Nanopartícula

Una nanopartícula o partícula ultrafina generalmente se define como una partícula de materia que tiene entre 1 y 100 nanómetros (nm) de diámetro. El término se usa a veces para partículas más grandes, hasta 500 nm, o fibras y tubos que tienen menos de 100 nm en solo dos direcciones. En el rango más bajo, las partículas de metal de menos de 1 nm generalmente se denominan grupos de átomos.

Las nanopartículas generalmente se distinguen de las micropartículas (1-1000 µm), las "partículas finas" (de un tamaño entre 100 y 2500 nm) y las "partículas gruesas" (de 2500 a 10 000 nm), porque su tamaño más pequeño genera efectos físicos o químicos muy diferentes. propiedades, como propiedades coloidales y efectos ópticos ultrarrápidos o propiedades eléctricas.

Al estar más sujetas al movimiento browniano, no suelen sedimentar, como las partículas coloidales que, por el contrario, se suele entender que oscilan entre 1 y 1000 nm.

Al ser mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz visible (400-700 nm), las nanopartículas no se pueden ver con microscopios ópticos ordinarios, lo que requiere el uso de microscopios electrónicos o microscopios con láser. Por la misma razón, las dispersiones de nanopartículas en medios transparentes pueden ser transparentes, mientras que las suspensiones de partículas más grandes suelen dispersar parte o toda la luz visible que incide sobre ellas. Las nanopartículas también pasan fácilmente a través de filtros comunes, como las velas de cerámica comunes, por lo que la separación de los líquidos requiere técnicas especiales de nanofiltración.

Las propiedades de las nanopartículas a menudo difieren notablemente de las de las partículas más grandes de la misma sustancia. Dado que el diámetro típico de un átomo está entre 0,15 y 0,6 nm, una gran fracción del material de la nanopartícula se encuentra dentro de unos pocos diámetros atómicos de su superficie. Por lo tanto, las propiedades de esa capa superficial pueden dominar las del material a granel. Este efecto es particularmente fuerte para nanopartículas dispersas en un medio de diferente composición ya que las interacciones entre los dos materiales en su interfase también se vuelven significativas.

Las nanopartículas se encuentran ampliamente en la naturaleza y son objeto de estudio en muchas ciencias como la química, la física, la geología y la biología. Al estar en la transición entre los materiales a granel y las estructuras atómicas o moleculares, a menudo exhiben fenómenos que no se observan en ninguna de las escalas. Son un componente importante de la contaminación atmosférica e ingredientes clave en muchos productos industrializados como pinturas, plásticos, metales, cerámica y productos magnéticos. La producción de nanopartículas con propiedades específicas es una rama de la nanotecnología.

En general, el pequeño tamaño de las nanopartículas conduce a una menor concentración de defectos puntuales en comparación con sus contrapartes a granel, pero admiten una variedad de dislocaciones que se pueden visualizar con microscopios electrónicos de alta resolución. Sin embargo, las nanopartículas exhiben diferentes mecanismos de dislocación que, junto con sus estructuras de superficie únicas, dan como resultado propiedades mecánicas que son diferentes del material a granel.

Las nanopartículas no esféricas (p. ej., prismas, cubos, varillas, etc.) exhiben propiedades (anisotropía) que dependen de la forma y del tamaño (tanto químicas como físicas). Las nanopartículas no esféricas de oro (Au), plata (Ag) y platino (Pt) debido a sus fascinantes propiedades ópticas están encontrando diversas aplicaciones. Las geometrías no esféricas de los nanoprismas dan lugar a secciones eficaces altas y colores más profundos de las soluciones coloidales.La posibilidad de cambiar las longitudes de onda de resonancia ajustando la geometría de las partículas permite utilizarlas en los campos del etiquetado molecular, ensayos biomoleculares, detección de trazas de metales o aplicaciones nanotécnicas. Las nanopartículas anisotrópicas muestran un comportamiento de absorción específico y una orientación estocástica de partículas bajo luz no polarizada, mostrando un modo de resonancia distinto para cada eje excitable. Esta propiedad se explica por el hecho de que cada día se realizan nuevos desarrollos en el campo de la síntesis de estas nanopartículas para prepararlas con alto rendimiento.

Definiciones

IUPAC

En su terminología propuesta de 2012 para polímeros biológicamente relacionados, la IUPAC definió una nanopartícula como "una partícula de cualquier forma con dimensiones en el rango de 1 × 10 y 1 × 10 m". Esta definición evolucionó a partir de una dada por la IUPAC en 1997.

En otra publicación de 2012, la IUPAC amplía el plazo para incluir tubos y fibras con solo dos dimensiones por debajo de 100 nm.

YO ASI

De acuerdo con la especificación técnica 80004 de la Organización Internacional de Normalización (ISO), una nanopartícula es un objeto con las tres dimensiones externas en la nanoescala, cuyos ejes más largo y más corto no difieren significativamente, siendo una diferencia significativa típicamente un factor de al menos 3.

Uso común

Por lo general, se entiende que "nanoescala" es el rango de 1 a 100 nm porque las nuevas propiedades que diferencian las partículas del material a granel se desarrollan típicamente en ese rango de tamaños.

Para algunas propiedades, como transparencia o turbidez, ultrafiltración, dispersión estable, etc., se observan cambios sustanciales característicos de las nanopartículas para partículas de hasta 500 nm. Por lo tanto, el término a veces se extiende a ese rango de tamaño.

Conceptos relacionados

Los nanoclusters son aglomerados de nanopartículas con al menos una dimensión entre 1 y 10 nanómetros y una distribución de tamaño estrecha. Los nanopolvos son aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclusters. Los cristales individuales de tamaño nanométrico, o partículas ultrafinas de un solo dominio, a menudo se denominan nanocristales.

Los términos coloide y nanopartícula no son intercambiables. Un coloide es una mezcla que tiene partículas de una fase dispersas o suspendidas dentro de otra fase. El término se aplica solo si las partículas son más grandes que las dimensiones atómicas pero lo suficientemente pequeñas como para exhibir un movimiento browniano, con un rango de tamaño crítico (o diámetro de partícula) que generalmente oscila entre nanómetros (10 m) y micrómetros (10 m). Los coloides pueden contener partículas demasiado grandes para ser nanopartículas, y las nanopartículas pueden existir en forma no coloidal, por ejemplo, como polvo o en una matriz sólida.

Historia

Ocurrencia natural

Las nanopartículas son producidas naturalmente por muchos procesos cosmológicos, geológicos, meteorológicos y biológicos. Una fracción significativa (en número, si no en masa) del polvo interplanetario, que todavía cae sobre la Tierra a razón de miles de toneladas por año, se encuentra en el rango de las nanopartículas; y lo mismo ocurre con las partículas de polvo atmosférico. Muchos virus tienen diámetros en el rango de las nanopartículas.

Tecnología preindustrial

Las nanopartículas fueron utilizadas por artesanos desde la prehistoria, aunque sin conocimiento de su naturaleza. Fueron utilizados por vidrieros y alfareros en la Antigüedad Clásica, como lo ejemplifica la copa romana Lycurgus de vidrio dicroico (siglo IV EC) y la cerámica lustreware de Mesopotamia (siglo IX EC). Este último se caracteriza por nanopartículas de plata y cobre dispersas en el esmalte vítreo.

Siglo 19

Michael Faraday proporcionó la primera descripción, en términos científicos, de las propiedades ópticas de los metales a escala nanométrica en su artículo clásico de 1857. En un artículo posterior, el autor (Turner) señala que: "Es bien sabido que cuando se montan hojas delgadas de oro o plata sobre vidrio y se calientan a una temperatura muy por debajo del calor rojo (~500 °C), tiene lugar un notable cambio de propiedades, por el cual se destruye la continuidad de la película metálica. El resultado es que ahora la luz blanca se transmite libremente, la reflexión disminuye correspondientemente, mientras que la resistividad eléctrica aumenta enormemente".

Siglo 20

Durante las décadas de 1970 y 1980, cuando se estaban realizando los primeros estudios fundamentales exhaustivos con nanopartículas en los Estados Unidos (por Granqvist y Buhrman) y Japón (dentro de un Proyecto ERATO), los investigadores utilizaron el término partículas ultrafinas. Sin embargo, durante la década de 1990, antes de que se lanzara la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los Estados Unidos, el término nanopartícula se había vuelto más común (por ejemplo, vea el mismo artículo del autor principal 20 años después que aborda el mismo tema, distribución lognormal de tamaños).

Morfología y estructura

Las nanopartículas se presentan en una gran variedad de formas, a las que se les ha dado muchos nombres informales como nanoesferas, nanovarillas, nanocadenas, nanoestrellas, nanoflores, nanoarrecifes, nanobigotes, nanofibras y nanocajas.

Las formas de las nanopartículas pueden estar determinadas por el hábito cristalino intrínseco del material o por la influencia del entorno que rodea su creación, como la inhibición del crecimiento cristalino en ciertas caras por aditivos de recubrimiento, la forma de las gotitas de emulsión y las micelas en el preparación precursora, o la forma de los poros en una matriz sólida circundante. Algunas aplicaciones de nanopartículas pueden requerir formas específicas, así como tamaños o rangos de tamaño específicos.

Las partículas amorfas suelen adoptar una forma esférica (debido a su isotropía microestructural).

El estudio de las partículas finas se llama microméritos.

Variaciones

Se han producido nanopartículas semisólidas y blandas. Una nanopartícula prototipo de naturaleza semisólida es el liposoma. Varios tipos de nanopartículas de liposomas se utilizan actualmente clínicamente como sistemas de administración de fármacos y vacunas contra el cáncer.

La descomposición de biopolímeros en sus bloques de construcción a nanoescala se considera una ruta potencial para producir nanopartículas con biocompatibilidad y biodegradabilidad mejoradas. El ejemplo más común es la producción de nanocelulosa a partir de pulpa de madera. Otros ejemplos son la nanolignina, la nanquitina o los nanoalmidones.

Las nanopartículas con una mitad hidrofílica y la otra mitad hidrofóbica se denominan partículas Janus y son particularmente efectivas para estabilizar emulsiones. Pueden autoensamblarse en interfaces agua/petróleo y actuar como estabilizadores Pickering.

Las nanopartículas de hidrogel hechas de núcleo de hidrogel de N-isopropilacrilamida se pueden teñir internamente con cebos de afinidad. Estos cebos de afinidad permiten que las nanopartículas aíslen y eliminen proteínas indeseables mientras mejoran los analitos objetivo.

Nucleación

Impacto de la nucleación

La nucleación sienta las bases para la síntesis de nanopartículas. Los núcleos iniciales juegan un papel vital en el tamaño y la forma de las nanopartículas que finalmente se formarán al actuar como núcleos de plantilla para la propia nanopartícula. La estabilidad a largo plazo también está determinada por los procedimientos de nucleación inicial. La nucleación homogénea ocurre cuando los núcleos se forman uniformemente a lo largo de la fase original y es menos común. La nucleación heterogénea, sin embargo, se forma en áreas tales como superficies de contenedores, impurezas y otros defectos. Los cristales pueden formarse simultáneamente si la nucleación es rápida, creando un producto más monodisperso. Sin embargo, las tasas de nucleación lentas pueden causar la formación de una población polidispersa de cristales con varios tamaños. El control de la nucleación permite controlar el tamaño, la dispersión y la fase de las nanopartículas.

El proceso de nucleación y crecimiento dentro de las nanopartículas se puede describir mediante la nucleación por explosión, la maduración de Ostwald o el modelo de autocatálisis del mecanismo de dos pasos.

Nucleación de ráfaga

La teoría original de la nucleación en la síntesis de nanopartículas creía que los cambios en el tamaño de las partículas podían describirse solo mediante la nucleación por explosión. Hay tres porciones en el mecanismo LaMer: 1. Rápido aumento en la concentración de monómeros libres en solución, 2. Explosión de nucleación del monómero caracterizada por crecimiento explosivo de partículas, 3. Crecimiento de partículas controlado por difusión del monómero. Este modelo describe que el crecimiento en el núcleo es espontáneo pero limitado por la difusión del precursor a la superficie del núcleo. El mecanismo de LaMer por sí solo no explica ciertas cinéticas y termodinámicas de la nucleación, como la formación de sol de oro.

Maduración de Ostwald

La maduración de Ostwald es un proceso que normalmente se evita en la síntesis de nanopartículas, ya que se sabe que tiene un impacto negativo en la funcionalidad de las nanopartículas. En este proceso, las partículas grandes crecen a expensas de las partículas más pequeñas debido a la difusión de las moléculas de la fase dispersa a través de la fase continua.

Mecanismo de dos pasos: modelo de autocatálisis

En años posteriores, Watzky y Finke introdujeron otra teoría de la nucleación en nanopartículas. Esta teoría sugería que la nucleación lenta y constante se produce lejos de la sobresaturación, seguida de un crecimiento autocatalítico en el que se determina en gran medida la dispersión de las nanopartículas. Descubierto por Watzky y Finke, este modelo proporciona una base mecánica más firme para el diseño de nanopartículas con un enfoque en el control del tamaño, la forma y la dispersión.

Modelado de nucleación en nanopartículas

El trabajo reciente ha comenzado a analizar el modelado de las primeras etapas de la nucleación, así como las tasas asociadas con la nucleación a través del modelado computacional multiescala. Esto incluye la exploración de un modelo mejorado de ecuación de velocidad cinética, así como estudios de función de densidad utilizando el modelo de cristal de campo de fase.

Medición de la tasa de nucleación

La teoría clásica de la nucleación explica que la tasa de nucleación corresponderá a la fuerza impulsora. Un método para medir la tasa de nucleación es a través del método del tiempo de inducción. Este proceso utiliza la naturaleza estocástica de la nucleación y determina la tasa de nucleación mediante el análisis del tiempo entre la sobresaturación constante y el momento en que se detectan los cristales por primera vez. Otro método incluye el modelo de distribución de probabilidad, análogo a los métodos utilizados para estudiar líquidos sobreenfriados, donde se deriva la probabilidad de encontrar al menos un núcleo en un momento dado.

Propiedades

Las propiedades de un material en forma de nanopartículas son inusualmente diferentes de las del material a granel, incluso cuando se divide en partículas de tamaño micrométrico. Muchos de ellos surgen del confinamiento espacial de partículas subatómicas (es decir, electrones, protones, fotones) y campos eléctricos alrededor de estas partículas. La gran relación superficie/volumen también es un factor importante a esta escala.

Propiedades de control

Las propiedades de una nanopartícula están fuertemente influenciadas por las etapas iniciales de nucleación del proceso de síntesis. La nucleación, por ejemplo, es vital para el tamaño de la nanopartícula. Se debe cumplir un radio crítico en las etapas iniciales de formación sólida, o las partículas se volverán a disolver en la fase líquida. La forma final de una nanopartícula también está controlada por la nucleación. Las posibles morfologías finales creadas por la nucleación pueden incluir partículas esféricas, cúbicas, con forma de aguja, con forma de gusano y más. La nucleación se puede controlar predominantemente por el tiempo y la temperatura, así como por la sobresaturación de la fase líquida y el entorno de la síntesis en general.

Las propiedades de un material en forma de nanopartículas son inusualmente diferentes de las del material a granel, incluso cuando se divide en partículas de tamaño micrométrico. Muchos de ellos surgen del confinamiento espacial de partículas subatómicas (es decir, electrones, protones, fotones) y campos eléctricos alrededor de estas partículas. La gran relación superficie/volumen también es un factor importante a esta escala.

Gran relación área/volumen

Se espera que los materiales a granel (>100 nm de tamaño) tengan propiedades físicas constantes (como conductividad térmica y eléctrica, rigidez, densidad y viscosidad) independientemente de su tamaño, sin embargo, para las nanopartículas, esto es diferente: el volumen de la la capa superficial (de unos pocos diámetros atómicos de ancho) se convierte en una fracción significativa del volumen de la partícula; mientras que esa fracción es insignificante para partículas con un diámetro de un micrómetro o más. En otras palabras, la relación área superficial/volumen impacta en ciertas propiedades de las nanopartículas de manera más prominente que en las partículas a granel.

Capa interfacial

Para las nanopartículas dispersas en un medio de diferente composición, la capa interfacial, formada por iones y moléculas del medio que se encuentran dentro de unos pocos diámetros atómicos de la superficie de cada partícula, puede enmascarar o cambiar sus propiedades químicas y físicas. De hecho, esa capa se puede considerar una parte integral de cada nanopartícula.

Afinidad del solvente

Las suspensiones de nanopartículas son posibles ya que la interacción de la superficie de la partícula con el solvente es lo suficientemente fuerte como para superar las diferencias de densidad, que de lo contrario generalmente dan como resultado que el material se hunda o flote en un líquido.

Recubrimientos

Las nanopartículas a menudo desarrollan o reciben recubrimientos de otras sustancias, distintas tanto del material de la partícula como del medio circundante. Incluso cuando solo tienen una molécula de espesor, estos recubrimientos pueden cambiar radicalmente las propiedades de las partículas, como la reactividad química, la actividad catalítica y la estabilidad en suspensión.

Difusión a través de la superficie

El área de superficie alta de un material en forma de nanopartículas permite que el calor, las moléculas y los iones se difundan hacia adentro o hacia afuera de las partículas a velocidades muy altas. El pequeño diámetro de partícula, por otro lado, permite que todo el material alcance un equilibrio homogéneo con respecto a la difusión en muy poco tiempo. Por lo tanto, muchos procesos que dependen de la difusión, como la sinterización, pueden tener lugar a temperaturas más bajas y en escalas de tiempo más cortas que inducen la catálisis.

Efectos ferromagnéticos y ferroeléctricos

El pequeño tamaño de las nanopartículas afecta sus propiedades magnéticas y eléctricas. Los materiales ferromagnéticos en el rango de los micrómetros son un buen ejemplo: ampliamente utilizados en medios magnéticos de registro, por la estabilidad de su estado de magnetización, aquellas partículas menores de 10 nm son inestables y pueden cambiar de estado (flip) como resultado de la energía térmica a temperaturas ordinarias, haciéndolos inadecuados para esa aplicación.

Propiedades mecánicas

La concentración reducida de vacantes en los nanocristales puede afectar negativamente el movimiento de las dislocaciones, ya que el ascenso de las dislocaciones requiere la migración de las vacantes. Además, existe una presión interna muy alta debido a la tensión superficial presente en pequeñas nanopartículas con radios de curvatura elevados. Esto provoca una deformación de la red que es inversamente proporcional al tamaño de la partícula, también conocido por impedir el movimiento de dislocación, de la misma manera que lo hace en el endurecimiento por trabajo de los materiales. Por ejemplo, las nanopartículas de oro son significativamente más duras que el material a granel.Además, la alta relación superficie-volumen en las nanopartículas hace que sea más probable que las dislocaciones interactúen con la superficie de la partícula. En particular, esto afecta la naturaleza de la fuente de dislocaciones y permite que las dislocaciones escapen de la partícula antes de que puedan multiplicarse, reduciendo la densidad de dislocaciones y, por lo tanto, la extensión de la deformación plástica.

Existen desafíos únicos asociados con la medición de propiedades mecánicas en la nanoescala, ya que no se pueden emplear medios convencionales como la máquina de prueba universal. Como resultado, se han desarrollado nuevas técnicas, como la nanoindentación, que complementan los métodos existentes de microscopía electrónica y sonda de exploración. La microscopía de fuerza atómica (AFM) se puede utilizar para realizar nanoindentación para medir la dureza, el módulo elástico y la adhesión entre la nanopartícula y el sustrato. La deformación de las partículas se puede medir mediante la desviación de la punta en voladizo sobre la muestra. Las curvas de fuerza-desplazamiento resultantes se pueden utilizar para calcular el módulo elástico. Sin embargo, no está claro si el tamaño de las partículas y la profundidad de la muesca afectan el módulo de elasticidad medido de las nanopartículas por AFM.

Las fuerzas de adhesión y fricción son consideraciones importantes en la nanofabricación, la lubricación, el diseño de dispositivos, la estabilización coloidal y la administración de fármacos. La fuerza capilar es el principal contribuyente a la fuerza adhesiva en condiciones ambientales. La fuerza de adherencia y fricción se puede obtener a partir de la desviación del voladizo si la punta del AFM se considera como una nanopartícula. Sin embargo, este método está limitado por el material de la punta y la forma geométrica. La técnica de la sonda coloidal supera estos problemas al unir una nanopartícula a la punta del AFM, lo que permite controlar el tamaño, la forma y el material. Si bien la técnica de la sonda coloidal es un método eficaz para medir la fuerza de adhesión, sigue siendo difícil unir una sola nanopartícula de menos de 1 micra en el sensor de fuerza AFM.

Otra técnica es TEM in situ, que proporciona imágenes de alta resolución en tiempo real de la respuesta de la nanoestructura a un estímulo. Por ejemplo, se utilizó un soporte de sonda de fuerza in situ en TEM para comprimir nanopartículas gemelas y caracterizar el límite elástico. En general, la medición de las propiedades mecánicas de las nanopartículas está influenciada por muchos factores, incluida la dispersión uniforme de las nanopartículas, la aplicación precisa de la carga, la deformación mínima de las partículas, la calibración y el modelo de cálculo.

Al igual que los materiales a granel, las propiedades de las nanopartículas dependen de los materiales. Para las nanopartículas poliméricas esféricas, la temperatura de transición vítrea y la cristalinidad pueden afectar la deformación y cambiar el módulo elástico en comparación con el material a granel. Sin embargo, el comportamiento dependiente del tamaño de los módulos elásticos no se pudo generalizar entre los polímeros. En cuanto a las nanopartículas metálicas cristalinas, se descubrió que las dislocaciones influyen en las propiedades mecánicas de las nanopartículas, lo que contradice la opinión convencional de que las dislocaciones están ausentes en las nanopartículas cristalinas.

Depresión del punto de fusión

Un material puede tener un punto de fusión más bajo en forma de nanopartículas que en forma masiva. Por ejemplo, las nanopartículas de oro de 2,5 nm se funden a unos 300 °C, mientras que el oro a granel se funde a 1064 °C.

Efectos de la mecánica cuántica

Los efectos de la mecánica cuántica se vuelven perceptibles para los objetos a nanoescala. Incluyen confinamiento cuántico en partículas semiconductoras, plasmones superficiales localizados en algunas partículas metálicas y superparamagnetismo en materiales magnéticos. Los puntos cuánticos son nanopartículas de material semiconductor que son lo suficientemente pequeñas (típicamente por debajo de 10 nm o menos) para tener niveles de energía electrónica cuantificados.

Los efectos cuánticos son responsables del color rojo intenso a negro de los nanopolvos y las suspensiones de nanopartículas de oro o silicio. La absorción de la radiación solar es mucho mayor en materiales compuestos por nanopartículas que en películas delgadas de láminas continuas de material. Tanto en aplicaciones solares fotovoltaicas como solares térmicas, al controlar el tamaño, la forma y el material de las partículas, es posible controlar la absorción solar.

Las nanopartículas de núcleo y cubierta pueden admitir simultáneamente resonancias eléctricas y magnéticas, lo que demuestra propiedades completamente nuevas en comparación con las nanopartículas metálicas desnudas si las resonancias se diseñan adecuadamente. La formación de la estructura de núcleo y cubierta a partir de dos metales diferentes permite un intercambio de energía entre el núcleo y la cubierta, que normalmente se encuentra en nanopartículas de conversión ascendente y nanopartículas de conversión descendente, y provoca un cambio en el espectro de longitud de onda de emisión.

Al introducir una capa dieléctrica, las nanopartículas plasmónicas de núcleo (metal)-carcasa (dieléctrica) mejoran la absorción de luz al aumentar la dispersión. Recientemente, la nanopartícula de capa dieléctrica con núcleo de metal ha demostrado una dispersión hacia atrás cero con una dispersión hacia adelante mejorada en un sustrato de silicio cuando el plasmón superficial se encuentra frente a una celda solar.

Embalaje normal

Las nanopartículas de tamaño suficientemente uniforme pueden asentarse espontáneamente en arreglos regulares, formando un cristal coloidal. Estos arreglos pueden exhibir propiedades físicas originales, como las observadas en los cristales fotónicos.

Producción

Las nanopartículas artificiales se pueden crear a partir de cualquier material sólido o líquido, incluidos metales, dieléctricos y semiconductores. Pueden ser internamente homogéneos o heterogéneos, por ejemplo, con una estructura Core-shell.

Existen varios métodos para crear nanopartículas, incluida la condensación de gases, el desgaste, la precipitación química, la implantación de iones, la pirólisis y la síntesis y biosíntesis hidrotermales.

Mecánico

Las partículas sólidas friables a macro o microescala se pueden moler en un molino de bolas, un molino de bolas planetario u otro mecanismo de reducción de tamaño hasta que una cantidad suficiente esté en el rango de tamaño a nanoescala. El polvo resultante se puede clasificar por aire para extraer las nanopartículas.

Desglose de biopolímeros

Los biopolímeros como la celulosa, la lignina, la quitina o el almidón se pueden descomponer en sus bloques de construcción individuales a nanoescala, obteniendo nanopartículas anisotrópicas similares a fibras o agujas. Los biopolímeros se desintegran mecánicamente en combinación con oxidación química o tratamiento enzimático para promover la ruptura, o se hidrolizan con ácido.

Pirólisis

Otro método para crear nanopartículas es convertir una sustancia precursora adecuada, como un gas (p. ej., metano) o un aerosol, en partículas sólidas mediante combustión o pirólisis. Esta es una generalización de la quema de hidrocarburos u otros vapores orgánicos para generar hollín.

La pirólisis tradicional a menudo da como resultado agregados y aglomerados en lugar de partículas primarias individuales. Este inconveniente se puede evitar mediante la pirólisis por pulverización con boquilla ultrasónica, en la que el líquido precursor se fuerza a través de un orificio a alta presión.

Condensación del plasma

Se pueden crear nanopartículas de materiales refractarios, como sílice y otros óxidos, carburos y nitruros, vaporizando el sólido con un plasma térmico, que puede alcanzar temperaturas de 10 000 kelvin, y luego condensando el vapor por expansión o enfriamiento rápido en un gas adecuado. o líquido. El plasma se puede producir por inducción de chorro de CC, arco eléctrico o radiofrecuencia (RF). Los alambres de metal se pueden vaporizar mediante el método de explosión de alambre.

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 posibles fuentes de contaminación y permitiendo el funcionamiento de dichos sopletes de plasma con una amplia gama de gases, incluidas atmósferas inertes, reductoras, oxidantes y otras corrosivas. La frecuencia de trabajo suele estar entre 200 kHz y 40 MHz. Las unidades de laboratorio funcionan a niveles de potencia del orden de 30 a 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 el tamaño de las gotitas sea lo suficientemente pequeño para obtener una evaporación completa.

Condensación de gas inerte

La condensación de gas inerte se utiliza con frecuencia para producir nanopartículas metálicas. El metal se evapora en una cámara de vacío que contiene una atmósfera reducida de un gas inerte. La condensación del vapor de metal supersaturado da como resultado la creación de partículas de tamaño nanométrico, que pueden arrastrarse en la corriente de gas inerte y depositarse en un sustrato o estudiarse in situ. Los primeros estudios se basaron en la evaporación térmica. El uso de la pulverización catódica con magnetrón para crear el vapor de metal permite lograr mayores rendimientos. El método se puede generalizar fácilmente a nanopartículas de aleación eligiendo objetivos metálicos apropiados. El uso de esquemas de crecimiento secuencial, donde las partículas viajan a través de un segundo vapor metálico, da como resultado el crecimiento de estructuras core-shell (CS).

Método de radiólisis

Las nanopartículas también se pueden formar usando química de radiación. La radiólisis de los rayos gamma puede crear radicales libres fuertemente activos en solución. Esta técnica relativamente simple utiliza una cantidad mínima de productos químicos. Estos incluyen agua, una sal metálica soluble, un eliminador de radicales (a menudo un alcohol secundario) y un tensioactivo (agente de protección orgánico). Altas dosis gamma del orden de 10Se requieren grises. En este proceso, los radicales reductores dejarán caer iones metálicos hasta el estado de valencia cero. Un producto químico eliminador interactuará preferentemente con los radicales oxidantes para evitar la reoxidación del metal. Una vez en el estado de valencia cero, los átomos de metal comienzan a fusionarse en partículas. Un surfactante químico rodea la partícula durante la formación y regula su crecimiento. En concentraciones suficientes, las moléculas de surfactante permanecen adheridas a la partícula. Esto evita que se disocie o forme grupos con otras partículas. La formación de nanopartículas mediante el método de radiólisis permite adaptar el tamaño y la forma de las partículas ajustando las concentraciones de precursores y la dosis gamma.

Química húmeda

Las nanopartículas de ciertos materiales se pueden crear mediante procesos químicos "húmedos", en los que se mezclan soluciones de compuestos adecuados o se tratan de otro modo para formar un precipitado insoluble del material deseado. El tamaño de las partículas de este último se ajusta eligiendo la concentración de los reactivos y la temperatura de las soluciones, y mediante la adición de agentes inertes adecuados que afectan la viscosidad y la velocidad de difusión del líquido. Con diferentes parámetros, el mismo proceso general puede generar otras estructuras a nanoescala del mismo material, como aerogeles y otras redes porosas.

Las nanopartículas formadas por este método luego se separan del solvente y los subproductos solubles de la reacción mediante una combinación de evaporación, sedimentación, centrifugación, lavado y filtración. Alternativamente, si se pretende que las partículas se depositen sobre la superficie de algún sustrato sólido, las soluciones iniciales se pueden recubrir sobre esa superficie mediante inmersión o recubrimiento por rotación, y la reacción se puede llevar a cabo en el lugar.

La suspensión de nanopartículas que resultan de este proceso es un ejemplo de coloide. Ejemplos típicos de este método son la producción de nanopartículas de óxido o hidróxido metálico por hidrólisis de alcóxidos y cloruros metálicos.

Además de ser económico y conveniente, el enfoque de la química húmeda permite un control preciso de la composición química de las partículas. Incluso pequeñas cantidades de dopantes, como tintes orgánicos y metales de tierras raras, pueden introducirse en las soluciones de reactivos y terminar dispersos uniformemente en el producto final.

Implantación de iones

La implantación de iones se puede utilizar para tratar las superficies de materiales dieléctricos como el zafiro y la sílice para fabricar compuestos con dispersiones cercanas a la superficie de nanopartículas de metal u óxido.

Funcionalización

Muchas propiedades de las nanopartículas, en particular la estabilidad, la solubilidad y la actividad química o biológica, pueden alterarse radicalmente al recubrirlas con diversas sustancias, un proceso llamado funcionalización. Los catalizadores basados ​​en nanomateriales funcionalizados se pueden utilizar para la catálisis de muchas reacciones orgánicas conocidas.

Por ejemplo, las suspensiones de partículas de grafeno se pueden estabilizar mediante funcionalización con grupos de ácido gálico.

Para aplicaciones biológicas, el recubrimiento de la superficie debe ser polar para brindar una alta solubilidad en agua y evitar la agregación de nanopartículas. En el suero o en la superficie celular, los recubrimientos altamente cargados promueven la unión no específica, mientras que el polietilenglicol unido a grupos hidroxilo o metoxi terminales repelen las interacciones no específicas.

Las nanopartículas se pueden vincular a moléculas biológicas que pueden actuar como etiquetas de dirección, dirigiéndolas a sitios específicos dentro del cuerpo, organelos específicos dentro de la célula, o haciendo que sigan específicamente el movimiento de proteínas individuales o moléculas de ARN en células vivas. Las etiquetas de dirección comunes son anticuerpos monoclonales, aptámeros, estreptavidina o péptidos. Idealmente, estos agentes de direccionamiento deberían estar unidos covalentemente a la nanopartícula y deberían estar presentes en un número controlado por nanopartícula. Las nanopartículas multivalentes, que tienen múltiples grupos objetivo, pueden agrupar receptores, lo que puede activar vías de señalización celular y brindar un anclaje más fuerte. Nanopartículas monovalentes, con un solo sitio de unión,evitan la agrupación y, por lo tanto, son preferibles para rastrear el comportamiento de proteínas individuales.

Se ha demostrado que la actividad catalítica y las tasas de sinterización de un catalizador de nanopartículas funcionalizado se correlacionan con la densidad numérica de las nanopartículas.

Los recubrimientos que imitan a los de los glóbulos rojos pueden ayudar a las nanopartículas a evadir el sistema inmunológico.

Requisitos de uniformidad

El procesamiento químico y la síntesis de componentes tecnológicos de alto rendimiento para los sectores privado, industrial y militar requiere el uso de cerámicas de alta pureza (cerámicas de óxido, como el óxido de aluminio o el óxido de cobre(II)), polímeros, vitrocerámicas, y materiales compuestos, como carburos metálicos (SiC), nitruros (nitruros de aluminio, nitruro de silicio), metales (Al, Cu), no metales (grafito, nanotubos de carbono) y laminados (Al + carbonato de aluminio, Cu + C). En cuerpos condensados ​​formados a partir de polvos finos, los tamaños y formas irregulares de las partículas en un polvo típico a menudo conducen a morfologías de empaquetamiento no uniformes que resultan en variaciones de densidad de empaquetamiento en el polvo compacto.

La aglomeración incontrolada de polvos debido a las fuerzas atractivas de van der Waals también puede dar lugar a heterogeneidad microestructural. Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado de una contracción por secado no uniforme están directamente relacionadas con la velocidad a la que se puede eliminar el disolvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad. Tales tensiones se han asociado con una transición de plástico a fragilidad en cuerpos consolidados, y pueden ceder a la propagación de grietas en el cuerpo sin cocer si no se alivian.

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento en el compacto a medida que se prepara para el horno a menudo se amplifica durante el proceso de sinterización, lo que produce una densificación no homogénea. Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con las variaciones de densidad juegan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al aumentar y, por lo tanto, limitar las densidades de punto final. También se ha demostrado que las tensiones diferenciales que surgen de la densificación no homogénea dan como resultado la propagación de grietas internas, convirtiéndose así en fallas que controlan la resistencia.

La evaporación de gas inerte y la deposición de gas inerte están libres de muchos de estos defectos debido a la naturaleza de destilación (cf. purificación) del proceso y al tiempo suficiente para formar partículas monocristalinas, sin embargo, incluso sus depósitos no agregados tienen distribución de tamaño lognormal, que es típica con nanopartículas. La razón por la cual las técnicas modernas de evaporación de gas pueden producir una distribución de tamaño relativamente estrecha es que se puede evitar la agregación. Sin embargo, incluso en este caso, los tiempos de residencia aleatorios en la zona de crecimiento, debido a la combinación de deriva y difusión, dan como resultado una distribución de tamaño que parece lognormal.

Por lo tanto, parecería deseable procesar un material de tal manera que sea físicamente uniforme con respecto a la distribución de los componentes y la porosidad, en lugar de usar distribuciones de tamaño de partículas que maximicen la densidad verde. La contención de un conjunto disperso uniformemente de partículas en suspensión que interactúan fuertemente requiere un control total sobre las fuerzas entre partículas. Las nanopartículas monodispersas y los coloides brindan este potencial.

Caracterización

Las nanopartículas tienen diferentes requisitos analíticos que los químicos convencionales, para los cuales la composición química y la concentración son métricas suficientes. Las nanopartículas tienen otras propiedades físicas que deben medirse para obtener una descripción completa, como el tamaño, la forma, las propiedades superficiales, la cristalinidad y el estado de dispersión. Además, los procedimientos de muestreo y de laboratorio pueden alterar su estado de dispersión o sesgar la distribución de otras propiedades. En contextos ambientales, un desafío adicional es que muchos métodos no pueden detectar bajas concentraciones de nanopartículas que aún pueden tener un efecto adverso. Para algunas aplicaciones, las nanopartículas se pueden caracterizar en matrices complejas como agua, suelo, alimentos, polímeros, tintas, mezclas complejas de líquidos orgánicos como en cosméticos o sangre.

Existen varias categorías generales de métodos utilizados para caracterizar las nanopartículas. Los métodos de microscopía generan imágenes de nanopartículas individuales para caracterizar su forma, tamaño y ubicación. La microscopía electrónica y la microscopía de sonda de barrido son los métodos dominantes. Debido a que las nanopartículas tienen un tamaño por debajo del límite de difracción de la luz visible, la microscopía óptica convencional no es útil. Los microscopios electrónicos se pueden acoplar a métodos espectroscópicos que pueden realizar análisis elementales. Los métodos de microscopía son destructivos y pueden ser propensos a artefactos no deseados de la preparación de la muestra o de la geometría de la punta de la sonda en el caso de la microscopía de sonda de barrido. Además, la microscopía se basa en mediciones de partículas individuales, lo que significa que se debe caracterizar un gran número de partículas individuales para estimar sus propiedades a granel.

La espectroscopia, que mide la interacción de las partículas con la radiación electromagnética en función de la longitud de onda, es útil para algunas clases de nanopartículas para caracterizar la concentración, el tamaño y la forma. La espectroscopia de rayos X, ultravioleta-visible, infrarrojo y resonancia magnética nuclear se puede utilizar con nanopartículas. Vacío. 182: 109700. 2020-12-01. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109700</ref> Los métodos de dispersión de luz que utilizan luz láser, rayos X o dispersión de neutrones se utilizan para determinar el tamaño de las partículas, y cada método es adecuado para diferentes rangos de tamaños y composiciones de partículas. Algunos métodos diversos son la electroforesis para la carga superficial, el método Brunauer-Emmett-Teller para el área superficial y la difracción de rayos X para la estructura cristalina, así como la espectrometría de masas para la masa de partículas y los contadores de partículas para el número de partículas. Las técnicas de cromatografía, centrifugación y filtración se pueden utilizar para separar nanopartículas por tamaño u otras propiedades físicas antes o durante la caracterización.

Salud y seguridad

Las nanopartículas presentan posibles peligros, tanto desde el punto de vista médico como ambiental. La mayoría de estos se deben a la alta relación superficie/volumen, que puede hacer que las partículas sean muy reactivas o catalíticas. También se cree que se agregan en las bicapas de fosfolípidos y atraviesan las membranas celulares de los organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos son relativamente desconocidas. Sin embargo, es poco probable que las partículas entren en el núcleo celular, el complejo de Golgi, el retículo endoplásmico u otros componentes celulares internos debido al tamaño de las partículas y la aglomeración intercelular. Un estudio reciente que analizó los efectos de las nanopartículas de ZnO en las células inmunitarias humanas encontró niveles variables de susceptibilidad a la citotoxicidad.Existe la preocupación de que las compañías farmacéuticas, que buscan la aprobación regulatoria para las nano-reformulaciones de medicamentos existentes, se basen en los datos de seguridad producidos durante los estudios clínicos de la versión anterior previa a la reformulación del medicamento. Esto podría dar lugar a que los organismos reguladores, como la FDA, pasen por alto nuevos efectos secundarios que son específicos de la nanorreformulación. Sin embargo, una investigación considerable ha demostrado que las nanopartículas de zinc no se absorben en el torrente sanguíneo in vivo.

También se ha expresado preocupación por los efectos en la salud de las nanopartículas respirables de ciertos procesos de combustión. Las investigaciones preclínicas han demostrado que algunas nanoarquitecturas de metales nobles inhaladas o inyectadas evitan la persistencia en los organismos. A partir de 2013, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. estaba investigando la seguridad de las siguientes nanopartículas:

• Nanotubos de carbono: los materiales de carbono tienen una amplia gama de usos, desde compuestos para uso en vehículos y equipos deportivos hasta circuitos integrados para componentes electrónicos. Las interacciones entre nanomateriales como los nanotubos de carbono y la materia orgánica natural influyen fuertemente tanto en su agregación como en su deposición, lo que afecta fuertemente su transporte, transformación y exposición en ambientes acuáticos. En investigaciones anteriores, los nanotubos de carbono exhibieron algunos impactos toxicológicos que se evaluarán en varios entornos ambientales en la investigación actual de seguridad química de la EPA. La investigación de la EPA proporcionará datos, modelos, métodos de prueba y mejores prácticas para descubrir los efectos agudos en la salud de los nanotubos de carbono e identificar métodos para predecirlos.
• Óxido de cerio: el óxido de cerio a nanoescala se utiliza en electrónica, suministros biomédicos, energía y aditivos para combustibles. Muchas aplicaciones de nanopartículas de óxido de cerio diseñadas se dispersan naturalmente en el medio ambiente, lo que aumenta el riesgo de exposición. Existe una exposición continua a las nuevas emisiones de diesel que utilizan aditivos de combustible que contienen nanopartículas de CeO ₂ y se desconocen los impactos ambientales y de salud pública de esta nueva tecnología. La investigación de seguridad química de la EPA está evaluando las implicaciones ambientales, ecológicas y de salud de los aditivos de combustible diesel habilitados por nanotecnología.
• Dióxido de titanio: el dióxido de nano titanio se usa actualmente en muchos productos. Según el tipo de partícula, se puede encontrar en protectores solares, cosméticos y pinturas y revestimientos. También se está investigando para su uso en la eliminación de contaminantes del agua potable.
• Nano plata: la nano plata se está incorporando a textiles, ropa, empaques de alimentos y otros materiales para eliminar bacterias. La EPA y la Comisión de Seguridad de Productos del Consumidor de EE. UU. están estudiando ciertos productos para ver si transfieren partículas de plata de tamaño nanométrico en escenarios del mundo real. La EPA está investigando este tema para comprender mejor con qué cantidad de nanoplata entran en contacto los niños en sus entornos.
• Hierro: Si bien el hierro a nanoescala se está investigando para muchos usos, incluidos los "fluidos inteligentes" para usos como el pulido de elementos ópticos y como un suplemento de nutrientes de hierro que se absorbe mejor, uno de sus usos actuales más destacados es eliminar la contaminación de las aguas subterráneas. Este uso, respaldado por la investigación de la EPA, se está probando en varios sitios en los Estados Unidos.

Regulación

A partir de 2016, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. había registrado condicionalmente, por un período de cuatro años, solo dos pesticidas de nanomateriales como ingredientes. La EPA diferencia los ingredientes a nanoescala de las formas que no son a nanoescala del ingrediente, pero hay pocos datos científicos sobre la posible variación en la toxicidad. Los protocolos de prueba aún deben desarrollarse.

Aplicaciones

Como la morfología más predominante de los nanomateriales utilizados en productos de consumo, las nanopartículas tienen una enorme variedad de aplicaciones reales y potenciales. La siguiente tabla resume las nanopartículas más comunes utilizadas en varios tipos de productos disponibles en los mercados globales.

La investigación científica sobre nanopartículas es intensa ya que tienen muchas aplicaciones potenciales en medicina preclínica y clínica, física, óptica y electrónica. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología de EE. UU. ofrece financiamiento gubernamental centrado en la investigación de nanopartículas. divergencia del rayo láser. Los investigadores atribuyen la reducción de la divergencia del haz a la mejora de las características dn/dT del nanocompuesto dopado con colorante orgánico-inorgánico. La composición óptima reportada por estos investigadores es 30% p/p de SiO ₂(~ 12 nm) en PMMA dopado con colorante. Las nanopartículas se están investigando como un posible sistema de administración de fármacos. Los fármacos, factores de crecimiento u otras biomoléculas se pueden conjugar con nanopartículas para ayudar a la administración dirigida. Esta entrega asistida por nanopartículas permite controles espaciales y temporales de los fármacos cargados para lograr el resultado biológico más deseable. Las nanopartículas también se estudian para posibles aplicaciones como suplementos dietéticos para el suministro de sustancias biológicamente activas, por ejemplo, elementos minerales.

Refuerzo de polímero

Las nanopartículas de arcilla, cuando se incorporan a matrices poliméricas, aumentan el refuerzo, lo que da lugar a plásticos más fuertes, verificables mediante una temperatura de transición vítrea más alta y otras pruebas de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras e imparten sus propiedades al polímero (plástico). También se han adherido nanopartículas a fibras textiles para crear prendas inteligentes y funcionales.

Sintonizador de propiedades líquidas

La inclusión de nanopartículas en un medio sólido o líquido puede cambiar sustancialmente sus propiedades mecánicas, como elasticidad, plasticidad, viscosidad, compresibilidad.

Fotocatálisis

Al ser más pequeñas que las longitudes de onda de la luz visible, las nanopartículas se pueden dispersar en medios transparentes sin afectar su transparencia en esas longitudes de onda. Esta propiedad se aprovecha en muchas aplicaciones, como la fotocatálisis.

Pavimentación de carreteras

La modificación del asfalto a través de nanopartículas se puede considerar como una técnica interesante de bajo costo en la ingeniería de pavimentos asfálticos que brinda nuevas perspectivas para hacer que los materiales asfálticos sean más duraderos.

Biomédica

Las partículas a nanoescala se utilizan en aplicaciones biomédicas como portadores de fármacos o agentes de contraste de imágenes en microscopía. Las nanopartículas anisotrópicas son un buen candidato en la detección biomolecular. Además, las nanopartículas para la administración de ácidos nucleicos ofrecen una oportunidad sin precedentes para superar algunos inconvenientes relacionados con la administración, debido a su capacidad de ajuste con diversas propiedades fisicoquímicas, pueden funcionalizarse fácilmente con cualquier tipo de biomoléculas/restos para la orientación selectiva.

Protectores solares

Las nanopartículas de dióxido de titanio imparten lo que se conoce como el efecto de autolimpieza, que otorga útiles propiedades hidrófugas y antibacterianas a las pinturas y otros productos. Se ha descubierto que las nanopartículas de óxido de zinc tienen propiedades superiores de bloqueo de los rayos UV y se usan ampliamente en la preparación de lociones de protección solar, siendo completamente fotoestables aunque tóxicas.

Recintos por área industrial

No.	Sectores industriales	Nanopartículas
1	agricultura	plata, dióxido de silicio, potasio, calcio, hierro, zinc, fósforo, boro, óxido de zinc y molibdeno
2	automotor	tungsteno, dióxido de disulfuro de silicio, arcilla, dióxido de titanio, diamante, cobre, óxido de cobalto, óxido de zinc, nitruro de boro, dióxido de circonio, tungsteno, óxido de γ-aluminio, boro, paladio, platino, óxido de cerio (IV), carnauba, óxido de aluminio, plata, carbonato de calcio y sulfonato de calcio
3	construcción	titanio, dióxidodióxido de silicio, plata, arcilla, óxido de aluminio, carbonato de calcio silicato de calcio hidratado, carbono, fosfato de aluminio óxido de cerio(IV) e hidróxido de calcio
4	productos cosméticos	plata, dióxido de titanio, oro, carbono, óxido de zinc, dióxido de silicio, arcilla, silicato de sodio, ácido kójico e hidroxiácido
5	electrónica	plata, aluminio, dióxido de silicio y paladio
6	ambiente	plata, dióxido de titanio, óxido de carbonomanganeso, arcilla, oro y selenio
7	alimento	plata, arcilla, dióxido de titanio, oro, óxido de zinc, dióxido de silicio, calcio, cobre, zinc, platino, manganeso, paladio y carbono
8	Electrodoméstico	plata, óxido de zinc, dióxido de silicio, diamante y dióxido de titanio
9	medicamento	plata, oro, hidroxiapatita, arcilla, dióxido de titanio, dióxido de silicio, dióxido de circonio, carbono, diamante, óxido de aluminio y trifluoruro de iterbio
10	petróleo	tungsteno, disulfuro de óxido de zinc, dióxido de silicio, diamante, arcilla, boro, nitruro de boro, plata, dióxido de titanio, tungsteno, óxido de γ-aluminio, carbono, disulfuro de molibdeno y óxido de γ-aluminio
11	impresión	tóner, depositado por una impresora sobre papel u otro sustrato
12	energías renovables	titanio, paladio, disulfuro de tungsteno, dióxido de silicio, arcilla, grafito, óxido de circonio (IV)-itria estabilizado, carbono, óxido de cerio (IV) dopado con gd, óxido de cobalto de níquel, óxido de níquel (II), rodio, dopado con sm -óxido de cerio(IV), titanato de estroncio y bario y plata
13	deportes y fitness	plata, dióxido de titanio, oro, arcilla y carbono
14	textil	plata, carbono, dióxido de titanio, sulfuro de cobre, arcilla, oro, tereftalato de polietileno y dióxido de silicio