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partículas de Janus

Representación esquemática de una partícula de Janus esférica básica con dos caras distintas: los lados A y B representan dos superficies con propiedades físicas o químicas dife...

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Representación esquemática de una partícula de Janus esférica básica con dos caras distintas: los lados A y B representan dos superficies con propiedades físicas o químicas diferentes.

Las partículas Janus son tipos especiales de nanopartículas o micropartículas cuyas superficies poseen dos o más propiedades físicas distintas . [ 1 ] [ 2 ] Esta superficie única de las partículas Janus permite que se produzcan dos tipos diferentes de reacciones químicas en la misma partícula. El caso más simple de una partícula Janus se logra dividiendo la partícula en dos partes distintas, cada una de ellas compuesta de un material diferente o con distintos grupos funcionales. [ 3 ] Por ejemplo, una partícula Janus puede tener la mitad de su superficie compuesta de grupos hidrófilos y la otra mitad de grupos hidrófobos , [ 4 ] las partículas podrían tener dos superficies de diferente color, [ 5 ] fluorescencia o propiedades magnéticas. [ 6 ] Esto confiere a estas partículas propiedades únicas relacionadas con su estructura asimétrica y/o funcionalización. [ 7 ] Las partículas Janus reciben su nombre en referencia al dios romano de dos caras Jano , ya que se puede decir que, de manera similar, tienen "dos caras". [ 8 ]

Historia

El término "partícula Janus" fue acuñado por el autor Leonard Wibberley en su novela de 1962, El ratón en la Luna, como un dispositivo de ciencia ficción para los viajes espaciales.

El término fue utilizado por primera vez en un contexto científico real por C. Casagrande et al. en 1988 [ 9 ] para describir partículas esféricas de vidrio con un hemisferio hidrofílico y el otro hidrofóbico. En ese trabajo, las microesferas anfifílicas se sintetizaron protegiendo un hemisferio con barniz y tratando químicamente el otro hemisferio con un reactivo de silano. Este método dio como resultado una partícula con áreas hidrofílicas e hidrofóbicas iguales. [ 10 ] En 1991, Pierre-Gilles de Gennes mencionó el término "granos de Janus" en su discurso de aceptación del Premio Nobel ; [ 8 ] De Gennes defendió la utilidad y el interés científico de las partículas de Janus al señalar que estos "granos de Janus" tienen la propiedad única de autoensamblarse densamente en interfaces líquido-líquido, al tiempo que permiten el transporte de material a través de los espacios entre las partículas sólidas anfifílicas . [ 11 ]

En 1976, Nick Sheridon de Xerox Corporation patentó una pantalla de panel de bolas giratorias, donde se refiere a una "pluralidad de partículas que tienen una anisotropía eléctrica". [ 12 ] Aunque el término "partículas Janus" aún no se usaba, Lee y sus colaboradores también informaron partículas que coincidían con esta descripción en 1985. [ 13 ] Introdujeron redes asimétricas de poliestireno / polimetilmetacrilato a partir de polimerización en emulsión con semillas . Un año después, Casagrande y Veyssie informaron la síntesis de perlas de vidrio que se hicieron hidrofóbicas solo en un hemisferio usando triclorosilano de octadecilo, mientras que el otro hemisferio estaba protegido con un barniz de celulosa. [ 10 ] Las perlas de vidrio se estudiaron por su potencial para estabilizar procesos de emulsificación. Luego, varios años más tarde, Binks y Fletcher investigaron la humectabilidad de las perlas Janus en la interfaz entre aceite y agua. [ 14 ] Concluyeron que las partículas Janus son tanto tensioactivas como anfifílicas, mientras que las partículas homogéneas son solo tensioactivas. Veinte años después, se ha informado de una plétora de partículas Janus de diferentes tamaños, formas y propiedades, con aplicaciones en textiles, [ 15 ] sensores , [ 16 ] estabilización de emulsiones , [ 17 ] e imágenes de campo magnético [ 18 ] . Actualmente, Cospheric [ 19 ] ofrece comercialmente una variedad de partículas Janus con diámetros de 10 μm a 53 μm , y posee una patente sobre el método de recubrimiento hemisférico para microelementos. [ 20 ]  

Síntesis

La síntesis de nanopartículas Janus requiere la capacidad de crear selectivamente cada lado de una partícula de tamaño nanométrico con propiedades químicas diferentes de manera rentable y confiable, obteniendo la partícula de interés con alto rendimiento. Inicialmente, esta era una tarea difícil, pero en los últimos 10 años se han perfeccionado los métodos para facilitarla. Actualmente, se utilizan tres métodos principales en la síntesis de nanopartículas Janus. [ 3 ]

Enmascaramiento

Esquema de la síntesis de nanopartículas Janus mediante enmascaramiento. 1) Se colocan nanopartículas homogéneas sobre una superficie de forma que solo un hemisferio quede expuesto. 2) La superficie expuesta se somete a un agente químico 3) que modifica sus propiedades. 4) Posteriormente, se retira el agente de enmascaramiento, liberando las nanopartículas Janus.
Ejemplo de nanopartículas Janus fabricadas mediante un proceso de enmascaramiento.
(a) Representación esquemática de un proceso de microfabricación por enmascaramiento. Tras crear una monocapa de partículas fluorescentes, se depositan bicapas de Ti/Au 1:10 en la mitad superior de las partículas. A continuación, la oblea se coloca en un vaso de precipitados con 2 ml de agua desionizada y se somete a sonicación durante 2 h para resuspenderlas. (b) Las micrografías SEM muestran los tres tipos de JP fabricados. La barra de escala representa 500 nm. [ 21 ]

El enmascaramiento fue una de las primeras técnicas desarrolladas para la síntesis de nanopartículas Janus. [ 22 ] Esta técnica se desarrolló simplemente tomando técnicas de síntesis de partículas Janus más grandes y reduciéndolas a la nanoescala. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] El enmascaramiento, como su nombre lo indica, implica la protección de un lado de una nanopartícula seguida de la modificación del lado no protegido y la eliminación de la protección. Dos técnicas de enmascaramiento son comunes para producir partículas Janus: la deposición evaporativa [ 25 ] [ 26 ] y una técnica en la que la nanopartícula se suspende en la interfaz de dos fases. Sin embargo, solo la técnica de separación de fases se adapta bien a la nanoescala. [ 27 ]

El método de interfaz de fases implica el atrapamiento de nanopartículas homogéneas en la interfaz de dos fases inmiscibles. Estos métodos suelen involucrar las interfaces líquido-líquido y líquido-sólido, pero también se ha descrito un método de interfaz gas-líquido. [ 28 ] [ 29 ]

El método de interfaz líquido-líquido se ejemplifica mejor en el trabajo de Gu et al. , quienes prepararon una emulsión de agua y aceite y añadieron nanopartículas de magnetita . Las nanopartículas de magnetita se agregaron en la interfaz de la mezcla agua-aceite, formando una emulsión de Pickering . Posteriormente, se añadió nitrato de plata a la mezcla, lo que dio como resultado la deposición de nanopartículas de plata sobre la superficie de las nanopartículas de magnetita. Estas nanopartículas de Janus se funcionalizaron mediante la adición de diversos ligandos con afinidad específica por el hierro o la plata. [ 30 ] Este método también puede utilizar oro o hierro-platino en lugar de magnetita. [ 3 ]

Un método similar es el método de interfaz gas-líquido desarrollado por Pradhan et al. En este método, se colocaron nanopartículas de oro con tiolato de alcano hidrofóbico en agua, lo que provocó la formación de una monocapa de dichas nanopartículas en la superficie. Posteriormente, se aumentó la presión del aire, forzando a la capa hidrofóbica a hundirse en el agua y disminuyendo el ángulo de contacto . Cuando el ángulo de contacto alcanzó el nivel deseado, se añadió al agua un tiol hidrofílico, el 3-mercaptopropano-1,2-diol, lo que provocó que este tiol hidrofílico sustituyera competitivamente a los tioles hidrofóbicos, dando como resultado la formación de nanopartículas Janus anfifílicas. [ 29 ]

Los métodos de interfaz líquido-líquido y gas-líquido tienen un problema donde las nanopartículas pueden rotar en solución, causando la deposición de plata en más de una cara. [ 31 ] Un método de interfaz híbrida líquido-líquido/líquido-sólido fue introducido por primera vez por Granick et al. como una solución a este problema del método líquido-líquido. En este método, la cera de parafina fundida fue sustituida por el aceite y las nanopartículas de sílice por la magnetita. Cuando la solución se enfrió, la cera se solidificó, atrapando la mitad de cada nanopartícula de sílice en la superficie de la cera, dejando la otra mitad de la sílice expuesta. Luego se filtró el agua y las nanopartículas de sílice atrapadas en la cera se expusieron a una solución de metanol que contenía (amino-propil)trietoxisilano, que reaccionó con las superficies de sílice expuestas de las nanopartículas. Luego se filtró la solución de metanol y la cera se disolvió con cloroformo , liberando las partículas Janus recién formadas. Liu et al. Se informó sobre la síntesis de nanopartículas Janus de sílice-aminopropil-trimetoxisilano con forma de bellota y hongo utilizando el método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido desarrollado por Granick et al. Expusieron nanopartículas de sílice funcionalizadas con aminopropil-trimetoxisilano homogéneas incrustadas en cera a una solución de fluoruro de amonio , que grabó la superficie expuesta. El método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido también tiene algunos inconvenientes; cuando se expone al segundo disolvente para la funcionalización, algunas de las nanopartículas pueden liberarse de la cera, lo que resulta en nanopartículas homogéneas en lugar de nanopartículas Janus. Esto puede corregirse parcialmente utilizando ceras con puntos de fusión más altos o realizando la funcionalización a temperaturas más bajas. Sin embargo, estas modificaciones aún resultan en una pérdida significativa. Cui et al. diseñaron una máscara más duradera hecha de película de polímero de polidimetilsiloxano (PDMS) para crear una interfaz líquido-líquido/líquido-sólido. La porción expuesta a ser modificada de la superficie de la partícula se puede ajustar controlando la temperatura y el tiempo de curado del PDMS, y por lo tanto la profundidad de incrustación de las partículas. La ventaja de este método de fabricación es que el PDMS es inerte y duradero en muchas soluciones químicas húmedas, y varios metales, óxidos o aleaciones como plata, oro, níquel, dióxido de titanio pueden modificar la superficie expuesta. [ 32 ] Granick et al. , en otro artículo, demostraron una posible solución utilizando un método híbrido de fase líquido-líquido/gas-sólido inmovilizando primeroNanopartículas de sílice en cera de parafina utilizando el método de interfaz de fase líquido-sólido previamente descrito, y luego filtrando el agua. Las nanopartículas inmovilizadas resultantes se expusieron a vapor de silanol producido al burbujear nitrógeno o argón a través de silanol líquido, lo que provocó la formación de una cara hidrófila. Posteriormente, la cera se disolvió en cloroformo, liberando las nanopartículas de Janus. [ 28 ]

Sardar et al. describieron un ejemplo de una técnica líquido-sólido más tradicional, que comienza con la inmovilización de nanopartículas de oro sobre una superficie de vidrio silanizada. Posteriormente, la superficie de vidrio se expuso a 11-mercapto-1-undecanol, que se unió a los hemisferios expuestos de las nanopartículas de oro. A continuación, las nanopartículas se retiraron de la lámina utilizando etanol que contenía ácido 16-mercaptohexadecanoico, el cual funcionalizó los hemisferios previamente enmascarados de las nanopartículas. [ 33 ]

Autoensamblaje

copolímeros de bloque

Representación esquemática de la síntesis de nanopartículas Janus mediante el método de autoensamblaje de copolímeros de bloque.

Este método utiliza métodos bien estudiados para producir copolímeros de bloque con geometrías y composiciones bien definidas en una gran variedad de sustratos. [ 3 ] [ 34 ] La síntesis de partículas Janus por autoensamblaje a través de copolímeros de bloque fue descrita por primera vez en 2001 por Erhardt et al. Produjeron un polímero tribloque a partir de polimetilacrilato , poliestireno y polibutadieno de bajo peso molecular . El poliestireno y el polimetilacrilato formaron capas alternas entre las cuales el polibutadieno se encontraba en esferas de tamaño nanométrico. Los bloques se reticularon y disolvieron en THF , y después de varios pasos de lavado, produjeron partículas Janus esféricas con poliestireno en una cara y polimetilacrilato en la otra, con un núcleo de polibutadieno. [ 35 ] La producción de esferas , cilindros , láminas y cintas Janus es posible utilizando este método ajustando los pesos moleculares de los bloques en el polímero inicial y también el grado de reticulación. [ 3 ] [ 36 ]

Adsorción competitiva

El aspecto clave de la absorción competitiva implica dos sustratos que se separan en fases debido a una o más propiedades físicas o químicas opuestas. Cuando estos sustratos se mezclan con una nanopartícula, típicamente oro, mantienen su separación y forman dos caras. [ 3 ] [ 37 ] Un buen ejemplo de esta técnica ha sido demostrado por Vilain et al. , donde nanopartículas de oro recubiertas de fosfinina se expusieron a tioles de cadena larga, lo que resultó en la sustitución de los ligandos de fosfinina de manera separada en fases para producir nanopartículas de Janus. La separación de fases se demostró mostrando que los tioles formaron un dominio localmente puro en la nanopartícula usando FT-IR . [ 37 ] Jakobs et al. demostraron un problema importante con el método de adsorción competitiva cuando intentaron sintetizar nanopartículas de oro Janus anfifílicas usando la adsorción competitiva de tioles hidrofóbicos e hidrofílicos . [ 38 ] La síntesis demostrada fue bastante simple y solo involucró dos pasos. Primero se produjeron nanopartículas de oro recubiertas con bromuro de tetra-n-octilamonio . Luego se eliminó el agente de recubrimiento y se añadieron diversas proporciones de óxido de etileno funcionalizado con disulfuro hidrofílico y oligo(p-fenilenovinileno) funcionalizado con disulfuro hidrofóbico. Posteriormente, intentaron demostrar que se producía una separación de fases en la superficie de las partículas comparando los ángulos de contacto del agua en la superficie de una monocapa de partículas de Janus con nanopartículas fabricadas únicamente con ligandos hidrofóbicos. Sin embargo, los resultados de este experimento mostraron que, si bien existía cierta separación de fases, esta no era completa. [ 38 ] Este resultado destaca la extrema importancia de la elección del ligando, ya que cualquier cambio puede dar lugar a una separación de fases incompleta. [ 3 ] [ 38 ]

separación de fases

Esquema del principio básico del método de separación de fases para la producción de nanopartículas Janus: Se mezclan dos sustancias incompatibles (A y B) para formar una nanopartícula. Posteriormente, A y B se separan en sus propios dominios, aunque siguen formando parte de una misma nanopartícula.

Este método implica la mezcla de dos o más sustancias incompatibles que luego se separan en sus propios dominios, aunque siguen formando parte de una misma nanopartícula. Estos métodos pueden implicar la producción de nanopartículas Janus de dos sustancias inorgánicas , así como de dos sustancias orgánicas . [ 3 ]

Los métodos típicos de separación de fases orgánicas utilizan la co-inyección de polímeros para producir nanopartículas Janus. Esta técnica se ejemplifica en el trabajo de Yoshid et al. para producir nanopartículas Janus donde un hemisferio tiene afinidad por las células humanas, mientras que el otro hemisferio no la tiene. Esto se logró mediante la co-inyección de copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico), que no tienen afinidad por las células humanas, con copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico) biotinilados , que al exponerse a anticuerpos modificados con estreptavidina , adquieren afinidad por las células humanas. [ 16 ]

Los métodos de separación de fases inorgánicas son diversos y varían mucho según la aplicación. [ 3 ] El método más común utiliza el crecimiento de un cristal de una sustancia inorgánica sobre o desde otra nanopartícula inorgánica. [ 3 ] [ 39 ] Gu et al. han desarrollado un método único , donde nanopartículas de hierro- platino fueron recubiertas con azufre que reaccionó con acetilacetonato de cadmio , óxido de trioctilfosfina y hexadecano-1,2- diol a 100  °C para producir nanopartículas con un núcleo de hierro-platino y una capa amorfa  de cadmio-azufre. La mezcla se calentó luego a 280 °C, lo que resultó en una transición de fase y una erupción parcial del Fe-Pt del núcleo, creando una esfera de Fe-Pt pura unida a la nanopartícula recubierta de CdS. [ 39 ] Zhao y Gao han desarrollado recientemente un nuevo método para sintetizar nanopartículas Janus inorgánicas por separación de fases. En este método, exploraron el uso del método común de síntesis de nanopartículas homogéneas mediante síntesis por llama. Descubrieron que al quemar una solución de metanol que contenía triacetilacetonato férrico y tetraetilortosilicato  , los componentes de hierro y silicio formaban un sólido intermezclado, que experimenta una separación de fases al calentarse a aproximadamente 1100 °C para producir nanopartículas Janus de maghemita - sílice . Además, encontraron que era posible modificar la sílice después de producir las nanopartículas Janus, haciéndola hidrofóbica mediante su reacción con oleilamina . [ 40 ]

Propiedades y aplicaciones

Materiales Janus específicos para cada tarea

El término "materiales Janus específicos para tareas" se refiere a las funciones no emulsionantes de las partículas Janus. [ 41 ]

Comportamiento de autoensamblaje de nanopartículas de Janus

Las dos o más caras distintas de las partículas de Janus les confieren propiedades especiales en solución. En particular, se ha observado que se autoensamblan de una manera específica en soluciones acuosas u orgánicas. En el caso de micelas esféricas de Janus con hemisferios de poliestireno (PS) y poli(metacrilato de metilo) (PMMA), se ha observado la agregación en cúmulos en diversos disolventes orgánicos, como el tetrahidrofurano . De manera similar, los discos de Janus compuestos por lados de PS y poli(metacrilato de terc-butilo) (PtBMA) pueden apilarse espalda con espalda formando superestructuras en una solución orgánica. [ 22 ] Estas partículas de Janus particulares forman agregados en disolventes orgánicos, dado que ambos lados de estas partículas son solubles en el disolvente orgánico. Parece que la ligera selectividad del disolvente es capaz de inducir el autoensamblaje de las partículas en cúmulos discretos de partículas de Janus. Este tipo de agregación no se produce ni en los copolímeros de bloque estándar ni en las partículas homogéneas, por lo que es una característica específica de las partículas de Janus. [ 22 ]

En soluciones acuosas, se pueden distinguir dos tipos de partículas bifásicas . El primer tipo son partículas verdaderamente anfifílicas que poseen un lado hidrofóbico y otro hidrofílico. El segundo tipo tiene dos lados solubles en agua, pero químicamente distintos. Para ilustrar el primer caso, se han realizado estudios exhaustivos con partículas de Janus esféricas compuestas por un hemisferio de PMAA soluble en agua y otro de poliestireno insoluble en agua. En estos estudios, se observó que las partículas de Janus se agregaban en dos niveles jerárquicos . El primer tipo de agregados autoensamblados se asemeja a pequeños cúmulos, similares a los que se encuentran en el caso de las partículas de Janus en una solución orgánica. El segundo tipo es notablemente más grande que el primero y se ha denominado "supermicelas". Desafortunadamente, la estructura de las supermicelas aún se desconoce; sin embargo, podrían ser similares a vesículas multilamelares . [ 22 ]

Para el segundo caso de partículas de Janus que contienen dos lados distintos, pero aún solubles en agua, el trabajo del grupo de Granick proporciona algunas ideas. Su investigación trata sobre la agrupación de partículas de Janus dipolares ( zwitteriónicas ) de tamaño micrométrico, cuyos dos lados son completamente solubles en agua. [ 42 ] Las partículas de Janus zwitteriónicas no se comportan como dipolos clásicos , ya que su tamaño es mucho mayor que la distancia a la que se sienten con fuerza las atracciones electrostáticas. El estudio de las partículas de Janus zwitteriónicas demuestra una vez más su capacidad para formar cúmulos definidos. Sin embargo, este tipo particular de partícula de Janus prefiere agregarse en cúmulos más grandes, ya que esto es energéticamente más favorable porque cada cúmulo lleva un dipolo macroscópico que permite la agregación de cúmulos ya formados en conjuntos más grandes. En comparación con los agregados formados a través de interacciones de van der Waals para partículas homogéneas, las formas de los nanocúmulos de Janus zwitteriónicos son diferentes y los cúmulos de Janus son menos densos y más asimétricos. [ 22 ]

Modificación del autoensamblaje mediante pH

El autoensamblaje de ciertos tipos de partículas Janus puede controlarse modificando el pH de su solución. Lattuada et al. prepararon nanopartículas con un lado recubierto con un polímero sensible al pH (ácido poliacrílico, PAA) y el otro con un polímero cargado positivamente (polidimetilaminoetil metacrilato, PDMAEMA), un polímero cargado negativamente e insensible al pH, o un polímero sensible a la temperatura (poli-N-isopropilacrilamida, PNIPAm). [ 3 ] Al cambiar el pH de su solución, observaron un cambio en la agrupación de sus nanopartículas Janus. A valores de pH muy altos, donde el PDMAEMA no tiene carga mientras que el PAA tiene una carga alta, las nanopartículas Janus eran muy estables en solución. Sin embargo, por debajo de un pH de 4, cuando el PAA no tiene carga y el PDMAEMA tiene carga positiva, formaron cúmulos finitos. A valores de pH intermedios, encontraron que las nanopartículas de Janus eran inestables debido a la interacción dipolar entre los hemisferios cargados positiva y negativamente. [ 3 ]

Reversibilidad de la formación de cúmulos y control del tamaño de los mismos.

También se ha demostrado el control del tamaño de los cúmulos en la agregación de nanopartículas Janus. Lattuada et al. lograron controlar el tamaño de los cúmulos de partículas Janus con una cara de PAA y la otra de PDMAEMA o PNIPAm mezclando pequeñas cantidades de estas nanopartículas Janus con partículas recubiertas de PAA. [ 3 ] Una característica única de estos cúmulos fue que las partículas estables podían recuperarse reversiblemente cuando se restablecían las condiciones de pH alto. Además, las nanopartículas Janus funcionalizadas con PNIPAm mostraron que se podía lograr una agregación controlada y reversible aumentando la temperatura por encima de la temperatura crítica de solubilidad inferior del PNIPAm.

Propiedades anfifílicas

Una característica significativa de las nanopartículas de Janus es la capacidad de tener partes tanto hidrofílicas como hidrofóbicas. Muchos grupos de investigación han estudiado las actividades superficiales de nanopartículas con propiedades anfifílicas. En 2006, las nanopartículas de Janus, hechas de óxidos de oro y hierro , se compararon con sus contrapartes homogéneas midiendo la capacidad de las partículas para reducir la tensión interfacial entre agua y n-hexano . [ 43 ] Los resultados experimentales indicaron que las nanopartículas de Janus son considerablemente más superficialmente activas que las partículas homogéneas de tamaño y naturaleza química comparables. Además, aumentar el carácter anfifílico de las partículas puede aumentar la actividad interfacial. La capacidad de las nanopartículas de Janus para disminuir la tensión interfacial entre agua y n-hexano confirmó predicciones teóricas previas sobre su capacidad para estabilizar emulsiones de Pickering .

En 2007, se examinó la naturaleza anfifílica de las nanopartículas de Janus midiendo la fuerza de adhesión entre la punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) y la superficie de la partícula. [ 44 ] Las interacciones más fuertes entre la punta hidrofílica del AFM y el lado hidrofílico de las nanopartículas de Janus se reflejaron en una mayor fuerza de adhesión . Las nanopartículas de Janus se depositaron por goteo sobre sustratos modificados tanto hidrofóbicamente como hidrofílicamente. El hemisferio hidrofóbico de las partículas de Janus quedó expuesto cuando se utilizó una superficie de sustrato hidrofílica, lo que dio lugar a discrepancias en las mediciones de la fuerza de adhesión. Por lo tanto, las nanopartículas de Janus adoptaron una conformación que maximizó las interacciones con la superficie del sustrato.

La naturaleza de las nanopartículas Janus anfifílicas para orientarse espontáneamente en la interfaz entre aceite y agua ha sido bien conocida. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Este comportamiento permite considerar las nanopartículas Janus anfifílicas como análogos de surfactantes moleculares para la estabilización de emulsiones. En 2005, se prepararon partículas esféricas de sílice con propiedades anfifílicas mediante la modificación parcial de la superficie externa con un agente alquilsilano. Estas partículas forman ensamblajes esféricos que encapsulan compuestos orgánicos inmiscibles en agua en medios acuosos al orientar su lado alquilsililado hidrofóbico hacia la fase orgánica interna y su lado hidrofílico hacia la fase acuosa externa, estabilizando así las gotas de aceite en agua. [ 48 ] En 2009, la superficie hidrofílica de las partículas de sílice se hizo parcialmente hidrofóbica mediante la adsorción de bromuro de cetiltrimetilamonio . Estas nanopartículas anfifílicas se autoensamblaron espontáneamente en la interfaz agua- diclorometano . [ 49 ] En 2010, se utilizaron partículas Janus compuestas de sílice y poliestireno, con la porción de poliestireno cargada con partículas de magnetita de tamaño nanométrico, para formar emulsiones de aceite en agua cinéticamente estables que pueden romperse espontáneamente al aplicar un campo magnético externo. [ 50 ] Estos materiales Janus encontrarán aplicaciones en interruptores ópticos controlados magnéticamente y otras áreas relacionadas. Las primeras aplicaciones reales de nanopartículas Janus fueron en la síntesis de polímeros . En 2008, se demostró que las nanopartículas Janus esféricas anfifílicas, que tienen un lado de poliestireno y otro de poli(metacrilato de metilo) , eran eficaces como agentes compatibilizantes para la compatibilización a escala de varios gramos de dos mezclas de polímeros inmiscibles, poliestireno y poli(metacrilato de metilo). [ 17 ] Las nanopartículas de Janus se orientaron en la interfaz de las dos fases poliméricas, incluso bajo condiciones de alta temperatura y cizallamiento, lo que permitió la formación de dominios mucho más pequeños de poli(metacrilato de metilo) en una fase de poliestireno. El desempeño de las nanopartículas de Janus como agentes compatibilizantes fue significativamente superior al de otros compatibilizantes de última generación, como los copolímeros de bloque lineales .

Estabilizadores en emulsiones

Se demostró una aplicación similar de nanopartículas de Janus como estabilizadores en la polimerización en emulsión . En 2008, se aplicaron por primera vez nanopartículas esféricas anfifílicas de Janus a la polimerización en emulsión de estireno y acrilato de n-butilo. [ 51 ] La polimerización no requirió aditivos ni técnicas de polimerización en miniemulsión, como sí ocurre en otras polimerizaciones en emulsión de Pickering. Además, mediante la aplicación de nanopartículas de Janus, la polimerización en emulsión produjo tamaños de partícula muy bien controlados con baja polidispersidad.

catalizador de interfase Janus

El catalizador de interfase Janus es una nueva generación de catalizadores heterogéneos, capaz de realizar reacciones orgánicas en la interfase de dos fases mediante la formación de una emulsión de Pickering. [ 52 ]

Catalizador en la descomposición del peróxido de hidrógeno

En 2007, se utilizaron por primera vez nanopartículas esféricas de poliestireno Janus con una cara recubierta de platino para catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno (H₂O₂ ) . [ 53 ] [ 54 ] La partícula de platino cataliza la reacción química superficial: 2H₂O₂ → O₂ + 2H₂O . La descomposición del peróxido de hidrógeno creó nanomotores catalíticos Janus, cuyo movimiento se analizó experimental y teóricamente mediante técnicas analíticas y simulaciones por ordenador. Se comprobó que el movimiento de las nanopartículas esféricas Janus coincidía con las predicciones de los hallazgos teóricos. En definitiva, los nanomotores catalíticos tienen aplicaciones prácticas en la administración de cargas químicas en chips microfluídicos , la eliminación de la contaminación en medios acuáticos, la eliminación de sustancias químicas tóxicas en sistemas biológicos y la realización de procedimientos médicos.

En 2013, basándose en los resultados de simulaciones por ordenador, se demostró que las partículas Janus autopropulsadas pueden utilizarse para la demostración directa del fenómeno de no equilibrio conocido como efecto trinquete . El efecto trinquete de las partículas Janus puede ser órdenes de magnitud mayor que el de los trinquetes de potencial térmico ordinarios y, por lo tanto, fácilmente accesible experimentalmente. En particular, el bombeo autónomo de una gran mezcla de partículas pasivas puede inducirse simplemente añadiendo una pequeña fracción de partículas Janus. [ 55 ]

Fibras repelentes al agua

En 2011, se demostró la aplicabilidad de las nanopartículas Janus en textiles. Se pueden preparar fibras repelentes al agua recubriendo tejido de tereftalato de polietileno con nanopartículas Janus esféricas anfifílicas. [ 15 ] Las partículas Janus se unen al lado reactivo hidrofílico de la superficie del tejido, mientras que el lado hidrofóbico queda expuesto al ambiente, proporcionando así el comportamiento repelente al agua. Se encontró que un tamaño de partícula Janus de 200  nm se deposita en la superficie de las fibras y resultó muy eficaz para el diseño de textiles repelentes al agua.

Aplicaciones en ciencias biológicas

El progreso revolucionario en las ciencias biológicas ha impulsado la creación de materiales personalizados con propiedades físico-químicas diseñadas con precisión a nivel nanométrico. Las nanopartículas de Janus desempeñan un papel crucial en estas aplicaciones. En 2009, se informó sobre un nuevo tipo de material biohíbrido compuesto por nanopartículas de Janus con afinidad espacialmente controlada hacia las células endoteliales humanas. [ 16 ] Estas nanopartículas se sintetizaron mediante modificación selectiva de la superficie, con un hemisferio que exhibe una alta afinidad de unión a las células endoteliales humanas y el otro hemisferio que es resistente a la unión celular. Las nanopartículas de Janus se fabricaron mediante inyección electrohidrodinámica de dos soluciones líquidas de polímero. Al incubarse con células endoteliales humanas, estas nanopartículas de Janus exhibieron el comportamiento esperado, donde una cara se une a las células endoteliales humanas, mientras que la otra cara no se une. Estas nanopartículas Janus no solo se unieron a la superficie de las células endoteliales humanas, sino que también se asociaron a todo el perímetro celular, formando una única capa de partículas. La biocompatibilidad entre las nanopartículas Janus y las células fue excelente. El objetivo es diseñar sondas basadas en nanopartículas Janus para obtener información direccional sobre las interacciones célula-partícula.

Nanocorales

En 2010, se presentó un nuevo tipo de sonda celular sintetizada a partir de nanopartículas Janus, denominada nanocoral, que combina la focalización celular específica y la detección biomolecular. [ 56 ] El nanocoral está compuesto por hemisferios de poliestireno y oro. El hemisferio de poliestireno del nanocoral se funcionalizó selectivamente con anticuerpos para dirigirse a receptores de células específicas. Esto se demostró funcionalizando la región de poliestireno con anticuerpos que se unieron específicamente a células de cáncer de mama. La región de oro de la superficie del nanocoral se utilizó para la detección y la obtención de imágenes. De este modo, los mecanismos de focalización y detección se desacoplaron y pudieron diseñarse por separado para un experimento particular. Además, la región de poliestireno también puede utilizarse como portador de fármacos y otros productos químicos mediante adsorción hidrofóbica superficial o encapsulación, lo que convierte al nanocoral en un posible nanosensor multifuncional .

Imágenes y terapia magnetolítica

También en 2010, se utilizaron nanopartículas Janus sintetizadas a partir de nanopartículas magnéticas hidrofóbicas en un lado y poli(estireno-bloque-alcohol alílico) en el otro para imágenes y terapia magnetolítica. [ 18 ] El lado magnético de las nanopartículas Janus respondió bien a estímulos magnéticos externos. Las nanopartículas se adhirieron rápidamente a las superficies celulares utilizando un campo magnético. La terapia magnetolítica se logró a través del daño de la membrana celular modulado por el campo magnético. Primero, las nanopartículas se pusieron en contacto cercano con las células tumorales y luego se aplicó un campo magnético giratorio. Después de 15 minutos, la mayoría de las células tumorales murieron. Las nanopartículas Janus magnéticas podrían servir como base para posibles aplicaciones en medicina y electrónica. Las respuestas rápidas a campos magnéticos externos podrían convertirse en un enfoque eficaz para imágenes dirigidas, terapia in vitro e in vivo y tratamiento del cáncer. De manera similar, una respuesta rápida a campos magnéticos también es deseable para fabricar pantallas inteligentes, abriendo nuevas oportunidades en electrónica y espintrónica .

En 2011, se prepararon nanopartículas Janus recubiertas de sílice, compuestas de óxido de plata y óxido de hierro ( Fe₂O₃ ) , en un solo paso con tecnología de aerosol de llama escalable. [ 57 ] Estas nanopartículas híbridas plasmónicas-magnéticas poseen propiedades aplicables en bioimagen, administración dirigida de fármacos, diagnóstico in vivo y terapia. El propósito de la capa nanodelgada de SiO₂ fue reducir la liberación de iones tóxicos Ag⁺ de la superficie de la nanopartícula a las células vivas. Como resultado, estas nanopartículas híbridas no mostraron citotoxicidad durante la bioimagen y permanecieron estables en suspensión sin signos de aglomeración o sedimentación, lo que permite que estas nanopartículas actúen como sondas multifuncionales biocompatibles para bioimagen. Posteriormente, al marcar sus superficies y unirlas selectivamente a la membrana de células Raji y HeLa marcadas vivas , se demostró que las nanopartículas son biomarcadores y se logró su detección bajo iluminación de campo oscuro. Estas nuevas nanopartículas híbridas Janus superaron las limitaciones individuales de las nanopartículas de Fe2O3 (baja estabilidad de las partículas en suspensión) y de las nanopartículas de Ag (toxicidad), al tiempo que conservaron las propiedades magnéticas deseadas del Fe2O3 y las propiedades ópticas plasmónicas de la Ag .

Aplicaciones en electrónica

La aplicación potencial de las partículas de Janus fue demostrada por primera vez por Nisisako et al. , quienes aprovecharon la anisotropía eléctrica de partículas de Janus rellenas con pigmentos blancos y negros en ambos hemisferios. [ 58 ] Estas partículas se utilizaron para crear pantallas conmutables colocando una fina capa de estas esferas entre dos electrodos . Al cambiar el campo eléctrico aplicado , las partículas orientan sus caras negras hacia el ánodo y sus caras blancas hacia el cátodo . De este modo, la orientación y el color de la pantalla pueden modificarse simplemente invirtiendo el campo eléctrico. Con este método, podría ser posible crear pantallas muy finas y respetuosas con el medio ambiente.

Las partículas Janus de grafeno se han utilizado en baterías experimentales de iones de sodio para aumentar la densidad de energía . Un lado proporciona sitios de interacción, mientras que el otro proporciona separación entre capas. La densidad de energía alcanzó los 337 mAh/g. [ 59 ]

Véase también

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