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Nanopartícula

Enero 22, 2022

Una nanopartícula (nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal) es una partícula que posee las tres dimensiones menores que 100 nm. Actualmente las nanopartículas son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como biomédicos, ópticos, electrónicos, nanoquímica, o agricultura.[1]​ [2]​ [3]​[4]​[5]​Las partículas están calificadas por su diámetro.[6]​ Las partículas ultrafinas son las mismas que las nanopartículas entre 1 y 100 nanómetros en tamaño. Las partículas finas están entre los 100 y 2,500 nanómetros. Las partículas gruesas cubren un rango de entre 2,500 y 10,000 nanómetros.

MET (a, b, y c) imágenes de silica mesoporosa preparada con diámetros de: (a) 20nm, (b) 45nm, and (c) 80nm. SEM (d) imagen de (b). Los recuadros son aumentos de partículas de silica

Definición

Partículas de cualquier forma con dimensiones en el rango 1 × 10−9 and 1 × 10−7 m.

Nota 1: Modificado de las definiciones de nanopartícula y nanogel en [refs.,[7]​[8]​].

Nota 2: La base del límite de 100-nm es el hecho que las propiedades diferencias partículas del material de granel típicamente desarrollado en una escala crítica abajo de los 100nm. Nota 3: Por otros fenómenos (transparencia o turbiedad, ultrafiltración, dispersión estable, etc) que extienden el límite superior son ocasionalmente considerados.

Nota 4: Tubos y fibras con solo dos dimension abajo de 100 nm son también

. [9]​

La razón de la definición sinónima de nanopartículas y partículas ultrafinas es que durante los años 1970-80, cuando el primer estudio con “nanopartículas” estaba liderado con Estados Unidos (Por Grangvist y Buhrman)[10]​ y Japón (Con un proyecto de ERATO)[11]​ Les llamaban partículas ultrafinas. Sin embargo, durante los años 1990s antes de que se lanzara la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en los Estados Unidos, el nombre de “nanopartícula” se había puesto de moda (ver, por ejemplo, el mismo escrito del autor hablando veinte años más tarde de los tamaños de nanopartículas [12]​). Las nanopartículas pueden exhibir propiedades de tamaño que puedan diferir significativamente con aquellas observadas en partículas finas o materiales amontonados.[13]​[14]​ Aunque el tamaño de la mayor parte de las moléculas entra en los lineamientos ya mencionados, las moléculas individualmente no se les considera nanopartículas.

Los nanoclusters tienen al menos una dimensión de entre 1 y 10 nanómetros y una distribución estrecha. Los Nanopolvos[15]​ son aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclusters. Los cristales con medidas nanométricas, se les llama nanocristales.

Antecedentes

En general, las nanopartículas son consideradas un descubrimiento de la ciencia moderna, pero en realidad tienen una larga historia. Las nanopartículas fueron utilizadas por artesanos desde el siglo IX en Mesopotamia para generar un efecto resplandeciente en la cerámica.[16]​[17]​

Incluso en esos días, la cerámica de la Edad Media y el Renacimiento solían tener un brillo metálico de oro o cobre. Este lustre es causado por una capa metálica que se aplicaba a la superficie transparente de un acristalamiento. El lustre aun es visible si la capa ha resistido la oxidación atmosférica y demás desgastes.[16]​[17]​

El lustre originado por la capa misma, que contenía nanopartículas de plata y cobre dispersadas homogéneamente en la matriz vidriosa del acristalamiento cerámico. Estas nanopartículas fueron creadas por los artesanos mezclando sales de cobre y plata con óxidos y vinagre, ocre y arcilla en la superficie de la cerámica previamente acristalada. El objeto era posteriormente puesto en un horno y calentado a 600 °C en una atmósfera reductora.[17]​

En el calor, se suaviza el vidriado, provocando que los iones de cobre y plata migraran a las capas externas del objeto. En ese momento, la atmósfera reducida torna de regreso a los iones en metales, las cuales forman finalmente a las nanopartículas que dan color y efectos ópticos.[17]​

Esta técnica demostró que los antiguos artesanos tenían un conocimiento empírico sofisticado de materiales. La técnica se originó en el mundo Musulmán. Puesto que los musulmanes tenían prohibido usar oro en representaciones artísticas, encontraron una forma de crear un efecto similar sin usar oro real. Su solución fue utilizar lustre.[17]​[18]​

Michael Faraday dio la primera descripción, en términos científicos, de las propiedades ópticas de metales en escala nanométrica en su ensayo clásico de 1857. En un ensayo posterior, el autor Turner señala que: “Es bien conocido que cuando delgadas hojas de oro o plata son amontonadas en un cristal y calentadas en una temperatura que está debajo de un calor rojo (500 °C aproximadamente), un cambio notorio de las propiedades se vuelve visible, donde la continuidad de la capa metálica se destruye. El resultado es que la luz blanca es ahora libremente transmitida, siendo su reflejo correspondientemente disminuido, mientras la resistividad eléctrica aumenta enormemente."[19]​[20]​[21]​

Descubrimiento

 
Polvo de silicio.

Recientemente se ha desarrollado una nanopartícula que utiliza la luz y el calor para destruir tumores. Además es orgánica y biodegradable.

Este descubrimiento se ha realizado por investigadores del Hospital Princesa Margarita en Ontario (Canadá) y de otras instituciones también de otros países que han constituido un equipo numeroso y de diversas especialidades. Gang Zheng ha sido el coordinador general de este estudio. Los resultados se han publicado en la revista Nature Materials.[22]​

Gang Zheng explica que: “combinamos elementos que se producen de forma natural (clorofila y lípidos) para crear una nanopartícula que muestra potencial para numerosos tipos de aplicaciones basadas en la luz. Permite que pueda llenarse de fármacos para tratar el tumor al que se dirige”.

Los investigadores explican que la terapia fototérmica utiliza luz y calor para destruir los tumores. La partícula absorbe mucha luz para acumularla en los tumores. Una vez que la nanopartícula alcanza su tumor objetivo se vuelve fluorescente para indicar “misión cumplida”.

Concluye Zheng: “La seguridad sin precedentes de esta nonapartícula en el organismo es la guinda del pastel".[23]​

La novedad de este estudio es que utiliza elementos orgánicos, pues otros equipos experimentan calentando nanopartículas de oro con luz para eliminar las células tumorales.[24]​[25]​

Uniformidad

El proceso químico y síntesis de alto rendimiento para los sectores privados, industriales y militares requieren el uso de cerámicos, polímeros, cristales cerámicos y materiales compuestos de alta pureza. En cuerpos condensados formados de polvos finos, las partículas irregulares y formas en polvo normal suelen conllevar morfologías no uniformes que resultan en empaquetados de varias densidades compactas en el polvo.

La aglomeración incontrolada de polvos por fuerzas de van der Waals puede aumentar la falta de homogeneidad en la microestructura. Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado del encogimiento no-uniforme del secado están directamente relacionados al cambio con el cual el solvente puede ser removido, y dependiente de la distribución de la porosidad. Dichas tensiones se han asociado con una transición de plástico forma quebradiza consolidándose en cuerpos, y pueden llegar a una propagación quebrada en el cuerpo crudo si no se libera.[26]​[27]​[28]​

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento del horno compacto es frecuentemente amplificada durante el proceso de sinterización, dando como resultado una densidad no homogénea. Algunos poros y otros defectos estructurales asociados a la densidad han mostrado un papel fundamental en el proceso de sinterización aumentando y delimitando la densidades. Las tensiones diferenciales provenientes de densificaciones no homogéneas han demostrado resultar en la propagación de quiebres internos, convirtiéndose en la fortaleza del control de defectos.[29]​[30]​ [31]​

La evaporación y deposición de gases inertes [10]​[11]​ son libres de muchos de estos defectos por destilación (purificación) del proceso y teniendo suficiente tiempo en forma de partículas de cristal, no obstante, incluso sus depósitos no agregados tienen tamaños log-normales, lo cual es común en nanopartículas.[11]​ La razón por la cual las técnicas modernas de evaporación de gases pueden producir relativamente una distribución estrecha es que la agregación puede ser evitada.[11]​ Como sea, incluso en este caso, en tiempo aleatorios en el crecimiento de la zona, debido a su combinación de deriva y difusión, resulta en tamaño de distribución siendo lognormal.[12]​

Entonces, es deseable procesar un material en tal forma que sea físicamente uniforme con respecto a la distribución de los componentes y su porosidad, que con la distribución del tamaño de partículas que maximicen la densidad verde. El contenido de un ensamble de partículas fuertemente dispersadas interactuando y en suspensión requiere control total sobre fuerzas entre partículas. Las nanopartículas monodisperas y coloides proveen este potencial. [32]​

Los polvos monodispersado de silica, por ejemplo, puede estabilizarse suficientemente para asegurar un alto nivel de orden en el cristal coloide que resulta de la agregación. El grado de orden es limitado por el tiempo y espacio permitido para relaciones de un rango más largo para ser establecidas. Las estructuras coloidales cristalinas defectuosas son elementos básicos de la ciencia de los materiales coloidales y, entonces, proveen el primer paso en el desarrollo de una compresión más rigorosa de los mecanismos relacionados con la evolución microestructural en materiales y componentes de alto rendimiento.[33]​[34]​

Propiedades

 
1 kg de partículas de 1 mm³ tiene la misma área de superficie que 1mg de partículas de 1 nm³

Las nanopartículas son de gran interés científico, de hecho, son un puente entre los materiales a granel y las estructuras atómicas o moleculares. Un material de granel debe tener propiedades físicas constantes, sin importar su tamaño, pero en una nano escala, sus propiedades son observadas. Así, las propiedades de los materiales cambian mientras su talla se aproxima a la nano escala y conforme el porcentaje de átomos en la superficie de un material se vuelve significativa. Para los materiales de granel más largos de un micrómetro, el porcentaje de átomo en la superficie es insignificante en relación al número de átomo en el material de granel. Las propiedades interesantes y a veces inesperadas de las nanopartículas están ahí por la larga área de superficie del material, el cual domina las contribuciones hechas por los pequeños gruesos del material.

Las nanopartículas poseen frecuentemente propiedades ópticas inesperadas en tanto sean suficientemente pequeñas a confinar sus electrones y producir efectos cuánticos. [4]​ Por ejemplo, nanopartículas de oro aparecen de color rojo oscuro en solución. Las nanopartículas de oro amarillo y silicón gris son rojos. Las nanopartículas de oro ebullen en temperaturas más bajas (~300 °C para 2.5 nm) que las losas de oro (1064 °C);[35]​La absorción de radiación solar es mayor en los materiales compuestos de nanopartículas que en sus capas finas de varias capas del material. En las aplicaciones de energía solar fotovoltaica y solar termales, controlando el tamaño, forma y material de las partículas, haciendo posible el control de la absorción solar.[3]​[5]​[36]​

Otra propiedad dependiente de su tamaño es el confinamiento cuántico partículas semiconductoras, la resonancia en el plasmón superficial en algunas partículas de metales y superparamagnetismo[4]​ en materiales magnéticos. Lo cual es irónico es que los cambios en propiedades físicas no son deseables. Los materiales ferromagnéticos que son más pequeños que 10 nm pueden cambiar su dirección de magnetización usando la energía termal de la temperatura ambiente, provocando que no sean almacenables.[37]​

Las suspensiones de nanopartículas son posibles puesto que la interacción de la superficie de la partícula con el solvente es suficientemente fuerte para superar las diferencias de densidad, lo cual de otra manera resultaría en un material hundiéndose o flotando e un líquido.

El radio del volumen del área de superficie de las nanopartículas proveen una tremenda fuerza que conduce a la difusión, especialmente en temperaturas elevadas. La sinterización puede llevarse a cabo en temperaturas más bajas, en escalas de tiempos más cortos para partículas más largas. En teorías, esto no afecta la densidad del producto final, aunque dificultades con el flujo y la tendencia de las nanopartículas a aglomerarse lo complica. Por otra parte, las nanopartículas han resultado presentar propiedades adicionales a varios productos del día a día. Por ejemplo, la presencia de las nanopartículas del dióxido de titanio imparte lo que se conoce como el efecto de autolimpieza, y el tamaño siendo de un nano-rango, las partículas no pueden ser observadas. Se ha encontrado que las partículas del óxido de zinc tienen propiedades para bloquear rayos ultravioleta, comparado con su sustituto de granel. Esta es una de las razones por las cual se suele usar en la preparación de protectores solares,[38]​ y es completamente fotoestable.[39]​

Cuando se incorporan nanopartículas de arcilla en matrices de polímeros, incrementa el refuerzo, produciendo plásticos más fuertes, verificables por una temperatura de transición vítrea más alta y otros exámenes de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras, e imparten sus propiedades al polímero. Las nanopartículas se han aunado a fibras textiles par crear ropa inteligente y funcional.[40]​

Las partículas metálicas, dieléctricas y semiconductoras han sido formadas, así como estructuras híbridas (nanopartículas core-shell).[2]​ Las nanopartículas hechas de material semiconductor puede también ser etiquetado como puntos cuánticos si son suficientemente pequeños (10 nm aprox.) para que la cuantificación de la energía eléctrica ocurra. Dichas nanopartículas se utilizan en aplicaciones biomédicas como acarreadores de medicamentos y agentes de imagen.

 
Nanopartícula semiconductora(quantum dot) de sulfuro de plomo con pasivación completa por ácido oléico, oleyl e hidroxilo (tamaño~5nm)

Nanopartículas suaves y semi-sólidas se han manufacturado. Un prototipo de nanopartícula de naturaleza semi-sólida es el liposoma. Varios tipos de liposomas se usan actualmente clínicamente como sistemas de entrega para médicamente y vacunas contra el cáncer.

Nanopartículas con una mitad hidrofílica y la otra mitad homofóbica se les nombra partículas Janus y son particularmente efectivas para estabilizar emulsiones. Pueden acomodarse por sí solas en interfaces de agua/aceite y actúan como surfactantes sólidos.

Igualmente, se han identificado algunos tipos de nanopartículas con propiedades antioxidantes.[41]​

Principales tipos de nanopartículas

Cuatro son las principales clases en las que en general son clasificados los nanomateriales:

  1. Materiales de base de carbón: con formas esféricas, elipsoidales o tubulares. Sus propiedades fundamentales son su reducido peso y su mayor dureza, elasticidad y conductividad eléctrica.
  2. Materiales de base metálica: pueden ser quantum dots(puntos cuánticos o transistores de un solo electrón) o nanopartículas de oro, plata[42]​ o de metales reactivos como el dióxido de titanio, entre otras.
  3. Dendrímeros: polímeros nanométricos construidos a modo de árbol en el que las ramas crecen a partir de otras y así sucesivamente; las terminaciones de cada cadena de ramas pueden diseñarse para ejecutar funciones químicas específicas(una propiedad útil para los procesos catalíticos).
  4. Composites: combinan ciertas nanopartículas con otras o con materiales de mayor dimensión; el caso de arcillas nanoestructuradas es un ejemplo de uso extendido.

Síntesis

Hay diversos métodos para crear nanopartículas, incluyendo la atrición, pirólisis y síntesis hidrotermal. En la atrición, partículas macro- o micro-escala son molidas en un molino de bola, un molino de bola planetario, u otro mecanismo reductor de tallas. Las partículas resultantes son clasificadas por aire en un elutriador para recuperar nanopartículas. En pirólisis, un vapor precursor es forzado a través de un orificio en alta presión y quemado. El sólido resultante es clasificado de aire para recuperar partículas de óxido de los gases del producto. La pirólisis tradicional suele resultar en agregados y aglomerados, que en partículas primarias individuales. La pirolisis por boquilla ultrasónica apoya en la prevención de la formación de aglomerados.

Un plasma termal puede deliberar la energía necesaria para causar la vaporización de pequeña partículas micrométricas. Las temperaturas del plasma termal se encuentran en 10,000 K, para que el polvo sólido se evapore fácilmente. Las nanopartículas se forman al enfriarse mientras salen de la región del plasma. Los principales tipos de antorcha del plasma termal usados para producir nanopartículas son “dc plasma jet”, “arc plasma” y plasmas de inducción de radio frecuencia (RF). En los reactores de “arc plasma”, la energía necesaria para la evaporación y reacción viene de un arco eléctrico formado por el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la arena de sílice puede ser vaporizada con “arc plasma” en presión atmosférica, o delgados alambre de aluminio pueden ser vaporizados el método de explosión de alambre. La mezcla resultante de gas plasma y vapor se sílice puede ser rápidamente enfriado si se sopla con oxígeno, para asegurar la calidad del sílice ahumado producido

En la inducción RF, la energía enganchada el plasma se genera con un campo electromagnético de la bobina inductora. El gas plasma no entra en contacto con electrodos , aunque eliminando posibles fuentes de contaminación y permitiendo la operación de antorchas de plasma con un amplio rango de gases, incluyendo inertes, reductores, oxidantes y otros gases corrosivos. La frecuencia de trabajo corte a niveles de potencia de entre 200 kHz y 40 MHz. Unidades de laboratorio corren con una potencia de entre 30 y 50 kW, donde las unidades industriales a larga escala se han probado con más de 1 MW. Mientras el tiempo de residencia de la alimentación gotea en el plasma, es importante que el tamaño de las gotas sean suficientemente pequeñas para llegar a una evaporación completa. El método RF ha sido usado para sintetizar diferentes materiales de nanopartículas, por ejemplo, varias nanopartículas para cerámica como óxidos, carburos y nitratos de titanio y silicio.

Injertos de condensación de gas son frecuentemente usados para producir nanopartículas de metales con bajos puntos de ebullición. El metal es vaporizado en una cámara vacía y después enfriada con un flujo de gas inerte. El vapor del metal enfriado se condensa en nanopartículas, las cuales pueden ser arrastradas en el flujo del gas.


Sol-gel

El proceso de sol-gel es una técnica química húmeda usada ampliamente en las área de la ciencia de materiales e ingeniería cerámica. Esto métodos son usas principalmente para la fabricación de materiales (óxidos de metales) empezando de una solución química, que actúa como el precursor de una red integrara (gel) de partículas discretas o redes de polímeros.[43]​

Los precursores típicos son alcóxidos de metales y cloruros de metales, los cuales pueden pasar por hidrólisis y reacciones de policondensación para formar una red de un “sólido elástico” o una suspensión coloidal (dispersión) . un sistema compuesto de partículas discretas submicrométricas dispersados en varios grados en un fluido hospedero. La formación de un óxido de metal involucra la conexión los centros de los metales con oxo (M-O-M) o puentes (M-OH-M) de hidróxido, entonces generar metales-oxo o polímeros de hidróxidos de metales en una solución. Así, la solución cambia hacia la formación de una estructura similar a un sistema de gel difásico que contiene la fase sólida y líquida cuyas morfologías van desde partículas discretas a redes de continuos polímeros..[44]​

En caso de que la fracción de volumen de partículas de un coloide es tan bajo que una porción significativa del fluido puede necesitar ser removida inicialmente para que las propiedad del “gel” sean reconocidas. Esto se puede lograr de muchas maneras. El método más simple es dando tiempo para que ocurra la sedimentación, y después vaciar el líquido sobrante. La centrifugación también puede ser utilizada para acelerar el proceso de la separación de fases.

Quitar el líquido sobrante requiere un proceso de secado, que es comúnmente acompañado por una porción de encogimiento y densificación. El ritmo al cual el solvente pueda ser removido es determinado por la distribución de la porosidad en el gel. La microestructura final del componente será fuertemente influenciada por los cambios implementados durante esta fase del proceso. Subsecuente a esto, un tratamiento termal es casi siempre necesario para favorecer la policondensación y mejorar sus propiedades mecánicas y estabilidad estructural con la sinterización, densificación y el crecimiento del grano. Una de las diferentes ventajas de usar esta metodología es que la densificación se obtiene con temperaturas más bajas.

La solución precursora puede ser depositada en un sustrato para formar una capa de inmersión recubridora, puesta en un contenedor adecuado con la forma deseada, o usada para sintetizar polvos. El costo de producir la solución-gel es económico y la técnica de baja temperatura permiten tener un control de la composición química del producto. Incluso en pequeña cantidades de dopantes, como colorantes orgánicos y raros metales de tierra, pueden ser introducidos en la solución y terminar dispersados uniformemente en el producto final. Puede ser usado en el procesado de cerámicos y manufactura como un material de inversión, o como materia para producir cintas muy delgadas de óxidos de metales para varios propósitos. Los materiales derivados de solución-gel tienen diversas aplicaciones en optometrías, electrónica, energía, espacio, sensores, medicinas y tecnologías de separación.[45]​[46]​

Coloides

El término coloide es usado principalmente para describir un amplio rango de sólidos y/o líquidos, todas conteniendo distintas partículas de líquidos y/o sólidos que están dispersadas en varios grados en un medio líquido. El término es específico al tamaño de la partícula, las cuales son más largas que las dimensiones atómicas pero suficientemente pequeño para exhibir el movimiento browniano. Si las partículas son suficientemente largas para su conducta dinámica en cualquier periodo de tiempo en suspensión, sería gobernado por fuerzas de gravedad y sedimentación. Pero, si son suficientemente pequeños para ser coloides, entonces su movimiento irregular en suspensión pueden ser atribuidos al bombardeo colectivo de una miríada de moléculas termalmente agitadas en el medio líquido de suspensión , como se describió por Albert Einstein en su disertación. Einstein proveyó la existencia de moléculas de agua concluyendo que esta conducta errática de la partícula puede ser descrita adecuadamente usando la teoría del movimiento Browniano, con la sedimentación siendo un posible resultado a largo plazo. El rango del tamaño crítico normalmente va de (10−9 m) micrómetros (10−6 m).[47]​

Morfología

 
Nano estrellas de óxido de vanadio.

Los científicos han nombrado sus partículas por formas de la vida real que puedan representar. Nanosferas,[48]​ nanoarrecifes,[49]​ nanocajas [50]​ estas morfologías a veces surgen espontáneamente como un efecto que da direcciones en la síntesis de emulsiones de micelas o poros de alúmina anodizado, o de los patrones cristalográficos de crecimiento de los materiales.[51]​ Algunas de estas morfologías pueden servir a propósitos como nanotubos largos de carbono usados para conectar una unión eléctrica.

Las partículas sin forma generalmente adoptan una forma esférica. En el fin del rango de tamaños, las nanopartículas suelen ser llamadas racimos. Esferas, báculos, fibras y tazas son algunas de las formas que han crecido. El estudio de las partículas finas es la micrometría.

Caracterización

La caracterización de las nanopartículas es necesaria para establecer el entendimiento y control de la síntesis y aplicaciones de nanopartículas. La caracterización se lleva a cabo usando diferentes técnicas, principalmente de la ciencia de materiales. Entre las técnicas más comunes está la microscopía de electrones (TEM, SEM), fuera atómica de microscopía (AFM), dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopia de fotoelectrones de rayos x (XPS), polvo de difracción de Rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), desorción láser asistida por matriz / espectrometría de ionización de masas de tiempo de vuelo (MALDI-TOF), espectroscopia visible ultravioleta, espectrometría de retro-dispersión de Rutherford (RBS), dual interferometría polarización y de resonancia magnética nuclear (NMR).

Mientras la teoría ha sido conocida por un siglo, la tecnología para el análisis y rastreo de nanopartículas (NTA) permite el rastreo directo al movimiento Browniano; este método permite tomar la medida de nanopartículas individuales en una solución.

La mayoría de las técnicas de caracterización de estas nanopartículas son basadas en luz, pero una técnica de caracterización no óptica llamada “Tunable Resistive Pulse Sensing” (Detección de pulso sintonizable resistivo) ha sido desarrollada con el fin de medir simultáneamente el tamaño, concentración y superficie de una gran variedad de nanopartículas.[52]​

Esta técnica que aplica el Principio de Coulter, permite la cuantificación de estas tres características de cada partícula con una alta resolución.

Funcionalización

El revestimiento de la superficie de las nanopartículas es crucial para determinar sus propiedades. En particular, el revestimiento de la superficie puede regular la estabilidad, solubilidad y focalización. Un revestimiento que es polimérico o multivalente, da una buena estabilidad. Los catalizadores basados en nanomateriales funcionalizados pueden ser utilizados para la catálisis de muchas reacciones orgánicas conocidas.

El revestimiento de la superficie para aplicaciones biológicas

Para las aplicaciones biológicas, el revestimiento de la superficie debería ser polar para dar una alta solubilidad acuosa y prevenir la agregación de nanopartículas. En suero o en la superficie de la célula, recubrimientos altamente cargados promueven la unión no específica, mientras que el polietilenglicol vinculado a grupos hidroxilo o metoxi terminales repelen las interacciones no específicas.[53]​[54]​ Las nanopartículas pueden estar vinculadas a las moléculas biológicas que pueden actuar como etiquetas de direcciones, para dirigir las nanopartículas a sitios específicos dentro del cuerpo,[55]​ organelos específicos dentro de la célula,[56]​ o seguir específicamente el movimiento de proteínas o de las moléculas de ARN en las células vivas.[57]​ Etiquetas de direcciones comunes son anticuerpos monoclonales, aptámeros, estreptavidina o péptidos. Estos agentes de direccionamiento idealmente deben estar unidos covalentemente a la nanopartícula y deben estar presentes en un número controlado por nanopartículas. Las nanopartículas polivalentes, teniendo múltiples grupos de orientación, pueden agruparse los receptores, que puede activar vías de señalización celular, y dar anclaje más fuerte. Las nanopartículas monovalentes, teniendo un único sitio de unión,[58]​[59]​[60]​ evitar la agrupación y así son preferibles para el seguimiento del comportamiento de las proteínas individuales.

Los revestimientos de células rojas de la sangre pueden ayudar a las nanopartículas a evadir el sistema inmunológico.[61]​

Seguridad

Las nanopartículas presentan posibles peligros, tanto riesgos médicos como para el medio ambiente.[62]​[63]​ La mayoría de estos son debido a la alta relación de superficie con el volumen, lo que puede hacer que las partículas sean muy reactivas o catalíticas.[64]​ También son capaces de pasar a través de las membranas celulares en organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos son relativamente desconocidas.[65]​ Un reciente estudio que analiza los efectos de las nanopartículas de ZnO sobre las células inmunes humanas y se ha encontrado diferentes niveles de susceptibilidad a la citotoxicidad.[66]​ Existe la preocupación de que las empresas farmacéuticas, que buscan la aprobación regulatoria para nano-reformulaciones de los medicamentos existentes, están confiando en los datos de seguridad producidos durante los estudios clínicos de las versiones anteriores de la reformulación de la medicina. Esto podría causar que a los organismos reguladores, como la FDA, pasen por desapercibido nuevos efectos secundarios que son específicos de la nano-reformulación.[67]​

Ya sea que los cosméticos y filtros solares que contienen nanomateriales plantean riesgos para la salud, sigue siendo desconocido sus daños actualmente.[68]​ Sin embargo, una considerable investigación ha demostrado que las nanopartículas de zinc no se absorben en el torrente sanguíneo in vivo.[69]​ Se ha encontrado que las nanopartículas de diésel pueden dañar el sistema cardiovascular en un modelo de ratones.[70]​

También se ha levantado preocupación sobre los efectos en la salud de las nanopartículas respirables de determinados procesos de combustión. [71]​ A partir de 2013 la Agencia de Protección Ambiental estaba investigando la seguridad de las nanopartículas siguientes:[72]​

  • Nanotubos de Carbono: Los materiales de carbono tienen una amplia gama de usos, que van desde materiales compuestos para su uso en vehículos y material deportivo a los circuitos integrados para los componentes electrónicos. Las interacciones entre los nanomateriales como los nanotubos de carbono y materia orgánica natural, influyen fuertemente en su agregación y deposición, que afecta fuertemente su transporte, transformación, y la exposición en ambientes acuáticos. En investigaciones anteriores, los nanotubos de carbono exhiben algunos impactos toxicológicos que serán evaluados en diversos entornos ambientales en la investigación actual sobre la seguridad química de la EPA. La investigación de la EPA proporcionará datos, modelos, métodos de prueba y las mejores prácticas para descubrir los efectos agudos sobre la salud de los nanotubos de carbono e identificar métodos para predecirlos.[72]​
  • Óxido de cerio: El óxido de cerio a nanoescala se utiliza en electrónica, equipos biomédicos, la energía y los aditivos de combustible. Muchas aplicaciones de las nanopartículas de óxido de cerio en aplicación de ingeniería, naturalmente, provoca que se dispersen en el medio ambiente, lo que aumenta el riesgo de exposición. Hay una exposición continua a las nuevas emisiones de diésel que utilizan aditivos de combustible que contienen nanopartículas de CeO2, y los impactos ambientales y de salud pública de esta nueva tecnología son desconocidos. La investigación de la seguridad química de la EPA está evaluando las implicaciones, ecológicas y de salud ambiental de los aditivos de combustible diésel.[72]​
  • Titanium dioxide: Dióxido de titanio: El nano dióxido de titanio se utiliza actualmente en muchos productos. Dependiendo del tipo de partícula, puede encontrarse en los protectores solares, cosméticos, pinturas y recubrimientos. También está siendo investigado para su uso en la eliminación de contaminantes del agua potable.[72]​
  • Nano Plata: La nano plata se está incorporando a los productos textiles y otros materiales para eliminar las bacterias y el mal olor de la ropa, envases de alimentos y otros artículos donde las propiedades antimicrobianas son deseables. En colaboración con la “Consumer Product Safety Commission” de EE. UU., la EPA está estudiando determinados productos para ver si se transfieren las partículas de plata nano-tamaño en escenarios del mundo real.[72]​
  • Hierro: Aunque el hierro nano-escala está siendo investigado para muchos usos, entre ellos "fluidos inteligentes" para usos tales como la óptica de pulido y como un suplemento nutricional de hierro se absorbe mejor, uno de sus usos actuales más destacados es para eliminar la contaminación de las aguas subterráneas. Este uso, apoyado por la investigación de la EPA, se está poniendo a prueba en una serie de sitios en todo el país de EE. UU.[72]​

Implicaciones ambientales

Se ha señalado que las propiedades que se están aprovechando de las nanoestructuras y nanomateriales mencionados (por ejemplo: su superficie altamente reactiva y su habilidad de atravesar membranas) podrían significar importantes peligros en especial por su grado potencialmente elevado de toxicidad. Las implicaciones ambientales en relación con tal toxicidad y con la biodegradabilidad de las nanopartículas y los efectos de éstas en la salud de la diversidad de especies(incluyendo la humana), en el corto y en el medio plazo, son de consideración puesto que se estima que podrían interferir en las funciones vitales. La bioacumulación y persistencia de las nanopartículas a lo largo de la cadena alimentaria es también un factor a tener en cuenta.

El asunto es complejo dado que en la nanociencia hay notables vacíos de conocimiento, entre los que se identifica como más importantes:

  • (a) la insuficiente definición del punto en el que de hecho las propiedades cambian en relación con el tamaño.
  • (b) la limitada claridad acerca de esas propiedades de la nanoescala.
  • (c) el casi nulo conocimiento de las implicaciones de la interacción de las nanoestructuras con el medio natural.

Para ello es necesario determinar de modo general y particular las características de los nanomateriales en interacción con el medio natural(y consecuencias de sus posibles transformaciones). Esto es, por tanto, aspectos como: sus mecanismos de transporte o movimiento en aire, tierra y agua y su capacidad de difusión, de aglomeración, de deposición húmeda y seca, de sus propiedades gravitacionales; de su reactividad con moléculas o nanopartículas naturales(no diseñadas o nanoestructuradas) y cómo ello afecta sus características generales, incluyendo su toxicidad, o de cambios inducidos por reacciones fotocatalizadoras o inducidas por condiciones anaeróbicas.

La Royal Society suscribía en 2004 que "la evidencia sugiere que por lo menos algunas nanopartículas manufacturadas serán más tóxicas por unidad de masa que aquellas de la misma naturaleza pero de mayor dimensión. Esta toxicidad está relacionada con el área de superficie de las nanopartículas y con su reactividad química".

Tal reactividad química de la superficie de las nanopartículas es de mayor consideración ambiental, pues se piensa que las enzimas naturales presentes en el ambiente pueden cambiar las propiedades de la superficie de las nanopartículas, y convertirse en coloides. Estas nanopartículas con características coloidales podrían ser ideales para la transportación a larga distancia de material tóxico, como contaminantes hidrofóbicos y metales pesados, por ejemplo al reaccionar con moléculas mayores pero de menos movilidad, como las contenidas en fertilizantes y pesticidas.

Aplicaciones Láser

El uso de nanopartículas en tinte dopado con láser de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) los medios de ganancia del láser se demostraron en 2003 y se ha demostrado que mejoran la eficiencia de conversión y para disminuir la divergencia del haz láser. [73]​ Los investigadores atribuyen la reducción de la divergencia del haz a la mejora de dn / dt de la características del tinte dopado orgánico-inorgánico nanocompuesto. La composición óptima reportado por estos investigadores es 30% w / w de SiO2 (~ 12 nm) en PMMA tinte dopado.

Aplicaciones Médicas

Referencias

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Véase también

Enlaces externos

  • International Liposome Society
  • Assessing health risks of nanoparticles summary by GreenFacts of the European Commission SCENIHR assessment
  •   Datos: Q61231
  •   Multimedia: Nanoparticles

Enero 22, 2022
nanopartícula, nanopartícula, nanopolvo, nanoracimo, nanocristal, partícula, posee, tres, dimensiones, menores, actualmente, nanopartículas, área, intensa, investigación, científica, debido, amplia, variedad, aplicaciones, potenciales, campos, tales, como, bio. Una nanoparticula nanopolvo nanoracimo o nanocristal es una particula que posee las tres dimensiones menores que 100 nm Actualmente las nanoparticulas son un area de intensa investigacion cientifica debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en campos tales como biomedicos opticos electronicos nanoquimica o agricultura 1 2 3 4 5 Las particulas estan calificadas por su diametro 6 Las particulas ultrafinas son las mismas que las nanoparticulas entre 1 y 100 nanometros en tamano Las particulas finas estan entre los 100 y 2 500 nanometros Las particulas gruesas cubren un rango de entre 2 500 y 10 000 nanometros MET a b y c imagenes de silica mesoporosa preparada con diametros de a 20nm b 45nm and c 80nm SEM d imagen de b Los recuadros son aumentos de particulas de silica Indice 1 Definicion 2 Antecedentes 3 Descubrimiento 4 Uniformidad 5 Propiedades 6 Principales tipos de nanoparticulas 7 Sintesis 7 1 Sol gel 8 Coloides 9 Morfologia 10 Caracterizacion 11 Funcionalizacion 11 1 El revestimiento de la superficie para aplicaciones biologicas 12 Seguridad 13 Implicaciones ambientales 14 Aplicaciones Laser 15 Aplicaciones Medicas 16 Referencias 17 Vease tambien 18 Enlaces externosDefinicion EditarParticulas de cualquier forma con dimensiones en el rango 1 10 9 and 1 10 7 m Nota 1 Modificado de las definiciones de nanoparticula y nanogel en refs 7 8 Nota 2 La base del limite de 100 nm es el hecho que las propiedades diferencias particulas del material de granel tipicamente desarrollado en una escala critica abajo de los 100nm Nota 3 Por otros fenomenos transparencia o turbiedad ultrafiltracion dispersion estable etc que extienden el limite superior son ocasionalmente considerados Nota 4 Tubos y fibras con solo dos dimension abajo de 100 nm son tambien 9 La razon de la definicion sinonima de nanoparticulas y particulas ultrafinas es que durante los anos 1970 80 cuando el primer estudio con nanoparticulas estaba liderado con Estados Unidos Por Grangvist y Buhrman 10 y Japon Con un proyecto de ERATO 11 Les llamaban particulas ultrafinas Sin embargo durante los anos 1990s antes de que se lanzara la Iniciativa Nacional de Nanotecnologia en los Estados Unidos el nombre de nanoparticula se habia puesto de moda ver por ejemplo el mismo escrito del autor hablando veinte anos mas tarde de los tamanos de nanoparticulas 12 Las nanoparticulas pueden exhibir propiedades de tamano que puedan diferir significativamente con aquellas observadas en particulas finas o materiales amontonados 13 14 Aunque el tamano de la mayor parte de las moleculas entra en los lineamientos ya mencionados las moleculas individualmente no se les considera nanoparticulas Los nanoclusters tienen al menos una dimension de entre 1 y 10 nanometros y una distribucion estrecha Los Nanopolvos 15 son aglomerados de particulas ultrafinas nanoparticulas o nanoclusters Los cristales con medidas nanometricas se les llama nanocristales Antecedentes EditarEn general las nanoparticulas son consideradas un descubrimiento de la ciencia moderna pero en realidad tienen una larga historia Las nanoparticulas fueron utilizadas por artesanos desde el siglo IX en Mesopotamia para generar un efecto resplandeciente en la ceramica 16 17 Incluso en esos dias la ceramica de la Edad Media y el Renacimiento solian tener un brillo metalico de oro o cobre Este lustre es causado por una capa metalica que se aplicaba a la superficie transparente de un acristalamiento El lustre aun es visible si la capa ha resistido la oxidacion atmosferica y demas desgastes 16 17 El lustre originado por la capa misma que contenia nanoparticulas de plata y cobre dispersadas homogeneamente en la matriz vidriosa del acristalamiento ceramico Estas nanoparticulas fueron creadas por los artesanos mezclando sales de cobre y plata con oxidos y vinagre ocre y arcilla en la superficie de la ceramica previamente acristalada El objeto era posteriormente puesto en un horno y calentado a 600 C en una atmosfera reductora 17 En el calor se suaviza el vidriado provocando que los iones de cobre y plata migraran a las capas externas del objeto En ese momento la atmosfera reducida torna de regreso a los iones en metales las cuales forman finalmente a las nanoparticulas que dan color y efectos opticos 17 Esta tecnica demostro que los antiguos artesanos tenian un conocimiento empirico sofisticado de materiales La tecnica se origino en el mundo Musulman Puesto que los musulmanes tenian prohibido usar oro en representaciones artisticas encontraron una forma de crear un efecto similar sin usar oro real Su solucion fue utilizar lustre 17 18 Michael Faraday dio la primera descripcion en terminos cientificos de las propiedades opticas de metales en escala nanometrica en su ensayo clasico de 1857 En un ensayo posterior el autor Turner senala que Es bien conocido que cuando delgadas hojas de oro o plata son amontonadas en un cristal y calentadas en una temperatura que esta debajo de un calor rojo 500 C aproximadamente un cambio notorio de las propiedades se vuelve visible donde la continuidad de la capa metalica se destruye El resultado es que la luz blanca es ahora libremente transmitida siendo su reflejo correspondientemente disminuido mientras la resistividad electrica aumenta enormemente 19 20 21 Descubrimiento Editar Polvo de silicio Recientemente se ha desarrollado una nanoparticula que utiliza la luz y el calor para destruir tumores Ademas es organica y biodegradable Este descubrimiento se ha realizado por investigadores del Hospital Princesa Margarita en Ontario Canada y de otras instituciones tambien de otros paises que han constituido un equipo numeroso y de diversas especialidades Gang Zheng ha sido el coordinador general de este estudio Los resultados se han publicado en la revista Nature Materials 22 Gang Zheng explica que combinamos elementos que se producen de forma natural clorofila y lipidos para crear una nanoparticula que muestra potencial para numerosos tipos de aplicaciones basadas en la luz Permite que pueda llenarse de farmacos para tratar el tumor al que se dirige Los investigadores explican que la terapia fototermica utiliza luz y calor para destruir los tumores La particula absorbe mucha luz para acumularla en los tumores Una vez que la nanoparticula alcanza su tumor objetivo se vuelve fluorescente para indicar mision cumplida Concluye Zheng La seguridad sin precedentes de esta nonaparticula en el organismo es la guinda del pastel 23 La novedad de este estudio es que utiliza elementos organicos pues otros equipos experimentan calentando nanoparticulas de oro con luz para eliminar las celulas tumorales 24 25 Uniformidad EditarEl proceso quimico y sintesis de alto rendimiento para los sectores privados industriales y militares requieren el uso de ceramicos polimeros cristales ceramicos y materiales compuestos de alta pureza En cuerpos condensados formados de polvos finos las particulas irregulares y formas en polvo normal suelen conllevar morfologias no uniformes que resultan en empaquetados de varias densidades compactas en el polvo La aglomeracion incontrolada de polvos por fuerzas de van der Waals puede aumentar la falta de homogeneidad en la microestructura Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado del encogimiento no uniforme del secado estan directamente relacionados al cambio con el cual el solvente puede ser removido y dependiente de la distribucion de la porosidad Dichas tensiones se han asociado con una transicion de plastico forma quebradiza consolidandose en cuerpos y pueden llegar a una propagacion quebrada en el cuerpo crudo si no se libera 26 27 28 Ademas cualquier fluctuacion en la densidad de empaquetamiento del horno compacto es frecuentemente amplificada durante el proceso de sinterizacion dando como resultado una densidad no homogenea Algunos poros y otros defectos estructurales asociados a la densidad han mostrado un papel fundamental en el proceso de sinterizacion aumentando y delimitando la densidades Las tensiones diferenciales provenientes de densificaciones no homogeneas han demostrado resultar en la propagacion de quiebres internos convirtiendose en la fortaleza del control de defectos 29 30 31 La evaporacion y deposicion de gases inertes 10 11 son libres de muchos de estos defectos por destilacion purificacion del proceso y teniendo suficiente tiempo en forma de particulas de cristal no obstante incluso sus depositos no agregados tienen tamanos log normales lo cual es comun en nanoparticulas 11 La razon por la cual las tecnicas modernas de evaporacion de gases pueden producir relativamente una distribucion estrecha es que la agregacion puede ser evitada 11 Como sea incluso en este caso en tiempo aleatorios en el crecimiento de la zona debido a su combinacion de deriva y difusion resulta en tamano de distribucion siendo lognormal 12 Entonces es deseable procesar un material en tal forma que sea fisicamente uniforme con respecto a la distribucion de los componentes y su porosidad que con la distribucion del tamano de particulas que maximicen la densidad verde El contenido de un ensamble de particulas fuertemente dispersadas interactuando y en suspension requiere control total sobre fuerzas entre particulas Las nanoparticulas monodisperas y coloides proveen este potencial 32 Los polvos monodispersado de silica por ejemplo puede estabilizarse suficientemente para asegurar un alto nivel de orden en el cristal coloide que resulta de la agregacion El grado de orden es limitado por el tiempo y espacio permitido para relaciones de un rango mas largo para ser establecidas Las estructuras coloidales cristalinas defectuosas son elementos basicos de la ciencia de los materiales coloidales y entonces proveen el primer paso en el desarrollo de una compresion mas rigorosa de los mecanismos relacionados con la evolucion microestructural en materiales y componentes de alto rendimiento 33 34 Propiedades Editar 1 kg de particulas de 1 mm tiene la misma area de superficie que 1mg de particulas de 1 nm Las nanoparticulas son de gran interes cientifico de hecho son un puente entre los materiales a granel y las estructuras atomicas o moleculares Un material de granel debe tener propiedades fisicas constantes sin importar su tamano pero en una nano escala sus propiedades son observadas Asi las propiedades de los materiales cambian mientras su talla se aproxima a la nano escala y conforme el porcentaje de atomos en la superficie de un material se vuelve significativa Para los materiales de granel mas largos de un micrometro el porcentaje de atomo en la superficie es insignificante en relacion al numero de atomo en el material de granel Las propiedades interesantes y a veces inesperadas de las nanoparticulas estan ahi por la larga area de superficie del material el cual domina las contribuciones hechas por los pequenos gruesos del material Las nanoparticulas poseen frecuentemente propiedades opticas inesperadas en tanto sean suficientemente pequenas a confinar sus electrones y producir efectos cuanticos 4 Por ejemplo nanoparticulas de oro aparecen de color rojo oscuro en solucion Las nanoparticulas de oro amarillo y silicon gris son rojos Las nanoparticulas de oro ebullen en temperaturas mas bajas 300 C para 2 5 nm que las losas de oro 1064 C 35 La absorcion de radiacion solar es mayor en los materiales compuestos de nanoparticulas que en sus capas finas de varias capas del material En las aplicaciones de energia solar fotovoltaica y solar termales controlando el tamano forma y material de las particulas haciendo posible el control de la absorcion solar 3 5 36 Otra propiedad dependiente de su tamano es el confinamiento cuantico particulas semiconductoras la resonancia en el plasmon superficial en algunas particulas de metales y superparamagnetismo 4 en materiales magneticos Lo cual es ironico es que los cambios en propiedades fisicas no son deseables Los materiales ferromagneticos que son mas pequenos que 10 nm pueden cambiar su direccion de magnetizacion usando la energia termal de la temperatura ambiente provocando que no sean almacenables 37 Las suspensiones de nanoparticulas son posibles puesto que la interaccion de la superficie de la particula con el solvente es suficientemente fuerte para superar las diferencias de densidad lo cual de otra manera resultaria en un material hundiendose o flotando e un liquido El radio del volumen del area de superficie de las nanoparticulas proveen una tremenda fuerza que conduce a la difusion especialmente en temperaturas elevadas La sinterizacion puede llevarse a cabo en temperaturas mas bajas en escalas de tiempos mas cortos para particulas mas largas En teorias esto no afecta la densidad del producto final aunque dificultades con el flujo y la tendencia de las nanoparticulas a aglomerarse lo complica Por otra parte las nanoparticulas han resultado presentar propiedades adicionales a varios productos del dia a dia Por ejemplo la presencia de las nanoparticulas del dioxido de titanio imparte lo que se conoce como el efecto de autolimpieza y el tamano siendo de un nano rango las particulas no pueden ser observadas Se ha encontrado que las particulas del oxido de zinc tienen propiedades para bloquear rayos ultravioleta comparado con su sustituto de granel Esta es una de las razones por las cual se suele usar en la preparacion de protectores solares 38 y es completamente fotoestable 39 Cuando se incorporan nanoparticulas de arcilla en matrices de polimeros incrementa el refuerzo produciendo plasticos mas fuertes verificables por una temperatura de transicion vitrea mas alta y otros examenes de propiedades mecanicas Estas nanoparticulas son duras e imparten sus propiedades al polimero Las nanoparticulas se han aunado a fibras textiles par crear ropa inteligente y funcional 40 Las particulas metalicas dielectricas y semiconductoras han sido formadas asi como estructuras hibridas nanoparticulas core shell 2 Las nanoparticulas hechas de material semiconductor puede tambien ser etiquetado como puntos cuanticos si son suficientemente pequenos 10 nm aprox para que la cuantificacion de la energia electrica ocurra Dichas nanoparticulas se utilizan en aplicaciones biomedicas como acarreadores de medicamentos y agentes de imagen Nanoparticula semiconductora quantum dot de sulfuro de plomo con pasivacion completa por acido oleico oleyl e hidroxilo tamano 5nm Nanoparticulas suaves y semi solidas se han manufacturado Un prototipo de nanoparticula de naturaleza semi solida es el liposoma Varios tipos de liposomas se usan actualmente clinicamente como sistemas de entrega para medicamente y vacunas contra el cancer Nanoparticulas con una mitad hidrofilica y la otra mitad homofobica se les nombra particulas Janus y son particularmente efectivas para estabilizar emulsiones Pueden acomodarse por si solas en interfaces de agua aceite y actuan como surfactantes solidos Igualmente se han identificado algunos tipos de nanoparticulas con propiedades antioxidantes 41 Principales tipos de nanoparticulas EditarCuatro son las principales clases en las que en general son clasificados los nanomateriales Materiales de base de carbon con formas esfericas elipsoidales o tubulares Sus propiedades fundamentales son su reducido peso y su mayor dureza elasticidad y conductividad electrica Materiales de base metalica pueden ser quantum dots puntos cuanticos o transistores de un solo electron o nanoparticulas de oro plata 42 o de metales reactivos como el dioxido de titanio entre otras Dendrimeros polimeros nanometricos construidos a modo de arbol en el que las ramas crecen a partir de otras y asi sucesivamente las terminaciones de cada cadena de ramas pueden disenarse para ejecutar funciones quimicas especificas una propiedad util para los procesos cataliticos Composites combinan ciertas nanoparticulas con otras o con materiales de mayor dimension el caso de arcillas nanoestructuradas es un ejemplo de uso extendido Sintesis EditarHay diversos metodos para crear nanoparticulas incluyendo la atricion pirolisis y sintesis hidrotermal En la atricion particulas macro o micro escala son molidas en un molino de bola un molino de bola planetario u otro mecanismo reductor de tallas Las particulas resultantes son clasificadas por aire en un elutriador para recuperar nanoparticulas En pirolisis un vapor precursor es forzado a traves de un orificio en alta presion y quemado El solido resultante es clasificado de aire para recuperar particulas de oxido de los gases del producto La pirolisis tradicional suele resultar en agregados y aglomerados que en particulas primarias individuales La pirolisis por boquilla ultrasonica apoya en la prevencion de la formacion de aglomerados Un plasma termal puede deliberar la energia necesaria para causar la vaporizacion de pequena particulas micrometricas Las temperaturas del plasma termal se encuentran en 10 000 K para que el polvo solido se evapore facilmente Las nanoparticulas se forman al enfriarse mientras salen de la region del plasma Los principales tipos de antorcha del plasma termal usados para producir nanoparticulas son dc plasma jet arc plasma y plasmas de induccion de radio frecuencia RF En los reactores de arc plasma la energia necesaria para la evaporacion y reaccion viene de un arco electrico formado por el anodo y el catodo Por ejemplo la arena de silice puede ser vaporizada con arc plasma en presion atmosferica o delgados alambre de aluminio pueden ser vaporizados el metodo de explosion de alambre La mezcla resultante de gas plasma y vapor se silice puede ser rapidamente enfriado si se sopla con oxigeno para asegurar la calidad del silice ahumado producidoEn la induccion RF la energia enganchada el plasma se genera con un campo electromagnetico de la bobina inductora El gas plasma no entra en contacto con electrodos aunque eliminando posibles fuentes de contaminacion y permitiendo la operacion de antorchas de plasma con un amplio rango de gases incluyendo inertes reductores oxidantes y otros gases corrosivos La frecuencia de trabajo corte a niveles de potencia de entre 200 kHz y 40 MHz Unidades de laboratorio corren con una potencia de entre 30 y 50 kW donde las unidades industriales a larga escala se han probado con mas de 1 MW Mientras el tiempo de residencia de la alimentacion gotea en el plasma es importante que el tamano de las gotas sean suficientemente pequenas para llegar a una evaporacion completa El metodo RF ha sido usado para sintetizar diferentes materiales de nanoparticulas por ejemplo varias nanoparticulas para ceramica como oxidos carburos y nitratos de titanio y silicio Injertos de condensacion de gas son frecuentemente usados para producir nanoparticulas de metales con bajos puntos de ebullicion El metal es vaporizado en una camara vacia y despues enfriada con un flujo de gas inerte El vapor del metal enfriado se condensa en nanoparticulas las cuales pueden ser arrastradas en el flujo del gas Sol gel Editar El proceso de sol gel es una tecnica quimica humeda usada ampliamente en las area de la ciencia de materiales e ingenieria ceramica Esto metodos son usas principalmente para la fabricacion de materiales oxidos de metales empezando de una solucion quimica que actua como el precursor de una red integrara gel de particulas discretas o redes de polimeros 43 Los precursores tipicos son alcoxidos de metales y cloruros de metales los cuales pueden pasar por hidrolisis y reacciones de policondensacion para formar una red de un solido elastico o una suspension coloidal dispersion un sistema compuesto de particulas discretas submicrometricas dispersados en varios grados en un fluido hospedero La formacion de un oxido de metal involucra la conexion los centros de los metales con oxo M O M o puentes M OH M de hidroxido entonces generar metales oxo o polimeros de hidroxidos de metales en una solucion Asi la solucion cambia hacia la formacion de una estructura similar a un sistema de gel difasico que contiene la fase solida y liquida cuyas morfologias van desde particulas discretas a redes de continuos polimeros 44 En caso de que la fraccion de volumen de particulas de un coloide es tan bajo que una porcion significativa del fluido puede necesitar ser removida inicialmente para que las propiedad del gel sean reconocidas Esto se puede lograr de muchas maneras El metodo mas simple es dando tiempo para que ocurra la sedimentacion y despues vaciar el liquido sobrante La centrifugacion tambien puede ser utilizada para acelerar el proceso de la separacion de fases Quitar el liquido sobrante requiere un proceso de secado que es comunmente acompanado por una porcion de encogimiento y densificacion El ritmo al cual el solvente pueda ser removido es determinado por la distribucion de la porosidad en el gel La microestructura final del componente sera fuertemente influenciada por los cambios implementados durante esta fase del proceso Subsecuente a esto un tratamiento termal es casi siempre necesario para favorecer la policondensacion y mejorar sus propiedades mecanicas y estabilidad estructural con la sinterizacion densificacion y el crecimiento del grano Una de las diferentes ventajas de usar esta metodologia es que la densificacion se obtiene con temperaturas mas bajas La solucion precursora puede ser depositada en un sustrato para formar una capa de inmersion recubridora puesta en un contenedor adecuado con la forma deseada o usada para sintetizar polvos El costo de producir la solucion gel es economico y la tecnica de baja temperatura permiten tener un control de la composicion quimica del producto Incluso en pequena cantidades de dopantes como colorantes organicos y raros metales de tierra pueden ser introducidos en la solucion y terminar dispersados uniformemente en el producto final Puede ser usado en el procesado de ceramicos y manufactura como un material de inversion o como materia para producir cintas muy delgadas de oxidos de metales para varios propositos Los materiales derivados de solucion gel tienen diversas aplicaciones en optometrias electronica energia espacio sensores medicinas y tecnologias de separacion 45 46 Coloides EditarEl termino coloide es usado principalmente para describir un amplio rango de solidos y o liquidos todas conteniendo distintas particulas de liquidos y o solidos que estan dispersadas en varios grados en un medio liquido El termino es especifico al tamano de la particula las cuales son mas largas que las dimensiones atomicas pero suficientemente pequeno para exhibir el movimiento browniano Si las particulas son suficientemente largas para su conducta dinamica en cualquier periodo de tiempo en suspension seria gobernado por fuerzas de gravedad y sedimentacion Pero si son suficientemente pequenos para ser coloides entonces su movimiento irregular en suspension pueden ser atribuidos al bombardeo colectivo de una miriada de moleculas termalmente agitadas en el medio liquido de suspension como se describio por Albert Einstein en su disertacion Einstein proveyo la existencia de moleculas de agua concluyendo que esta conducta erratica de la particula puede ser descrita adecuadamente usando la teoria del movimiento Browniano con la sedimentacion siendo un posible resultado a largo plazo El rango del tamano critico normalmente va de 10 9 m micrometros 10 6 m 47 Morfologia Editar Nano estrellas de oxido de vanadio Los cientificos han nombrado sus particulas por formas de la vida real que puedan representar Nanosferas 48 nanoarrecifes 49 nanocajas 50 estas morfologias a veces surgen espontaneamente como un efecto que da direcciones en la sintesis de emulsiones de micelas o poros de alumina anodizado o de los patrones cristalograficos de crecimiento de los materiales 51 Algunas de estas morfologias pueden servir a propositos como nanotubos largos de carbono usados para conectar una union electrica Las particulas sin forma generalmente adoptan una forma esferica En el fin del rango de tamanos las nanoparticulas suelen ser llamadas racimos Esferas baculos fibras y tazas son algunas de las formas que han crecido El estudio de las particulas finas es la micrometria Caracterizacion EditarLa caracterizacion de las nanoparticulas es necesaria para establecer el entendimiento y control de la sintesis y aplicaciones de nanoparticulas La caracterizacion se lleva a cabo usando diferentes tecnicas principalmente de la ciencia de materiales Entre las tecnicas mas comunes esta la microscopia de electrones TEM SEM fuera atomica de microscopia AFM dispersion de luz dinamica DLS espectroscopia de fotoelectrones de rayos x XPS polvo de difraccion de Rayos X XRD espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier FTIR desorcion laser asistida por matriz espectrometria de ionizacion de masas de tiempo de vuelo MALDI TOF espectroscopia visible ultravioleta espectrometria de retro dispersion de Rutherford RBS dual interferometria polarizacion y de resonancia magnetica nuclear NMR Mientras la teoria ha sido conocida por un siglo la tecnologia para el analisis y rastreo de nanoparticulas NTA permite el rastreo directo al movimiento Browniano este metodo permite tomar la medida de nanoparticulas individuales en una solucion La mayoria de las tecnicas de caracterizacion de estas nanoparticulas son basadas en luz pero una tecnica de caracterizacion no optica llamada Tunable Resistive Pulse Sensing Deteccion de pulso sintonizable resistivo ha sido desarrollada con el fin de medir simultaneamente el tamano concentracion y superficie de una gran variedad de nanoparticulas 52 Esta tecnica que aplica el Principio de Coulter permite la cuantificacion de estas tres caracteristicas de cada particula con una alta resolucion Funcionalizacion EditarEl revestimiento de la superficie de las nanoparticulas es crucial para determinar sus propiedades En particular el revestimiento de la superficie puede regular la estabilidad solubilidad y focalizacion Un revestimiento que es polimerico o multivalente da una buena estabilidad Los catalizadores basados en nanomateriales funcionalizados pueden ser utilizados para la catalisis de muchas reacciones organicas conocidas El revestimiento de la superficie para aplicaciones biologicas Editar Para las aplicaciones biologicas el revestimiento de la superficie deberia ser polar para dar una alta solubilidad acuosa y prevenir la agregacion de nanoparticulas En suero o en la superficie de la celula recubrimientos altamente cargados promueven la union no especifica mientras que el polietilenglicol vinculado a grupos hidroxilo o metoxi terminales repelen las interacciones no especificas 53 54 Las nanoparticulas pueden estar vinculadas a las moleculas biologicas que pueden actuar como etiquetas de direcciones para dirigir las nanoparticulas a sitios especificos dentro del cuerpo 55 organelos especificos dentro de la celula 56 o seguir especificamente el movimiento de proteinas o de las moleculas de ARN en las celulas vivas 57 Etiquetas de direcciones comunes son anticuerpos monoclonales aptameros estreptavidina o peptidos Estos agentes de direccionamiento idealmente deben estar unidos covalentemente a la nanoparticula y deben estar presentes en un numero controlado por nanoparticulas Las nanoparticulas polivalentes teniendo multiples grupos de orientacion pueden agruparse los receptores que puede activar vias de senalizacion celular y dar anclaje mas fuerte Las nanoparticulas monovalentes teniendo un unico sitio de union 58 59 60 evitar la agrupacion y asi son preferibles para el seguimiento del comportamiento de las proteinas individuales Los revestimientos de celulas rojas de la sangre pueden ayudar a las nanoparticulas a evadir el sistema inmunologico 61 Seguridad EditarLas nanoparticulas presentan posibles peligros tanto riesgos medicos como para el medio ambiente 62 63 La mayoria de estos son debido a la alta relacion de superficie con el volumen lo que puede hacer que las particulas sean muy reactivas o cataliticas 64 Tambien son capaces de pasar a traves de las membranas celulares en organismos y sus interacciones con los sistemas biologicos son relativamente desconocidas 65 Un reciente estudio que analiza los efectos de las nanoparticulas de ZnO sobre las celulas inmunes humanas y se ha encontrado diferentes niveles de susceptibilidad a la citotoxicidad 66 Existe la preocupacion de que las empresas farmaceuticas que buscan la aprobacion regulatoria para nano reformulaciones de los medicamentos existentes estan confiando en los datos de seguridad producidos durante los estudios clinicos de las versiones anteriores de la reformulacion de la medicina Esto podria causar que a los organismos reguladores como la FDA pasen por desapercibido nuevos efectos secundarios que son especificos de la nano reformulacion 67 Ya sea que los cosmeticos y filtros solares que contienen nanomateriales plantean riesgos para la salud sigue siendo desconocido sus danos actualmente 68 Sin embargo una considerable investigacion ha demostrado que las nanoparticulas de zinc no se absorben en el torrente sanguineo in vivo 69 Se ha encontrado que las nanoparticulas de diesel pueden danar el sistema cardiovascular en un modelo de ratones 70 Tambien se ha levantado preocupacion sobre los efectos en la salud de las nanoparticulas respirables de determinados procesos de combustion 71 A partir de 2013 la Agencia de Proteccion Ambiental estaba investigando la seguridad de las nanoparticulas siguientes 72 Nanotubos de Carbono Los materiales de carbono tienen una amplia gama de usos que van desde materiales compuestos para su uso en vehiculos y material deportivo a los circuitos integrados para los componentes electronicos Las interacciones entre los nanomateriales como los nanotubos de carbono y materia organica natural influyen fuertemente en su agregacion y deposicion que afecta fuertemente su transporte transformacion y la exposicion en ambientes acuaticos En investigaciones anteriores los nanotubos de carbono exhiben algunos impactos toxicologicos que seran evaluados en diversos entornos ambientales en la investigacion actual sobre la seguridad quimica de la EPA La investigacion de la EPA proporcionara datos modelos metodos de prueba y las mejores practicas para descubrir los efectos agudos sobre la salud de los nanotubos de carbono e identificar metodos para predecirlos 72 oxido de cerio El oxido de cerio a nanoescala se utiliza en electronica equipos biomedicos la energia y los aditivos de combustible Muchas aplicaciones de las nanoparticulas de oxido de cerio en aplicacion de ingenieria naturalmente provoca que se dispersen en el medio ambiente lo que aumenta el riesgo de exposicion Hay una exposicion continua a las nuevas emisiones de diesel que utilizan aditivos de combustible que contienen nanoparticulas de CeO2 y los impactos ambientales y de salud publica de esta nueva tecnologia son desconocidos La investigacion de la seguridad quimica de la EPA esta evaluando las implicaciones ecologicas y de salud ambiental de los aditivos de combustible diesel 72 Titanium dioxide Dioxido de titanio El nano dioxido de titanio se utiliza actualmente en muchos productos Dependiendo del tipo de particula puede encontrarse en los protectores solares cosmeticos pinturas y recubrimientos Tambien esta siendo investigado para su uso en la eliminacion de contaminantes del agua potable 72 Nano Plata La nano plata se esta incorporando a los productos textiles y otros materiales para eliminar las bacterias y el mal olor de la ropa envases de alimentos y otros articulos donde las propiedades antimicrobianas son deseables En colaboracion con la Consumer Product Safety Commission de EE UU la EPA esta estudiando determinados productos para ver si se transfieren las particulas de plata nano tamano en escenarios del mundo real 72 Hierro Aunque el hierro nano escala esta siendo investigado para muchos usos entre ellos fluidos inteligentes para usos tales como la optica de pulido y como un suplemento nutricional de hierro se absorbe mejor uno de sus usos actuales mas destacados es para eliminar la contaminacion de las aguas subterraneas Este uso apoyado por la investigacion de la EPA se esta poniendo a prueba en una serie de sitios en todo el pais de EE UU 72 Implicaciones ambientales EditarSe ha senalado que las propiedades que se estan aprovechando de las nanoestructuras y nanomateriales mencionados por ejemplo su superficie altamente reactiva y su habilidad de atravesar membranas podrian significar importantes peligros en especial por su grado potencialmente elevado de toxicidad Las implicaciones ambientales en relacion con tal toxicidad y con la biodegradabilidad de las nanoparticulas y los efectos de estas en la salud de la diversidad de especies incluyendo la humana en el corto y en el medio plazo son de consideracion puesto que se estima que podrian interferir en las funciones vitales La bioacumulacion y persistencia de las nanoparticulas a lo largo de la cadena alimentaria es tambien un factor a tener en cuenta El asunto es complejo dado que en la nanociencia hay notables vacios de conocimiento entre los que se identifica como mas importantes a la insuficiente definicion del punto en el que de hecho las propiedades cambian en relacion con el tamano b la limitada claridad acerca de esas propiedades de la nanoescala c el casi nulo conocimiento de las implicaciones de la interaccion de las nanoestructuras con el medio natural Para ello es necesario determinar de modo general y particular las caracteristicas de los nanomateriales en interaccion con el medio natural y consecuencias de sus posibles transformaciones Esto es por tanto aspectos como sus mecanismos de transporte o movimiento en aire tierra y agua y su capacidad de difusion de aglomeracion de deposicion humeda y seca de sus propiedades gravitacionales de su reactividad con moleculas o nanoparticulas naturales no disenadas o nanoestructuradas y como ello afecta sus caracteristicas generales incluyendo su toxicidad o de cambios inducidos por reacciones fotocatalizadoras o inducidas por condiciones anaerobicas La Royal Society suscribia en 2004 que la evidencia sugiere que por lo menos algunas nanoparticulas manufacturadas seran mas toxicas por unidad de masa que aquellas de la misma naturaleza pero de mayor dimension Esta toxicidad esta relacionada con el area de superficie de las nanoparticulas y con su reactividad quimica Tal reactividad quimica de la superficie de las nanoparticulas es de mayor consideracion ambiental pues se piensa que las enzimas naturales presentes en el ambiente pueden cambiar las propiedades de la superficie de las nanoparticulas y convertirse en coloides Estas nanoparticulas con caracteristicas coloidales podrian ser ideales para la transportacion a larga distancia de material toxico como contaminantes hidrofobicos y metales pesados por ejemplo al reaccionar con moleculas mayores pero de menos movilidad como las contenidas en fertilizantes y pesticidas Aplicaciones Laser EditarEl uso de nanoparticulas en tinte dopado con laser de poli metacrilato de metilo PMMA los medios de ganancia del laser se demostraron en 2003 y se ha demostrado que mejoran la eficiencia de conversion y para disminuir la divergencia del haz laser 73 Los investigadores atribuyen la reduccion de la divergencia del haz a la mejora de dn dt de la caracteristicas del tinte dopado organico inorganico nanocompuesto La composicion optima reportado por estos investigadores es 30 w w de SiO2 12 nm en PMMA tinte dopado Aplicaciones Medicas EditarLisoma Dendrimero Nanoparticulas de oxido de hierro Nanomedicina Conjugados de polimero farmaco Nanoparticulas polimericasReferencias Editar C Larez Velasquez S Koteich Khatib F Lopez Gonzalez Ed 2015 Nanoparticulas Fundamentos y Aplicaciones Universidad de Los Andes Merida Venezuela a b Taylor Robert Coulombe Sylvain Otanicar Todd Phelan Patrick Gunawan Andrey Lv Wei Rosengarten 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