Nanoquímica

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La nanoquímica es una subdisciplina emergente de las ciencias químicas y de los materiales que se ocupa del desarrollo de nuevos métodos para crear materiales a escala nanométrica. El término "nanoquímica" fue utilizado por primera vez por Ozin en 1992 como "los usos de la síntesis química para producir nanomateriales de manera reproducible desde el átomo "hacia arriba", al contrario del enfoque de la nanoingeniería y la nanofísica que opera desde el volumen "hacia abajo". La nanoquímica se centra en la química del estado sólido que enfatiza la síntesis de bloques de construcción que dependen del tamaño, la superficie, la forma y las propiedades de los defectos, en lugar de la producción real de materia. Las propiedades atómicas y moleculares se ocupan principalmente de los grados de libertad de los átomos en la tabla periódica. Sin embargo, la nanoquímica introdujo otros grados de libertad que controlan los comportamientos de los materiales mediante la transformación en soluciones. Los objetos a escala nanométrica exhiben propiedades materiales novedosas, en gran medida como consecuencia de su pequeño tamaño finito. Varias modificaciones químicas en estructuras a escala nanométrica confirman efectos dependientes del tamaño.

Selenium Nanoparticles

La nanoquímica se utiliza en las ciencias químicas, físicas y de los materiales, así como en aplicaciones de ingeniería, biológicas y médicas. El sílice, el oro, el polidimetilsiloxano, el seleniuro de cadmio, el óxido de hierro y el carbono son materiales que muestran su poder transformador. La nanoquímica puede fabricar el agente de contraste más eficaz para la resonancia magnética a partir del óxido de hierro (óxido), que puede detectar cánceres y eliminarlos en sus etapas iniciales. El sílice (vidrio) se puede utilizar para doblar o detener las luces. Los países en desarrollo también utilizan silicona para fabricar circuitos para los fluidos utilizados en la detección de patógenos. La síntesis de nanoconstrucciones conduce al autoensamblaje de los bloques de construcción en estructuras funcionales que pueden ser útiles para problemas electrónicos, fotónicos, médicos o bioanalíticos. Los métodos nanoquímicos se pueden utilizar para crear nanomateriales de carbono, como nanotubos de carbono, grafeno y fulerenos, que han ganado atención en los últimos años debido a sus notables propiedades mecánicas y eléctricas.

Historia

Uno de los primeros informes científicos son las partículas de oro coloidal sintetizadas por Michael Faraday en 1857. A principios de la década de 1940, las nanopartículas de sílice precipitada y pirogénica se fabricaban y vendían en Estados Unidos y Alemania como sustitutos del negro de carbono ultrafino para refuerzos de caucho.

Aplicaciones

Medicina

Detección de imágenes de resonancia magnética (MDR)

En las últimas dos décadas, el uso de nanopartículas de óxido de hierro para uso biomédico ha aumentado drásticamente, en gran medida debido a su capacidad para generar imágenes no invasivas, dirigir y desencadenar la liberación de fármacos o terapias contra el cáncer. Las células madre o inmunitarias podrían marcarse con nanopartículas de óxido de hierro para detectarlas mediante imágenes por resonancia magnética (MDR). Sin embargo, la concentración de nanopartículas de óxido de hierro debe ser lo suficientemente alta como para permitir una detección significativa mediante MDR. Debido a la comprensión limitada de la naturaleza fisicoquímica de las nanopartículas de óxido de hierro en los sistemas biológicos, se necesita más investigación para garantizar que las nanopartículas se puedan controlar en determinadas condiciones para uso médico sin que supongan un daño para los seres humanos.

Entrega de drogas

Los nuevos métodos de administración de fármacos que implican métodos nanotecnológicos pueden resultar útiles al mejorar la respuesta corporal, la orientación específica y el metabolismo no tóxico. Muchos métodos y materiales nanotecnológicos pueden funcionalizarse para la administración de fármacos. Los materiales ideales emplean un nanomaterial de activación controlada para transportar una carga de fármaco al cuerpo. Las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) han aumentado en popularidad en la investigación debido a su gran área de superficie y flexibilidad para diversas modificaciones individuales, manteniendo al mismo tiempo un rendimiento de alta resolución bajo técnicas de imagen. Los métodos de activación varían enormemente entre las moléculas de administración de fármacos a nanoescala, pero el método de activación más comúnmente utilizado utiliza longitudes de onda de luz específicas para liberar la carga. La liberación de carga controlada por nanoválvulas utiliza luz de baja intensidad y calentamiento plasmónico para liberar la carga en una variación de MSN que contiene moléculas de oro. El fototransductor activado por dos fotones (2-NPT) utiliza longitudes de onda de luz de infrarrojo cercano para inducir la ruptura de un enlace disulfuro para liberar la carga. Recientemente, los nanodiamantes han demostrado tener potencial en la administración de fármacos debido a su falta de toxicidad, su absorción espontánea a través de la piel y su capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica.

La estructura única de los nanotubos de carbono también da lugar a muchas invenciones innovadoras de nuevos métodos médicos. A medida que se fabrican más medicamentos a escala nanométrica para revolucionar las formas en que los seres humanos detectan y tratan enfermedades, los nanotubos de carbono se convierten en un candidato más fuerte para nuevos métodos de detección y estrategias terapéuticas. En particular, los nanotubos de carbono se pueden transformar en biomoléculas sofisticadas y permitir su detección a través de cambios en los espectros de fluorescencia de los nanotubos de carbono. Además, los nanotubos de carbono se pueden diseñar para que coincidan con el tamaño de un fármaco pequeño y sean endocitados por una célula diana, convirtiéndose así en un agente de administración.

Ingeniería de tejidos

Las células son muy sensibles a las características nanotopográficas, por lo que la optimización de las superficies en la ingeniería de tejidos ha impulsado la implantación. En condiciones apropiadas, se utiliza un andamio tridimensional cuidadosamente elaborado para dirigir las semillas celulares hacia el crecimiento de órganos artificiales. El andamio tridimensional incorpora varios factores a escala nanométrica que controlan el entorno para una funcionalidad óptima y apropiada. El andamio es un análogo de la matriz extracelular in vivo in vitro, lo que permite un crecimiento exitoso de órganos artificiales al proporcionar los factores biológicos complejos necesarios in vitro.

Heridos curación

En el caso de las abrasiones y las heridas, la nanoquímica ha demostrado tener aplicaciones para mejorar el proceso de curación. El electrohilado es un método de polimerización que se utiliza biológicamente en la ingeniería de tejidos, pero que también se puede utilizar para la curación de heridas y la administración de fármacos. Esto produce nanofibras que estimulan la proliferación celular y tienen propiedades antibacterianas en un entorno controlado. Estas propiedades aparecen macroscópicamente, sin embargo, las versiones a nanoescala pueden mostrar una mayor eficiencia debido a las características nanotopográficas. Las interfaces dirigidas entre las nanofibras y las heridas tienen interacciones de área superficial más altas y son ventajosas in vivo. Hay evidencia de que ciertas nanopartículas de plata son útiles para inhibir algunos virus y bacterias.

Cosméticos

nanopartículas de óxido de zinc
nanopartículas de dióxido de titanio

Los materiales que se utilizan en ciertos cosméticos, como las cremas solares, las cremas hidratantes y los desodorantes, pueden tener beneficios potenciales gracias al uso de la nanoquímica. Los fabricantes están trabajando para aumentar la eficacia de varios cosméticos facilitando la nanoemulsión de aceite. Estas partículas han ampliado los límites en el tratamiento de las arrugas, la deshidratación y la falta de elasticidad de la piel asociadas con el envejecimiento. En los protectores solares, las nanopartículas de dióxido de titanio y óxido de zinc han demostrado ser filtros UV eficaces, pero también pueden penetrar a través de la piel. Estas sustancias químicas protegen la piel contra la luz UV dañina al absorber o reflejar la luz y evitan que la piel retenga todo el daño mediante la fotoexcitación de los electrones en la nanopartícula.

Electrics

Composiciones nanowire

Los científicos han ideado una gran cantidad de composiciones de nanocables con longitud, diámetro, dopaje y estructura de superficie controlados mediante el uso de estrategias de fase de vapor y solución. Estos monocristales orientados se están utilizando en dispositivos de nanocables semiconductores como diodos, transistores, circuitos lógicos, láseres y sensores. Dado que los nanocables tienen una estructura unidimensional, es decir, una gran relación superficie-volumen, la resistencia a la difusión disminuye. Además, su eficiencia en el transporte de electrones, que se debe al efecto de confinamiento cuántico, hace que sus propiedades eléctricas se vean influenciadas por pequeñas perturbaciones. Por lo tanto, el uso de estos nanocables en elementos nanosensores aumenta la sensibilidad en la respuesta de los electrodos. Como se mencionó anteriormente, la unidimensionalidad y la flexibilidad química de los nanocables semiconductores los hacen aplicables en nanoláseres. Peidong Yang y sus colaboradores han realizado algunas investigaciones sobre los nanocables ultravioleta a temperatura ambiente utilizados en nanoláseres. Han llegado a la conclusión de que el uso de nanoláseres de longitud de onda corta tiene aplicaciones en diferentes campos, como la computación óptica, el almacenamiento de información y el microanálisis.

Catalisis

Nanoenzymes (o nanozymes)

El pequeño tamaño de las nanoenzimas (o nanozimas) (1–100 nm) les ha proporcionado propiedades ópticas, magnéticas, electrónicas y catalíticas únicas. Además, el control de la funcionalidad superficial de las nanopartículas y la nanoestructura predecible de estas enzimas de pequeño tamaño les han permitido crear una estructura compleja en su superficie que puede satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas.

Áreas de investigación

Nanodiamonds

Síntesis

Las nanopartículas fluorescentes son muy solicitadas. Tienen amplias aplicaciones, pero su uso en matrices macroscópicas les permite ser eficientes en aplicaciones de plasmónica, fotónica y comunicaciones cuánticas. Si bien existen muchos métodos para ensamblar matrices de nanopartículas, especialmente nanopartículas de oro, tienden a estar débilmente unidas a su sustrato, por lo que no se pueden usar para pasos de procesamiento de química húmeda o litografía. Los nanodiamantes permiten una mayor variabilidad en el acceso que posteriormente se puede usar para acoplar guías de ondas plasmónicas para realizar circuitos plasmónicos cuánticos.

nanodiamantes fluorescentes que rodean células hela vivas

Los nanodiamantes se pueden sintetizar empleando semillas carbonosas a escala nanométrica creadas en un solo paso mediante una técnica de posición inducida por haz de electrones sin máscara para agregar grupos amina. Esto ensambla los nanodiamantes en una matriz. La presencia de enlaces colgantes en la superficie del nanodiamante permite que se los funcionalice con una variedad de ligandos. Las superficies de estos nanodiamantes están terminadas con grupos de ácido carboxílico, lo que permite su unión a superficies terminadas en amina a través de la química de acoplamiento de carbodiimida. Este proceso ofrece un alto rendimiento que se basa en la unión covalente entre los grupos funcionales amina y carboxilo en superficies de carbono amorfo y nanodiamantes en presencia de EDC. Por lo tanto, a diferencia de las nanopartículas de oro, pueden soportar el procesamiento y el tratamiento para muchas aplicaciones de dispositivos.

Fluorescente (bocación de nitrógeno)

Las propiedades fluorescentes de los nanodiamantes surgen de la presencia de centros de nitrógeno-vacante (NV), átomos de nitrógeno próximos a una vacante. El nanodiamante fluorescente (FND) se inventó en 2005 y desde entonces se ha utilizado en varios campos de estudio. La invención recibió una patente estadounidense en 2008. Estados7326837 B2 Estados Unidos 7326837 B2, Chau-Chung Han; Huan-Cheng Chang & Shen-Chung Lee et al., "Aplicaciones clínicas de partículas de diamante cristalino", emitido el 5 de febrero de 2008, asignado a Academia Sinica, Taipei (TW) , y una patente posterior en 2012 Estados8168413 B2 Estados Unidos 8168413 B2, Huan-Cheng Chang; Wunshian Fann & Chau-Chung Han, "Luminescent Diamond Particles", expedido el 1 de mayo de 2012, asignado a Academia Sinica, Taipei (TW) . Los centros NV se pueden crear irradiando nanodiamantes con partículas de alta energía (electrones, protones, iones de helio), seguido de recocido al vacío a 600–800 °C. La irradiación forma vacunas en la estructura del diamante mientras que el recocido al vacío migra estas vacantes, que quedarán atrapadas por los átomos de nitrógeno dentro del nanodiamante. Este proceso produce dos tipos de centros NV. Se forman dos tipos de centros NV: neutros (NV0) y cargados negativamente (NV–), y estos tienen diferentes espectros de emisión. El centro NV– es de particular interés porque tiene un estado fundamental de espín S = 1 que se puede polarizar por espín mediante bombeo óptico y manipular utilizando resonancia paramagnética electrónica. Los nanodiamantes fluorescentes combinan las ventajas de los puntos cuánticos semiconductores (tamaño pequeño, alta fotoestabilidad, fluorescencia multicolor brillante) con biocompatibilidad, no toxicidad y rica química de superficie, lo que significa que tienen el potencial de revolucionar las aplicaciones de imágenes en vivo.

Entrega de drogas y compatibilidad biológica

Los nanodiamantes pueden autoensamblarse y una amplia gama de moléculas pequeñas, proteínas, anticuerpos, terapias y ácidos nucleicos pueden unirse a su superficie, lo que permite la administración de fármacos, la imitación de proteínas y los implantes quirúrgicos. Otras posibles aplicaciones biomédicas son el uso de nanodiamantes como soporte para la síntesis de péptidos en fase sólida y como sorbentes para la desintoxicación y separación, y nanodiamantes fluorescentes para la obtención de imágenes biomédicas. Los nanodiamantes son capaces de biocompatibilidad, la capacidad de transportar una amplia gama de terapias, dispersabilidad en agua y escalabilidad, y el potencial para terapias dirigidas, todas propiedades necesarias para una plataforma de administración de fármacos. El pequeño tamaño, el núcleo estable, la rica química de la superficie, la capacidad de autoensamblarse y la baja citotoxicidad de los nanodiamantes han llevado a sugerir que podrían usarse para imitar proteínas globulares. Los nanodiamantes se han estudiado principalmente como posibles agentes terapéuticos inyectables para la administración generalizada de fármacos, pero también se ha demostrado que las películas de compuestos de nanodiamantes de parileno se pueden utilizar para la liberación localizada y sostenida de fármacos durante períodos que van desde dos días hasta un mes.

Nanolithography

La nanolitografía es una técnica que permite modelar materiales y construir dispositivos a escala nanométrica. La nanolitografía suele emplearse junto con técnicas de deposición de películas delgadas, autoensamblaje y autoorganización para diversos fines de nanofabricación. Muchas aplicaciones prácticas hacen uso de la nanolitografía, incluidos los chips semiconductores en las computadoras. Existen muchos tipos de nanolitografía, entre los que se incluyen:

  • Fotolitografía
  • Litografía electron-beam
  • Litografía de rayos X
  • Litografía ultravioleta extrema
  • nanolitografía de acoplamiento ligero
  • Microscopio de sonda
  • Litografía de Nanoimprint
  • Dip-Pen nanolithography
  • Litografía blanda

Cada técnica de nanolitografía tiene diferentes factores de resolución, tiempo de uso y costo. Existen tres métodos básicos que se utilizan en la nanolitografía. Uno de ellos implica el uso de un material de protección que actúa como una "máscara", conocido como fotorresistencia, para cubrir y proteger las áreas de la superficie que se pretende que sean lisas. Las partes descubiertas se pueden eliminar mediante grabado, y el material protector actúa como una plantilla. El segundo método implica el tallado directo del patrón deseado. El grabado puede implicar el uso de un haz de partículas cuánticas, como electrones o luz, o métodos químicos como la oxidación o las monocapas autoensambladas. El tercer método coloca el patrón deseado directamente sobre la superficie, produciendo un producto final que es, en última instancia, unos pocos nanómetros más grueso que la superficie original. Para visualizar la superficie que se va a fabricar, la superficie debe visualizarse mediante un microscopio de nanoresolución, que incluye el microscopio de sonda de barrido y el microscopio de fuerza atómica. Ambos microscopios también pueden utilizarse para procesar el producto final.

Fotoresistente negativo
Fotoresistencia positiva

Photoresists

Las fotorresistencias son materiales sensibles a la luz, compuestos por un polímero, un sensibilizador y un disolvente. Cada elemento tiene una función particular. El polímero cambia su estructura cuando se expone a la radiación. El disolvente permite que la fotorresistencia se hile y forme capas finas sobre la superficie de la oblea. Por último, el sensibilizador, o inhibidor, controla la reacción fotoquímica en la fase del polímero.

Las fotorresistencias se pueden clasificar como positivas o negativas. En las fotorresistencias positivas, la reacción fotoquímica que ocurre durante la exposición debilita el polímero, haciéndolo más soluble para el revelador, de modo que se logra el patrón positivo. Por lo tanto, las máscaras contienen una copia exacta del patrón, que debe permanecer en la oblea, como una plantilla para el procesamiento posterior. En el caso de las fotorresistencias negativas, la exposición a la luz provoca la polimerización de la fotorresistencia, de modo que la resistencia negativa permanece en la superficie del sustrato donde está expuesta, y la solución reveladora elimina solo las áreas no expuestas. Las máscaras utilizadas para las fotorresistencias negativas contienen el “negativo” inverso o fotográfico del patrón que se va a transferir. Tanto las fotorresistencias negativas como las positivas tienen sus propias ventajas. Las ventajas de las fotorresistencias negativas son una buena adhesión al silicio, un menor costo y un tiempo de procesamiento más corto. Las ventajas de las fotorresistencias positivas son una mejor resolución y estabilidad térmica.

Grupos de tamaño nanométrico

Los cúmulos monodispersos de tamaño nanométrico (también conocidos como nanocúmulos) son cristales cultivados sintéticamente cuyo tamaño y estructura influyen en sus propiedades a través de los efectos del confinamiento cuántico. Un método para cultivar estos cristales es a través de jaulas micelares inversas en disolventes no acuosos. La investigación realizada sobre las propiedades ópticas de los nanocúmulos de MoS2 los comparó con sus contrapartes de cristal a granel y analizó sus espectros de absorbancia. El análisis revela que la dependencia del tamaño del espectro de absorbancia de los cristales a granel es continua, mientras que el espectro de absorbancia de los nanocúmulos adquiere niveles de energía discretos. Esto indica un cambio de comportamiento de tipo sólido a tipo molecular que ocurre en un cúmulo informado del tamaño de 4,5 a 3,0 nm.

El interés por las propiedades magnéticas de los nanocúmulos existe debido a su posible uso en grabación magnética, fluidos magnéticos, imanes permanentes y catálisis. El análisis de los cúmulos de Fe muestra un comportamiento coherente con el comportamiento ferromagnético o superparamagnético debido a las fuertes interacciones magnéticas dentro de los cúmulos.

Las propiedades dieléctricas de los nanocúmulos también son un tema de interés debido a sus posibles aplicaciones en catálisis, fotocatálisis, microcondensadores, microelectrónica y óptica no lineal.

Nanothermodynamics

La idea de la nanotermodinámica fue propuesta inicialmente por T. L. Hill en 1960, al teorizar las diferencias entre las formas diferenciales e integrales de las propiedades debido a los tamaños pequeños. El tamaño, la forma y el entorno de una nanopartícula afectan la ley de potencia, o su proporcionalidad, entre las propiedades nano y macroscópicas. La transición de macro a nano cambia la proporcionalidad de exponencial a exponencial. Por lo tanto, la nanotermodinámica y la teoría de la mecánica estadística están relacionadas conceptualmente.

Investigadores destacados

Hay varios investigadores en nanoquímica a los que se les atribuye el desarrollo de este campo. Geoffrey A. Ozin, de la Universidad de Toronto, es conocido como uno de los "padres fundadores de la nanoquímica" debido a sus cuatro décadas y media de investigación en este tema. Esta investigación incluye el estudio de la espectroscopia láser Raman de aislamiento de matriz, la química y fotoquímica de los cúmulos metálicos desnudos, los materiales nanoporosos, los nanomateriales híbridos, los materiales mesoscópicos y los nanocables inorgánicos ultrafinos.

Otro químico que también es considerado uno de los pioneros de la nanoquímica es Charles M. Lieber, de la Universidad de Harvard. Es conocido por sus contribuciones al desarrollo de tecnologías a escala nanométrica, en particular en el campo de la biología y la medicina. Las tecnologías incluyen nanocables, una nueva clase de materiales cuasi unidimensionales que han demostrado propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas superiores y que pueden utilizarse potencialmente como sensores biológicos. La investigación bajo la dirección de Lieber ha profundizado en el uso de nanocables para mapear la actividad cerebral.

Shimon Weiss, profesor de la Universidad de California en Los Ángeles, es conocido por sus investigaciones sobre nanocristales semiconductores fluorescentes, una subclase de puntos cuánticos, para el etiquetado biológico.

Paul Alivisatos, de la Universidad de California, Berkeley, también es conocido por su investigación sobre la fabricación y el uso de nanocristales. Esta investigación tiene el potencial de desarrollar conocimientos sobre los mecanismos de las partículas de pequeña escala, como el proceso de nucleación, intercambio de cationes y ramificación. Una aplicación notable de estos cristales es el desarrollo de puntos cuánticos.

Peidong Yang, otro investigador de la Universidad de California, Berkeley, también es conocido por sus contribuciones al desarrollo de nanoestructuras unidimensionales. El grupo de Yang tiene proyectos de investigación activos en las áreas de fotónica de nanocables, células solares basadas en nanocables, nanocables para la conversión de energía solar en combustible, termoelectricidad de nanocables, interfaz nanocables-célula, catálisis de nanocristales, nanofluídica de nanotubos y plasmónica.

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Libros seleccionados

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  • Brechignac C., Houdy P., Lahmani M. (Eds.) Nanomateriales y Nanoquímica 748p. ISBN 978-3-540-72993-8
  • H. Watarai, N. Teramae, T. Sawada Nanoquímica Interfacial: Ciencia e Ingeniería Molecular en Interfaces Líquidas (Nanostructure Science and Technology) 2005. 321p. ISBN 978-0-387-27541-3
  • Ozin G., Arsenault A.C., Cademartiri L. Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials 2nd Eds. (Royal Society of Chemistry, 2008) 820p. ISBN 978-1847558954
  • Kenneth J. Klabunde; Ryan M. Richards, eds. (2009). Materiales de Nanoscale en Química (2a edición). Wiley. ISBN 978-0-470-22270-6.
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