Nanocompuesto

Un nanocompuesto es un material sólido multifásico en el que una de las fases tiene una, dos o tres dimensiones de menos de 100 nanómetros (nm) o estructuras que tienen distancias de repetición a escala nanométrica entre las diferentes fases que forman el material.

En el sentido más amplio, esta definición puede incluir medios porosos, coloides, geles y copolímeros, pero se suele entender como la combinación sólida de una matriz en masa y una o más fases nanodimensionales que difieren en propiedades debido a diferencias en la estructura y la química. Las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas, electroquímicas y catalíticas del nanocompuesto diferirán notablemente de las de los materiales componentes. Se han propuesto límites de tamaño para estos efectos:

1. nm para actividad catalítica
2. ■20 nm para hacer un material magnético duro suave
3. ■50 nm para cambios de índice refractivo
4. 100 nm para lograr superparamagnetismo, fortalecimiento mecánico o restricción del movimiento de dislocación de matriz

Los nanocompuestos se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, en la estructura de la concha y el hueso de abulón. El uso de materiales ricos en nanopartículas es muy anterior a la comprensión de la naturaleza física y química de estos materiales. Jose-Yacaman et al. investigaron el origen de la profundidad del color y la resistencia a los ácidos y la biocorrosión de la pintura azul maya, atribuyéndolo a un mecanismo de nanopartículas. Desde mediados de la década de 1950, las arcillas orgánicas a escala nanométrica se han utilizado para controlar el flujo de soluciones de polímeros (por ejemplo, como viscosificadores de pinturas) o la constitución de geles (por ejemplo, como sustancia espesante en cosméticos, manteniendo las preparaciones en forma homogénea). En la década de 1970, los compuestos de polímero y arcilla eran el tema de los libros de texto, aunque el término "nanocompuestos" no era de uso común.

En términos mecánicos, los nanocompuestos difieren de los materiales compuestos convencionales debido a la relación superficie-volumen excepcionalmente alta de la fase de refuerzo y/o su relación de aspecto excepcionalmente alta. El material de refuerzo puede estar formado por partículas (p. ej. minerales), láminas (p. ej. pilas de arcilla exfoliada) o fibras (p. ej. nanotubos de carbono o fibras electrohiladas). El área de la interfaz entre la matriz y la(s) fase(s) de refuerzo es típicamente un orden de magnitud mayor que para los materiales compuestos convencionales. Las propiedades del material de la matriz se ven significativamente afectadas en la proximidad del refuerzo. Ajayan et al. señalan que con los nanocompuestos poliméricos, las propiedades relacionadas con la química local, el grado de curado termoendurecible, la movilidad de la cadena polimérica, la conformación de la cadena polimérica, el grado de ordenamiento de la cadena polimérica o la cristalinidad pueden variar significativamente y de manera continua desde la interfaz con el refuerzo hasta la masa de la matriz.

Esta gran cantidad de área superficial de refuerzo significa que una cantidad relativamente pequeña de refuerzo a escala nanométrica puede tener un efecto observable en las propiedades a escala macroscópica del compuesto. Por ejemplo, la adición de nanotubos de carbono mejora la conductividad eléctrica y térmica. Otros tipos de nanopartículas pueden dar como resultado propiedades ópticas mejoradas, propiedades dieléctricas, resistencia al calor o propiedades mecánicas como rigidez, fuerza y resistencia al desgaste y al daño. En general, el nanorefuerzo se dispersa en la matriz durante el procesamiento. El porcentaje en peso (llamado fracción de masa) de las nanopartículas introducidas puede permanecer muy bajo (del orden del 0,5% al 5%) debido al bajo umbral de percolación del relleno, especialmente para los rellenos no esféricos de alta relación de aspecto más comúnmente utilizados (por ejemplo, plaquetas de espesor nanométrico, como arcillas, o cilindros de diámetro nanométrico, como nanotubos de carbono). La orientación y disposición de las nanopartículas asimétricas, la falta de correspondencia de las propiedades térmicas en la interfaz, la densidad de la interfaz por unidad de volumen del nanocompuesto y la polidispersión de las nanopartículas afectan significativamente la conductividad térmica efectiva de los nanocompuestos.

Los compuestos de matriz cerámica (CMC) están formados por fibras cerámicas embebidas en una matriz cerámica. La matriz y las fibras pueden estar formadas por cualquier material cerámico, incluido el carbono y las fibras de carbono. El material cerámico que ocupa la mayor parte del volumen suele pertenecer al grupo de los óxidos, como nitruros, boruros y siliciuros, mientras que el segundo componente suele ser un metal. Lo ideal es que ambos componentes estén finamente dispersos entre sí para obtener propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas específicas, así como propiedades tribológicas, de resistencia a la corrosión y otras propiedades protectoras.

El diagrama binario de fases de la mezcla debe tenerse en cuenta al diseñar nanocompuestos cerámicos y metálicos y deben tomarse medidas para evitar una reacción química entre ambos componentes. El último punto es de importancia principalmente para el componente metálico que puede reaccionar fácilmente con la cerámica y, por lo tanto, perder su carácter metálico. Esta no es una restricción fácil de cumplir porque la preparación del componente cerámico generalmente requiere altas temperaturas de proceso. Por lo tanto, la medida más segura es elegir cuidadosamente las fases metálicas y cerámicas inmiscibles. Un buen ejemplo de tal combinación está representado por el compuesto cerámico-metálico de TiO2 y Cu, cuyas mezclas se encontraron inmiscibles en grandes áreas en el triángulo de Gibbs de θ Cu-O-Ti.

El concepto de nanocompuestos de matriz cerámica también se aplicó a películas delgadas que son capas sólidas de unos pocos nm a algunas decenas de μm de espesor depositadas sobre un sustrato subyacente y que desempeñan un papel importante en la funcionalización de superficies técnicas. La pulverización catódica por flujo de gas mediante la técnica de cátodo hueco resultó ser una técnica bastante eficaz para la preparación de capas de nanocompuestos. El proceso funciona como una técnica de deposición basada en vacío y está asociado con altas velocidades de deposición de hasta algunos μm/s y el crecimiento de nanopartículas en la fase gaseosa. Se prepararon capas de nanocompuestos en el rango de composición cerámica a partir de TiO2 y Cu mediante la técnica de cátodo hueco que mostró una alta dureza mecánica, pequeños coeficientes de fricción y una alta resistencia a la corrosión.

Los nanocompuestos de matriz metálica también pueden definirse como compuestos de matriz metálica reforzada. Este tipo de compuestos se pueden clasificar como materiales reforzados continuos y no continuos. Uno de los nanocompuestos más importantes es el compuesto de matriz metálica de nanotubos de carbono, que es un nuevo material emergente que se está desarrollando para aprovechar la alta resistencia a la tracción y la conductividad eléctrica de los materiales de nanotubos de carbono. Para la realización de CNT-MMC con propiedades óptimas en estas áreas es fundamental el desarrollo de técnicas sintéticas que sean (a) económicamente producibles, (b) proporcionen una dispersión homogénea de nanotubos en la matriz metálica y (c) conduzcan a una fuerte adhesión interfacial entre la matriz metálica y los nanotubos de carbono. Además de los compuestos de matriz metálica de nanotubos de carbono, los compuestos de matriz metálica reforzados con nitruro de boro y los compuestos de matriz metálica de nitruro de carbono son las nuevas áreas de investigación en nanocompuestos de matriz metálica.

Un estudio reciente, en el que se comparan las propiedades mecánicas (módulo de Young, resistencia a la fluencia por compresión, módulo de flexión y resistencia a la fluencia por flexión) de nanocompuestos poliméricos reforzados de pared simple y múltiple (fumarato de polipropileno, PPF) con nanocompuestos PPF reforzados con nanotubos de disulfuro de tungsteno, sugiere que los nanocompuestos PPF reforzados con nanotubos de disulfuro de tungsteno poseen propiedades mecánicas significativamente superiores y que los nanotubos de disulfuro de tungsteno son mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. Los aumentos en las propiedades mecánicas se pueden atribuir a una dispersión uniforme de nanotubos inorgánicos en la matriz polimérica (en comparación con los nanotubos de carbono que existen como agregados de tamaño micrométrico) y a una mayor densidad de reticulación del polímero en presencia de nanotubos de disulfuro de tungsteno (el aumento de la densidad de reticulación conduce a un aumento de las propiedades mecánicas). Estos resultados sugieren que los nanomateriales inorgánicos, en general, pueden ser mejores agentes de refuerzo en comparación con los nanotubos de carbono.

Otro tipo de nanocompuesto es el nanocompuesto energético, generalmente un híbrido sol-gel con una base de sílice, que, al combinarse con óxidos metálicos y polvo de aluminio a escala nanométrica, puede formar materiales de supertermita.

En el caso más simple, la adición adecuada de nanopartículas a una matriz de polímero puede mejorar su rendimiento, a menudo de forma espectacular, simplemente aprovechando la naturaleza y las propiedades del relleno a escala nanométrica (estos materiales se describen mejor con el término compuestos de polímeros nanocargados). Esta estrategia es particularmente eficaz para producir compuestos de alto rendimiento, cuando se logra una dispersión uniforme del relleno y las propiedades del relleno a escala nanométrica son sustancialmente diferentes o mejores que las de la matriz. La uniformidad de la dispersión en todos los nanocompuestos se ve contrarrestada por la separación de fases impulsada termodinámicamente. La agrupación de rellenos a escala nanométrica produce agregados que actúan como defectos estructurales y dan lugar a fallos. Ensamblaje capa por capa (LbL) cuando se añaden capas a escala nanométrica de nanopartículas y polímeros una por una. Los compuestos LbL muestran parámetros de rendimiento entre 10 y 1000 veces mejores que los nanocompuestos tradicionales fabricados por extrusión o mezcla por lotes.

Las nanopartículas como el grafeno, los nanotubos de carbono, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno se están utilizando como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente resistentes para aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos. La adición de estas nanopartículas en la matriz polimérica en concentraciones bajas (~0,2 % en peso) provoca mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. Potencialmente, estos nanocompuestos se pueden utilizar como un nuevo compuesto ligero y mecánicamente resistente como implantes óseos. Los resultados sugieren que el refuerzo mecánico depende de la morfología de la nanoestructura, los defectos, la dispersión de los nanomateriales en la matriz polimérica y la densidad de reticulación del polímero. En general, las nanoestructuras bidimensionales pueden reforzar el polímero mejor que las nanoestructuras unidimensionales, y los nanomateriales inorgánicos son mejores agentes de refuerzo que los nanomateriales basados en carbono. Además de las propiedades mecánicas, los nanocompuestos poliméricos basados en nanotubos de carbono o grafeno se han utilizado para mejorar una amplia gama de propiedades, dando lugar a materiales funcionales para una amplia gama de aplicaciones de alto valor añadido en campos como la conversión y el almacenamiento de energía, la detección y la ingeniería de tejidos biomédicos. Por ejemplo, los nanocompuestos poliméricos basados en nanotubos de carbono de paredes múltiples se han utilizado para mejorar la conductividad eléctrica.

Una vía alternativa para la síntesis de nanocompuestos es la síntesis por infiltración secuencial, en la que los nanomateriales inorgánicos se cultivan dentro de sustratos poliméricos utilizando precursores en fase de vapor que se difunden en la matriz.

La dispersión a escala nanométrica de relleno o de nanoestructuras controladas en el material compuesto puede introducir nuevas propiedades físicas y comportamientos novedosos que no existen en las matrices sin relleno. Esto cambia efectivamente la naturaleza de la matriz original (estos materiales compuestos pueden describirse mejor con el término nanocompuestos genuinos o híbridos). Algunos ejemplos de estas nuevas propiedades son la resistencia al fuego o la capacidad ignífuga y la biodegradabilidad acelerada.

Se utiliza una variedad de nanocompuestos poliméricos para aplicaciones biomédicas, como ingeniería de tejidos, administración de fármacos y terapias celulares. Debido a las interacciones únicas entre el polímero y las nanopartículas, se puede diseñar una variedad de combinaciones de propiedades para imitar la estructura y las propiedades de los tejidos nativos. Se utiliza una variedad de polímeros naturales y sintéticos para diseñar nanocompuestos poliméricos para aplicaciones biomédicas, incluidos almidón, celulosa, alginato, quitosano, colágeno, gelatina y fibrina, alcohol polivinílico (PVA), polietilenglicol (PEG), policaprolactona (PCL), ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA) y polisebacato de glicerol (PGS). Se incorpora una variedad de nanopartículas, incluidos nanomateriales cerámicos, poliméricos, de óxido metálico y basados en carbono, dentro de la red polimérica para obtener las combinaciones de propiedades deseadas.

Los nanocompuestos que pueden responder a un estímulo externo son de mayor interés debido al hecho de que, debido a la gran cantidad de interacción entre las interfaces de fase, la respuesta al estímulo puede tener un efecto mayor en el compuesto en su conjunto. El estímulo externo puede adoptar muchas formas, como un campo magnético, eléctrico o mecánico. En concreto, los nanocompuestos magnéticos son útiles para su uso en estas aplicaciones debido a la naturaleza de la capacidad del material magnético para responder tanto a estímulos eléctricos como magnéticos. La profundidad de penetración de un campo magnético también es alta, lo que conduce a un aumento del área afectada por el nanocompuesto y, por tanto, a una mayor respuesta. Para responder a un campo magnético, una matriz se puede cargar fácilmente con nanopartículas o nanobarras. Las diferentes morfologías de los materiales nanocompuestos magnéticos son amplias, incluidas las nanopartículas dispersas en la matriz, las nanopartículas de núcleo-capa, los cristales coloidales, las esferas a macroescala o las nanoestructuras de tipo Janus.

Los nanocompuestos magnéticos se pueden utilizar en una gran cantidad de aplicaciones, incluidas las catalíticas, médicas y técnicas. Por ejemplo, el paladio es un metal de transición común que se utiliza en reacciones de catálisis. Los complejos de paladio soportados por nanopartículas magnéticas se pueden utilizar en catálisis para aumentar la eficiencia del paladio en la reacción.

Los nanocompuestos magnéticos también se pueden utilizar en el campo médico, con nanobarras magnéticas incrustadas en una matriz de polímero que pueden ayudar a una administración y liberación más precisa de los fármacos. Por último, los nanocompuestos magnéticos se pueden utilizar en aplicaciones de alta frecuencia y alta temperatura. Por ejemplo, se pueden fabricar estructuras multicapa para su uso en aplicaciones electrónicas. Una muestra multicapa de óxido de Fe/Fe electrodepositado puede ser un ejemplo de esta aplicación de los nanocompuestos magnéticos.

En aplicaciones como los microinductores de potencia, donde se desea una alta permeabilidad magnética a altas frecuencias de funcionamiento, los materiales tradicionales de núcleo magnético microfabricados presentan una disminución de la permeabilidad y altas pérdidas a altas frecuencias de funcionamiento. En este caso, los nanocompuestos magnéticos tienen un gran potencial para mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos de potencia al proporcionar una permeabilidad relativamente alta y bajas pérdidas. Por ejemplo, las nanopartículas de óxido de hierro incrustadas en una matriz de níquel nos permiten mitigar esas pérdidas a alta frecuencia. Las nanopartículas de óxido de hierro de alta resistencia ayudan a reducir las pérdidas por corrientes parásitas, mientras que el metal de níquel ayuda a lograr una alta permeabilidad. Las propiedades magnéticas de CC, como la magnetización de saturación, se encuentran entre cada una de sus partes constituyentes, lo que indica que las propiedades físicas de los materiales se pueden alterar mediante la creación de estos nanocompuestos.

En los últimos años se han diseñado nanocompuestos que resistan altas temperaturas mediante la adición de puntos de carbono (CD) en la matriz polimérica. Estos nanocompuestos se pueden utilizar en entornos en los que la resistencia a altas temperaturas es un criterio primordial.

• Materiales híbridos
• Aquamelt

• Kumar, S. K.; Krishnamoorti, R. (2010). "Nanocomposites: Estructura, Comportamiento de Fase y Propiedades". Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 1: 37–58. doi:10.1146/annurev-chembioeng-073009-100856. PMID 22432572.