristalamiento. El brillo aún puede ser visible si la película ha resistido la oxidación atmosférica y otras condiciones climáticas.

El brillo se origina dentro de la película, que contiene nanopartículas de plata y cobre, dispersas de manera homogénea en la matriz vítrea del esmalte cerámico. Estas nanopartículas fueron creadas por los artesanos mediante la adición de sales y óxidos de cobre y plata, junto con vinagre, ocre y arcilla, en la superficie de la cerámica previamente esmaltada. El objeto luego se colocó en un horno y se calentó a aproximadamente 600 ° C en una atmósfera reductora.

En el calor, el esmalte se ablanda, haciendo que los iones de cobre y plata migren hacia las capas externas del esmalte. Allí, la atmósfera reductora redujo los iones a metales, que luego se unieron formando las nanopartículas que dan el color y los efectos ópticos.

La técnica de Lustre muestra que los artesanos tenían un conocimiento empírico bastante sofisticado de los materiales. La técnica se origina en el mundo islámico. Como a los musulmanes no se les permitía usar oro en representaciones artísticas, tenían que encontrar una manera de crear un efecto similar sin usar oro real. La solución que encontraron fue usar brillo.

Michael Faraday proporcionó la primera descripción, en términos científicos, de las propiedades ópticas de los metales a escala nanométrica en su clásico artículo de 1857 "Relaciones experimentales del oro (y otros metales) con la luz".1

Gran parte de los estudios modernos de estos objetos se han llevado a cabo en el laboratorio ESRF. Se utilizaron varias técnicas para caracterizar las propiedades químicas y físicas de estos lustres, como la espectrometría de retrodispersión Rutherford (RBS), la absorción óptica en la región ultravioleta visible, la microscopía electrónica (TEM y SEM).

Terminologia y clasificacion

Nanoclusters2 tener al menos una dimensión entre 1 y 10 nanómetros y una distribución de tamaño estrecha. Nanopowders2 son aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclusters. Los cristales individuales de tamaño nanométrico, o partículas ultrafinas de dominio único, a menudo se denominan nanocristales. El término NanoCrystal® es una marca registrada3 de Elan Pharma International (EPIL) utilizado en relación con el proceso de molienda patentado de EPIL y las formulaciones de medicamentos en nanopartículas.

Propiedades

Las nanopartículas son de gran interés científico, ya que son efectivamente un puente entre materiales a granel y estructuras atómicas o moleculares. Un material a granel debe tener propiedades físicas constantes independientemente de su tamaño, pero a escala nanométrica, este no suele ser el caso. Se observan propiedades dependientes del tamaño, como el confinamiento cuántico en partículas semiconductoras, la resonancia del plasmón superficial en algunas partículas metálicas y el superparamagnetismo en materiales magnéticos.

Las propiedades de los materiales cambian a medida que su tamaño se acerca a la nanoescala y a medida que el porcentaje de átomos en la superficie de un material se vuelve significativo. Para materiales a granel mayores de un micrómetro, el porcentaje de átomos en la superficie es minúsculo en relación con el número total de átomos del material. Las propiedades interesantes ya veces inesperadas de las nanopartículas se deben en parte a los aspectos de la superficie del material que dominan las propiedades en lugar de las propiedades a granel.

Las nanopartículas pueden o no exhibir propiedades intensivas relacionadas con el tamaño que difieren significativamente de las observadas en partículas finas o materiales a granel.4 Exhiben una serie de propiedades especiales que difieren de las de los materiales a granel. Por ejemplo, la flexión del cobre a granel (alambre, cinta, etc.) ocurre con el movimiento de los átomos / grupos de cobre a una escala de aproximadamente 50 nm. Las nanopartículas de cobre menores de 50 nm se consideran materiales superduros que no exhiben la misma maleabilidad y ductilidad que el cobre a granel. El cambio en las propiedades no siempre es deseable. Los materiales ferroeléctricos menores de 10 nm pueden cambiar su dirección de magnetización utilizando energía térmica a temperatura ambiente, lo que los hace inútiles para el almacenamiento de memoria.

Las suspensiones de nanopartículas son posibles porque la interacción de la superficie de la partícula con el solvente es lo suficientemente fuerte como para superar las diferencias de densidad, que generalmente resultan en un material que se hunde o flota en un líquido. Las nanopartículas a menudo tienen propiedades visibles inesperadas porque son lo suficientemente pequeñas como para confinar sus electrones y producir efectos cuánticos. Por ejemplo, las nanopartículas de oro aparecen de color rojo intenso a negro en solución.

Las nanopartículas tienen una relación superficie / volumen muy alta. Esto proporciona una fuerza impulsora tremenda para la difusión, especialmente a temperaturas elevadas. La sinterización puede tener lugar a temperaturas más bajas, en escalas de tiempo más cortas que para partículas más grandes. En teoría, esto no afecta la densidad del producto final, aunque las dificultades de flujo y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse complican las cosas. La gran relación superficie / volumen también reduce la temperatura de fusión incipiente de las nanopartículas.5

Además, se ha descubierto que las nanopartículas imparten algunas propiedades adicionales a varios productos del día a día. Al igual que la presencia de nanopartículas de dióxido de titanio imparten lo que llamamos el efecto de autolimpieza, y el tamaño es nanorango, las partículas no se pueden ver. Se ha encontrado que las partículas de nano óxido de zinc tienen propiedades superiores de bloqueo de UV en comparación con su sustituto en masa. Esta es una de las razones por las que a menudo se usa en las lociones de protección solar. Las nanopartículas de arcilla cuando se incorporan a las matrices de polímeros aumentan el refuerzo, lo que conduce a plásticos más fuertes, verificados por una temperatura de transición vítrea más alta y otras pruebas de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras e imparten sus propiedades al polímero (plástico). Las nanopartículas también se han unido a las fibras textiles para crear prendas elegantes y funcionales.

Morfología de nanopartículas

Nanostars de óxido de vanadio (IV).

Los científicos han comenzado a nombrar sus partículas según las formas del mundo real que podrían representar. Nanoesferas6nanoreefs7 nanoboxes,8 y más han aparecido en la literatura. Estas morfologías a veces surgen espontáneamente como un efecto de un agente de plantilla o director presente en la síntesis, como emulsiones micelulares o poros de alúmina anodizados, o de los patrones de crecimiento cristalográficos innatos de los propios materiales.9 Algunas de estas morfologías pueden tener un propósito, como el uso de nanotubos de carbono largos para unir una unión eléctrica, o simplemente una curiosidad científica como las estrellas que se muestran a la izquierda.

Caracterización

La caracterización de nanopartículas es necesaria 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 extraídas de la ciencia de los materiales. Las técnicas comunes son la microscopía electrónica (microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía electrónica de barrido (SEM)), microscopía de fuerza atómica (AFM), dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), difractometría de rayos X en polvo ( XRD), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectrometría de masa de tiempo de vuelo de desorción láser asistida por matriz (MALDI-TOF) y espectroscopía ultravioleta-visible.

Aunque la teoría del movimiento browniano se conoce desde hace más de un siglo, la tecnología para el análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA) permite el seguimiento directo del movimiento browniano y, por lo tanto, este método permite el dimensionamiento de nanopartículas individuales en solución.

Fabricación de nanopartículas.

Existen varios métodos para crear nanopartículas; El desgaste y la pirólisis son métodos comunes. En el desgaste, las partículas de macro o microescala se muelen en un molino de bolas, un molino de bolas planetario u otro mecanismo de reducción de tamaño. Las partículas resultantes se clasifican por aire para recuperar nanopartículas.

En la pirólisis, un precursor vaporoso (líquido o gaseoso) es forzado a través de un orificio a alta presión y quemado. El sólido resultante (una versión de hollín) se clasifica por aire para recuperar partículas de óxido de gases derivados. La pirólisis a menudo produce agregados y aglomerados en lugar de partículas primarias simples.

Un plasma térmico también puede suministrar la energía necesaria para causar la evaporación de partículas de tamaño micrométrico pequeño. Las temperaturas del plasma térmico son del orden de 10000 K, por lo que el polvo sólido se evapora fácilmente. Las nanopartículas se forman al enfriarse mientras se sale de la región plasmática. Los principales tipos de antorchas de plasmas térmicos utilizados para producir nanopartículas son chorro de plasma de cc, plasma de arco de cc y plasmas de inducción de radiofrecuencia (RF). En los reactores de plasma de arco, la energía necesaria para la evaporación y la reacción es proporcionada por un arco eléctrico que se forma entre el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la arena de sílice se puede vaporizar con un plasma de arco a presión atmosférica. La mezcla resultante de gas de plasma y vapor de sílice se puede enfriar rápidamente enfriando con oxígeno, asegurando así la calidad de la sílice de humo producida. En las antorchas de plasma de inducción de RF, el acoplamiento de energía al plasma se logra a través del campo electromagnético generado por la bobina de inducción. El gas de plasma no entra en contacto con los electrodos, eliminando así las posibles fuentes de contaminación y permitiendo el funcionamiento de tales antorchas de plasma con una amplia gama de gases que incluyen atmósferas inertes, reductoras, oxidantes y otras atmósferas corrosivas. La frecuencia de trabajo es típicamente entre 200 kHz y 40 MHz. Las unidades de laboratorio funcionan a niveles de potencia del orden de 30-50 kW, mientras que las unidades industriales a gran escala se han probado a niveles de potencia de hasta 1 MW. Como el tiempo de residencia de las gotitas de alimentación inyectadas en el plasma es muy corto, es importante que los tamaños de las gotitas sean lo suficientemente pequeños para obtener una evaporación completa. El método de plasma RF se ha utilizado para sintetizar diferentes materiales de nanopartículas, por ejemplo, síntesis de varias nanopartículas cerámicas, tales como óxidos, harinas / carburos y nitruros de Ti y Si.

La agregación de gases inertes se usa con frecuencia para fabricar nanopartículas a partir de metales con bajos puntos de fusión. El metal se vaporiza en una cámara de vacío y luego se sobreenfría con una corriente de gas inerte. El vapor metálico sobreenfriado se condensa en partículas de tamaño nanométrico, que pueden arrastrarse en la corriente de gas inerte y depositarse sobre un sustrato o estudiarse in situ.

Problemas de seguridad

Las nanopartículas presentan posibles peligros, tanto médicos como ambientales.10 La mayoría de estos se deben a la alta relación superficie / volumen, que puede hacer que las partículas sean muy reactivas o catalíticas.11 También pueden pasar a través de las membranas celulares en los organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos son relativamente desconocidas.12 Sin embargo, las nanopartículas libres en el medio ambiente tienden a aglomerarse rápidamente y, por lo tanto, dejan el nano-régimen, y la naturaleza misma presenta muchas nanopartículas a las que los organismos en la tierra pueden haber desarrollado inmunidad (como partículas de sal de aerosoles oceánicos, terpenos de plantas o polvo de erupciones volcánicas).

De acuerdo con la San Francisco Chronicle, "Los estudios en animales han demostrado que algunas nanopartículas pueden penetrar células y tejidos, moverse a través del cuerpo y el cerebro y causar daño bioquímico. También han demostrado causar un factor de riesgo en los hombres para el cáncer testicular. Pero si los cosméticos y los protectores solares que contienen nanomateriales presentan riesgos para la salud sigue siendo en gran parte desconocido, a la espera de la finalización de estudios de largo alcance recientemente iniciados por la FDA y otras agencias ".13

Se ha descubierto que las nanopartículas diesel dañan el sistema cardiovascular en un modelo de ratón.14

Célula de nanopartículas de silicio

En general, las células solares en el mercado hoy en día no producen mucha electricidad a partir de la luz ultravioleta, sino que la célula la filtra o la absorbe, calentándola. Ese calor es energía desperdiciada e incluso podría provocar daños en la célula. Al diluir partículas de silicio en alcohol, cubrir con él una célula solar y dejar que el alcohol se evapore para dejar las nanopartículas de silicio en la célula, se ha incrementado la producción de energía celular en un 67 por ciento en el rango ultravioleta y alrededor del 10 por ciento en el rango visible .15

Ver también

  • Carbón
  • Cristal
  • Fullereno
  • Galio
  • Indio
  • Magnetismo
  • Nanotecnología
  • Fotón
  • Silicio

Notas

  1. ↑ Michael Faraday, Relaciones experimentales de oro (y otros metales) con la luz, Phil Trans. Roy Soc. Londres 147 (1857): 145-181.
  2. 2.0 2.1 B.D. Fahlman Química de materiales (Dordrecht, NL: Springer, 2007, ISBN 9781402061196), 282-283.
  3. ↑ US TM Reg. Nos. 2386089/2492925 y EU CTM Reg. No. 000885079
  4. ^ ASTM, ASTM E 2456 - 06 Terminología estándar relacionada con la nanotecnología. Consultado el 15 de noviembre de 2008.
  5. ↑ P.H. Buffat y J.P. Borel, efecto de tamaño sobre la temperatura de fusión de las partículas de oro, Revisión física A. 13 (6): 2287-2298. Consultado el 16 de noviembre de 2008.
  6. ^ Agam y Guo, modificación del haz de electrones de nanoesferas de polímeros, Revista de Nanociencia y Nanotecnología 7 (10): 3615-3619. Identificador de objeto digital (DOI): 10.1166 / jnn.2007.814.
  7. ↑ J.H. Choy, E.S. Jang, J.H. Won, J.H. Chung, D.J. Jang y Y.W. Kim, ruta hidrotermal a los arrecifes nanocorales de ZnO y nanofibras, Appl. Phys. Letón. 84 (2004): 287.
  8. ↑ Yugang Sun y Younan Xia, Síntesis de nanopartículas de oro y plata de forma controlada, Ciencia 298: 2176. Identificador de objeto digital (DOI): 10.1126 / science.1077229.
  9. ↑ Catherine Murphy, Nanocubos y Nanoboxes, Ciencia 298 (2002): 2139. Identificador de objeto digital (DOI): 10.1126 / science.1080007.
  10. ↑ Anisa Mnyusiwalla, Abdallah S. Daar y Peter A. Singer, "Mind the gap:" Ciencia y ética en nanotecnología, Nanotecnología 14 (2003): R9-R13. Identificador de objeto digital (DOI): 10.1088 / 0957-4484 / 14/3/201.
  11. ↑ Jackie Ying Materiales nanoestructurados (San Diego, CA: Academic Press, 2001, ISBN 9780120085279).
  12. ↑ Europa, Nanotecnologías: 6. ¿Cuáles son los posibles efectos nocivos de las nanopartículas? Consultado el 15 de noviembre de 2008.
  13. ^ Keay Davidson, FDA instó a limitar el uso de nanopartículas en cosméticos y protectores solares, San Francisco Chronicle. Consultado el 15 de noviembre de 2008.
  14. ^ Adam Satariano, estudio Las partículas de contaminación conducen a un mayor riesgo de ataque cardíaco (Actualización1). Bloomberg.com. Consultado el 15 de noviembre de 2008.
  15. ^ Jeremy Korzeniewski, película de nanopartículas de silicio puede aumentar el rendimiento de las células solares, Autoblog Green. Consultado el 15 de noviembre de 2008.

Referencias

  • Fahlman, B.D. 2007 Química de materiales. Dordrecht, NL: Springer. ISBN 9781402061196.
  • Schmid, Günter. 2004 Nanopartículas: de la teoría a la aplicación. Weinheim, DE: Wiley-VCH. ISBN 3527305076.
  • Ying, Jackie. 2001 Materiales nanoestructurados. San Diego, CA: Academic Press. ISBN 9780120085279.

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 6 de noviembre de 2018.

  • Resumen de nanotecnologías por GreenFacts de la evaluación SCENIHR de la Comisión Europea.
  • Nanopartículas utilizadas en la conversión de energía solar (ScienceDaily).

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