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Nanopartícula

Imágenes TEM (a, b y c) de nanopartículas de sílice mesoporosa preparadas con diámetros externos promedio de: (a) 20 nm, (b) 45 nm y (c) 80 nm. Imagen SEM (d) correspondiente a ...

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Imágenes TEM (a, b y c) de nanopartículas de sílice mesoporosa preparadas con diámetros externos promedio de: (a) 20 nm, (b) 45 nm y (c) 80 nm. Imagen SEM (d) correspondiente a (b). Los recuadros muestran una imagen ampliada de la partícula de sílice mesoporosa.

Una nanopartícula o partícula ultrafina es una partícula de materia de 1 a 100 nanómetros (nm) de diámetro . [ 1 ] [ 2 ] El término se usa a veces para partículas más grandes, de hasta 500  nm, o fibras y tubos que son menos de 100  nm en solo dos direcciones. [ 2 ] : 394 En el rango más bajo, las partículas metálicas más pequeñas de 1  nm generalmente se denominan cúmulos de átomos .

Las nanopartículas se distinguen de las micropartículas (1–1000  μm), las "partículas finas" (con un tamaño entre 100 y 2500  nm) y las "partículas gruesas" (con un tamaño que oscila entre 2500 y 10 000  nm), porque su menor tamaño genera propiedades físicas o químicas muy diferentes, como propiedades coloidales y efectos ópticos ultrarrápidos [ 3 ] o propiedades eléctricas.

Al estar más sujetas al movimiento browniano , normalmente no sedimentan, a diferencia de las partículas coloidales, cuyo tamaño suele oscilar entre 1 y 1000  nm.

Al ser mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz visible (400–700  nm), las nanopartículas no pueden verse con microscopios ópticos convencionales , lo que requiere el uso de microscopios electrónicos o microscopios láser . Por la misma razón, las dispersiones de nanopartículas en medios transparentes pueden ser transparentes, [ 4 ] mientras que las suspensiones de partículas más grandes suelen dispersar parte o la totalidad de la luz visible incidente sobre ellas. Las nanopartículas también atraviesan fácilmente los filtros comunes , como las velas cerámicas comunes , [ 5 ] por lo que su separación de líquidos requiere técnicas especiales de nanofiltración .

Las propiedades de las nanopartículas suelen diferir notablemente de las de partículas más grandes de la misma sustancia. Dado que el diámetro típico de un átomo oscila entre 0,15 y 0,6  nm, una gran fracción del material de la nanopartícula se encuentra a pocos diámetros atómicos de su superficie. Por lo tanto, las propiedades de esa capa superficial pueden predominar sobre las del material en masa. Este efecto es particularmente fuerte para las nanopartículas dispersas en un medio de diferente composición, ya que las interacciones entre los dos materiales en su interfaz también se vuelven significativas. [ 6 ]

Modelo idealizado de una nanopartícula cristalina de platino , de aproximadamente 2 nm de diámetro, que muestra los átomos individuales.

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

En general, el pequeño tamaño de las nanopartículas conlleva una menor concentración de defectos puntuales en comparación con sus contrapartes macroscópicas, [ 7 ] pero sí soportan una variedad de dislocaciones que pueden visualizarse mediante microscopios electrónicos de alta resolución . [ 8 ] Sin embargo, las nanopartículas exhiben una mecánica de dislocación diferente, lo que, junto con sus estructuras superficiales únicas, da como resultado propiedades mecánicas distintas a las del material macroscópico. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Las nanopartículas no esféricas (p. ej., prismas, cubos, varillas, etc.) exhiben propiedades (tanto químicas como físicas) dependientes de la forma y del tamaño ( anisotropía ). [ 12 ] [ 13 ] Las nanopartículas no esféricas de oro (Au), plata (Ag) y platino (Pt), debido a sus fascinantes propiedades ópticas, están encontrando diversas aplicaciones. Las geometrías no esféricas de los nanoprismas dan lugar a secciones transversales efectivas elevadas y colores más intensos de las soluciones coloidales. [ 14 ] La posibilidad de desplazar las longitudes de onda de resonancia ajustando la geometría de la partícula permite utilizarlas en los campos del marcaje molecular, los ensayos biomoleculares, la detección de metales traza o las aplicaciones nanotécnicas. Las nanopartículas anisotrópicas muestran un comportamiento de absorción específico y una orientación estocástica de las partículas bajo luz no polarizada, mostrando un modo de resonancia distinto para cada eje excitable. [ 14 ]

Definiciones

Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC)

En su propuesta de terminología de 2012 para polímeros biológicamente relacionados , la IUPAC definió una nanopartícula como "una partícula de cualquier forma con dimensiones en el rango de 1 × 10 −9 y 1 × 10 −7 m". [ 2 ] : 393 Esta definición evolucionó a partir de una dada por la IUPAC en 1997. [ 15 ] [ 16 ]

En la misma publicación de 2012, la IUPAC extiende el término para incluir tubos y fibras con solo dos dimensiones inferiores a 100  nm. [ 2 ] : 394

Organización Internacional de Normalización (ISO)

Según la especificación técnica 80004 de la Organización Internacional de Normalización (ISO) , una nanopartícula es un objeto con las tres dimensiones externas en la nanoescala, cuyos ejes más largo y más corto no difieren significativamente, siendo una diferencia significativa típicamente un factor de al menos 3. [ 17 ]

Uso común

Por lo general, se entiende por "nanoescala" el rango de 1 a 100  nm, ya que las propiedades novedosas que diferencian las partículas del material a granel suelen desarrollarse en ese rango de tamaños.

Para algunas propiedades, como la transparencia o la turbidez , la ultrafiltración , la dispersión estable, etc., se observan cambios sustanciales característicos de las nanopartículas para partículas de hasta 500  nm. Por lo tanto, el término a veces se extiende a ese rango de tamaño. [ 2 ] : 394

Los nanoclústeres son aglomerados de nanopartículas con al menos una dimensión entre 1 y 10 nanómetros y una distribución de tamaño estrecha. Los nanopolvos [ 18 ] son ​​aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas o nanoclústeres. Los monocristales de tamaño nanométrico , o partículas ultrafinas de dominio único , suelen denominarse nanocristales.

Los términos coloide y nanopartícula no son intercambiables. Un coloide es una mezcla que tiene partículas de una fase dispersas o suspendidas dentro de otra fase. El término se aplica solo si las partículas son mayores que las dimensiones atómicas pero lo suficientemente pequeñas como para exhibir movimiento browniano , con un rango de tamaño crítico (o diámetro de partícula) que generalmente va desde nanómetros (10⁻⁹ m ) hasta micrómetros (10⁻⁶ m ). [ 19 ] Los coloides pueden contener partículas demasiado grandes para ser nanopartículas, y las nanopartículas pueden existir en forma no coloidal, por ejemplo como un polvo o en una matriz sólida.

Historia

fenómeno natural

Las nanopartículas se producen naturalmente por muchos procesos cosmológicos , [ 20 ] geológicos, [ 20 ] [ 21 ] meteorológicos y biológicos. Una fracción significativa (en número, si no en masa) del polvo interplanetario , que todavía cae sobre la Tierra a razón de miles de toneladas por año, se encuentra en el rango de las nanopartículas; [ 22 ] [ 23 ] y lo mismo ocurre con las partículas de polvo atmosférico . Muchos virus tienen diámetros en el rango de las nanopartículas.

Tecnología preindustrial

Las nanopartículas fueron utilizadas por artesanos desde la prehistoria, aunque sin conocimiento de su naturaleza. Fueron utilizadas por vidrieros y alfareros en la Antigüedad Clásica , como lo ejemplifica la copa romana de Licurgo de vidrio dicroico (siglo IV d. C.) y la cerámica lustrosa de Mesopotamia (siglo IX d. C.). [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Esta última se caracteriza por nanopartículas de plata y cobre dispersas en el vidriado .

siglo XIX

Michael Faraday proporcionó la primera descripción, en términos científicos, de las propiedades ópticas de los metales a escala nanométrica en su clásico artículo de 1857. En un artículo posterior, el autor (Turner) señala que: «Es bien sabido que cuando se montan láminas delgadas de oro o plata sobre vidrio y se calientan a una temperatura muy inferior al rojo vivo (~500 °C), se produce un cambio notable en las propiedades, por el cual se destruye la continuidad de la película metálica. El resultado es que la luz blanca se transmite libremente, la reflexión disminuye correspondientemente, mientras que la resistividad eléctrica aumenta enormemente». [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

siglo XX

Durante las décadas de 1970 y 1980, cuando Granqvist y Buhrman [ 30 ] y Japón, dentro del proyecto ERATO [ 31 ] , realizaban los primeros estudios fundamentales exhaustivos sobre nanopartículas , los investigadores empleaban el término partículas ultrafinas . Sin embargo, durante la década de 1990, con el lanzamiento de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología en Estados Unidos, el término nanopartícula se popularizó. Por ejemplo, véase el artículo del mismo autor principal, publicado 20 años después, que aborda el mismo tema: la distribución lognormal de tamaños [ 32 ] .

Morfología y estructura

Nanoestrellas de óxido de vanadio(IV) ( VO2 ) que exhiben una estructura de cúmulos cristalinos similar a la de las rosas del desierto .

Las nanopartículas se presentan en una gran variedad de formas, a las que se les han dado muchos nombres, como nanoesferas, [ 33 ] nanobarras , nanocadenas , [ 34 ] nanopartículas decaédricas , nanoestrellas, nanoflores , nanoarrecifes, [ 35 ] nanofibras , nanofibras y nanocajas. [ 36 ]

La forma de las nanopartículas puede estar determinada por el hábito cristalino intrínseco del material o por la influencia del entorno que las rodea, como la inhibición del crecimiento cristalino en ciertas caras por aditivos de recubrimiento, la forma de las gotas de emulsión y las micelas en la preparación del precursor o la forma de los poros en una matriz sólida circundante. [ 37 ] Algunas aplicaciones de las nanopartículas requieren formas específicas, así como tamaños o rangos de tamaño específicos.

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

Variaciones

Se han producido nanopartículas semisólidas y blandas. Un prototipo de nanopartícula semisólida es el liposoma . Actualmente, diversos tipos de nanopartículas liposomales se utilizan clínicamente como sistemas de administración de fármacos y vacunas contra el cáncer .

La descomposición de biopolímeros en sus bloques de construcción a nanoescala se considera una vía potencial para producir nanopartículas con biocompatibilidad y biodegradabilidad mejoradas . El ejemplo más común es la producción de nanocelulosa a partir de pulpa de madera . [ 38 ] Otros ejemplos son la nanolignina , la nanoquitina o los nanoalmidones . [ 39 ]

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

Las nanopartículas de hidrogel formadas por un núcleo de hidrogel de N- isopropilacrilamida pueden teñirse internamente con ligandos de afinidad. [ 40 ] Estos ligandos permiten que las nanopartículas aíslen y eliminen proteínas no deseadas, a la vez que potencian los analitos objetivo. [ 40 ]

Nucleación y crecimiento

Impacto de la nucleación

La nucleación sienta las bases para la síntesis de nanopartículas. Los núcleos iniciales desempeñan un papel vital en el tamaño y la forma de las nanopartículas que finalmente se formarán, actuando como núcleos plantilla para la propia nanopartícula. La estabilidad a largo plazo también está determinada por los procedimientos de nucleación inicial. [ 41 ] La nucleación homogénea ocurre cuando los núcleos se forman uniformemente en toda la fase original y es menos común. Sin embargo, la nucleación heterogénea se forma en áreas como superficies de contenedores, impurezas y otros defectos. [ 42 ] Los cristales pueden formarse simultáneamente cuando la nucleación ocurre rápidamente, lo que resulta en un producto más uniforme (monodisperso). Por el contrario, las tasas de nucleación lentas a menudo conducen a una población diversa (polidispersa) de cristales con tamaños variables. Este fenómeno se ejemplifica en la formación de cristales de CaCO 3. [ 43 ] El control de la nucleación permite controlar el tamaño, la dispersión y la fase de las nanopartículas.

El proceso de nucleación y crecimiento dentro de las nanopartículas puede describirse mediante nucleación, maduración de Ostwald o el modelo de autocatálisis de dos pasos . [ 44 ]

Nucleación

La teoría original de 1927 sobre la nucleación en la formación de nanopartículas fue la Teoría Clásica de Nucleación (TCN). [ 45 ] Se creía que los cambios en el tamaño de las partículas podían describirse únicamente mediante la nucleación explosiva. En 1950, Viktor LaMer utilizó la TCN como base de nucleación para su modelo de crecimiento de nanopartículas. El modelo de LaMer consta de tres partes: 1. Aumento rápido de la concentración de monómeros libres en solución, 2. Nucleación rápida del monómero caracterizada por un crecimiento explosivo de partículas, 3. Crecimiento de partículas controlado por la difusión del monómero. [ 46 ] Este modelo describe que el crecimiento en el núcleo es espontáneo, pero limitado por la difusión del precursor a la superficie del núcleo. El modelo de LaMer no ha podido explicar la cinética de nucleación en ningún sistema moderno. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]

Maduración de Ostwald

La maduración de Ostwald es un proceso en el que las partículas grandes crecen a expensas de las más pequeñas como resultado de la disolución de estas últimas y la deposición de las moléculas disueltas en la superficie de las partículas más grandes. Esto ocurre porque las partículas más pequeñas tienen una mayor energía superficial que las más grandes. [ 50 ] Este proceso suele ser indeseable en la síntesis de nanopartículas, ya que afecta negativamente a su funcionalidad.

Mecanismo de dos pasos: modelo de autocatálisis

En 1997, Finke y Watzky propusieron un nuevo modelo cinético para la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. Este modelo de 2 pasos sugirió que la nucleación lenta y constante (que ocurre lejos de la sobresaturación) es seguida por un crecimiento autocatalítico donde la dispersión de las nanopartículas está determinada en gran medida. Este modelo FW (Finke-Watzky) de 2 pasos proporciona una base mecanicista más sólida para el diseño de nanopartículas con un enfoque en el control del tamaño, la forma y la dispersión. [ 44 ] [ 47 ] El modelo fue posteriormente ampliado a un modelo de 3 pasos y dos modelos de 4 pasos entre 2004 y 2008. Aquí, se incluyó un paso adicional para tener en cuenta la agregación de partículas pequeñas, donde dos partículas más pequeñas podrían agregarse para formar una partícula más grande. [ 51 ] Luego, se agregó un cuarto paso (otro paso autocatalítico) para tener en cuenta una partícula pequeña que se aglomera con una partícula más grande. [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] Finalmente, en 2014, se consideró un cuarto paso alternativo que contemplaba un crecimiento superficial atómico en una partícula grande. [ 55 ]

Medición de la velocidad de nucleación

En 2014, la teoría clásica de nucleación explicaba que la tasa de nucleación correspondería a la fuerza impulsora. Un método para medir la tasa de nucleación es el método del tiempo de inducción. Este proceso utiliza la naturaleza estocástica de la nucleación y determina la tasa de nucleación mediante el análisis del tiempo transcurrido entre la sobresaturación constante y la detección inicial de cristales. [ 56 ] Otro método incluye el modelo de distribución de probabilidad, análogo a los métodos utilizados para estudiar líquidos subenfriados, donde se deriva la probabilidad de encontrar al menos un núcleo en un momento dado.

A partir de 2019, las primeras etapas de la nucleación y las tasas asociadas a ella se modelaron mediante modelado computacional multiescala. Esto incluyó la exploración de un modelo mejorado de ecuación de velocidad cinética y estudios de función de densidad utilizando el modelo de cristal de campo de fase. [ 57 ]

Propiedades

Las propiedades de un material en forma de nanopartículas son inusualmente diferentes de las del material a granel, incluso cuando se divide en partículas de tamaño micrométrico. [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] Muchas de ellas se deben al confinamiento espacial de partículas subatómicas (es decir, electrones, protones, fotones) y a los campos eléctricos que rodean estas partículas. La gran relación superficie-volumen también es un factor significativo a esta escala. [ 13 ]

Controlar las propiedades

Las etapas iniciales de nucleación del proceso de síntesis influyen notablemente en las propiedades de una nanopartícula. La nucleación, por ejemplo, es vital para el tamaño de la nanopartícula. Se debe alcanzar un radio crítico en las etapas iniciales de la formación sólida, o las partículas se redisuelven en la fase líquida. [ 61 ] La forma final de una nanopartícula también está controlada por la nucleación. Las posibles morfologías finales creadas por la nucleación pueden incluir partículas esféricas, cúbicas, en forma de aguja, en forma de gusano, entre otras. [ 44 ] La nucleación puede controlarse principalmente mediante el tiempo y la temperatura, así como la sobresaturación de la fase líquida y el entorno general de la síntesis. [ 62 ]

Gran relación superficie-volumen

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

Se espera que los materiales a granel (de más de 100  nm de tamaño) tengan propiedades físicas constantes (como conductividad térmica y eléctrica , rigidez , densidad y viscosidad ) independientemente de su tamaño; sin embargo, para las nanopartículas, esto es diferente: el volumen de la capa superficial (de unos pocos diámetros atómicos de ancho) se convierte en una fracción significativa del volumen de la partícula; mientras que esa fracción es insignificante para partículas con un diámetro de un micrómetro o más. En otras palabras, la relación área superficial/volumen influye en ciertas propiedades de las nanopartículas de manera más prominente que en las partículas a granel. [ 13 ]

capa interfacial

Para nanopartículas dispersas en un medio de composición diferente, la capa interfacial —formada por iones y moléculas del medio que se encuentran a pocos diámetros atómicos de la superficie de cada partícula— puede enmascarar o modificar sus propiedades químicas y físicas. De hecho, dicha capa puede considerarse parte integral de cada nanopartícula. [ 6 ]

Afinidad con el disolvente

Es posible obtener suspensiones de nanopartículas, ya que la interacción de la superficie de la partícula con el disolvente es lo suficientemente fuerte como para superar las diferencias de densidad , que de otro modo suelen provocar que el material se hunda o flote en un líquido.

Recubrimientos

Nanopartícula semiconductora ( punto cuántico ) de sulfuro de plomo con pasivación completa mediante ácido oleico, oleilamina y ligandos hidroxilo (tamaño ~5 nm).

Las nanopartículas suelen desarrollar o recibir recubrimientos de otras sustancias, distintas tanto del material de la partícula como del medio circundante. Incluso con un espesor de una sola molécula, estos recubrimientos pueden modificar radicalmente las propiedades de las partículas, como la reactividad química, la actividad catalítica y la estabilidad en suspensión.

Difusión a través de la superficie

La gran superficie de un material en forma de nanopartículas permite que el calor, las moléculas y los iones se difundan dentro o fuera de las partículas a velocidades muy elevadas. Por otro lado, el pequeño diámetro de las partículas permite que todo el material alcance un equilibrio homogéneo con respecto a la difusión en un tiempo muy corto. De este modo, muchos procesos que dependen de la difusión, como la sinterización , pueden tener lugar a temperaturas más bajas y en escalas de tiempo más cortas, lo cual puede ser importante en catálisis .

Efectos ferromagnéticos y ferroeléctricos

El pequeño tamaño de las nanopartículas afecta sus propiedades magnéticas y eléctricas. Los materiales ferromagnéticos en el rango micrométrico son un buen ejemplo: ampliamente utilizados en medios de grabación magnética , debido a la estabilidad de su estado de magnetización, las partículas menores de 10  nm son inestables y pueden cambiar de estado (invertirse) como resultado de la energía térmica a temperaturas ordinarias, lo que las hace inadecuadas para esa aplicación. [ 63 ]

Propiedades mecánicas

La concentración reducida de vacantes en los nanocristales puede afectar negativamente el movimiento de las dislocaciones , ya que el ascenso de dislocaciones requiere la migración de vacantes. Además, existe una presión interna muy alta debido a la tensión superficial presente en nanopartículas pequeñas con grandes radios de curvatura . [ 64 ] Esto causa una deformación de la red que es inversamente proporcional al tamaño de la partícula, [ 65 ] también es bien sabido que impide el movimiento de las dislocaciones, de la misma manera que lo hace en el endurecimiento por deformación de los materiales. [ 66 ] Por ejemplo, las nanopartículas de oro son significativamente más duras que el material a granel. [ 67 ] Además, la alta relación superficie-volumen en las nanopartículas hace que las dislocaciones tengan más probabilidades de interactuar con la superficie de la partícula. En particular, esto afecta la naturaleza de la fuente de dislocaciones y permite que las dislocaciones escapen de la partícula antes de que puedan multiplicarse, reduciendo la densidad de dislocaciones y, por lo tanto, la extensión de la deformación plástica . [ 68 ] [ 69 ]

Existen desafíos únicos asociados con la medición de propiedades mecánicas a nanoescala, ya que no se pueden emplear métodos convencionales como la máquina de ensayo universal . Como resultado, se han desarrollado nuevas técnicas como la nanoindentación que complementan los métodos existentes de microscopía electrónica y sonda de barrido . [ 70 ] La microscopía de fuerza atómica (AFM) se puede utilizar para realizar nanoindentación para medir la dureza , el módulo elástico y la adhesión entre nanopartículas y sustrato. [ 71 ] La deformación de la partícula se puede medir mediante la deflexión de la punta del voladizo sobre la muestra. Las curvas de fuerza-desplazamiento resultantes se pueden utilizar para calcular el módulo elástico . [ 72 ] Sin embargo, no está claro si el tamaño de la partícula y la profundidad de indentación afectan el módulo elástico medido de las nanopartículas por AFM. [ 72 ]

Las fuerzas de adhesión y fricción son consideraciones importantes en la nanofabricación, la lubricación, el diseño de dispositivos, la estabilización coloidal y la administración de fármacos. [ 71 ] La fuerza capilar es el principal contribuyente a la fuerza adhesiva en condiciones ambientales. [ 73 ] La fuerza de adhesión y fricción se puede obtener a partir de la deflexión del voladizo si la punta del AFM se considera una nanopartícula. Sin embargo, este método está limitado por el material de la punta y la forma geométrica. [ 74 ] La técnica de sonda coloidal supera estos problemas al unir una nanopartícula a la punta del AFM, lo que permite controlar el tamaño, la forma y el material. [ 75 ] Si bien la técnica de sonda coloidal es un método eficaz para medir la fuerza de adhesión, sigue siendo difícil unir una sola nanopartícula de menos de 1 micra al sensor de fuerza del AFM. [ 75 ]

Otra técnica es la TEM in situ , que proporciona imágenes en tiempo real y de alta resolución de la respuesta de la nanoestructura a un estímulo. Por ejemplo, se utilizó un soporte de sonda de fuerza in situ en TEM para comprimir nanopartículas gemelas y caracterizar la resistencia a la fluencia . [ 76 ] En general, la medición de las propiedades mecánicas de las nanopartículas está influenciada por muchos factores, incluyendo la dispersión uniforme de las nanopartículas, la aplicación precisa de la carga, la deformación mínima de la partícula, la calibración y el modelo de cálculo. [ 71 ]

Al igual que los materiales a granel, las propiedades de las nanopartículas dependen del material. En el caso de las nanopartículas poliméricas esféricas, la temperatura de transición vítrea y la cristalinidad pueden afectar la deformación y modificar el módulo elástico en comparación con el material a granel. [ 71 ] Sin embargo, el comportamiento de los módulos elásticos dependiente del tamaño no se puede generalizar a través de los polímeros. [ 71 ] En cuanto a las nanopartículas metálicas cristalinas, se ha observado que las dislocaciones influyen en las propiedades mecánicas de las nanopartículas, lo que contradice la visión convencional de que las dislocaciones están ausentes en las nanopartículas cristalinas. [ 71 ]

depresión del punto de fusión

Un material puede tener un punto de fusión más bajo en forma de nanopartículas que en forma masiva. Por ejemplo,  las nanopartículas de oro de 2,5 nm se funden a unos 300  °C, mientras que el oro masivo se funde a 1064  °C. [ 77 ]

Efectos de la mecánica cuántica

Los efectos de la mecánica cuántica se hacen perceptibles en objetos a nanoescala. [ 78 ] Estos incluyen el confinamiento cuántico en partículas semiconductoras , plasmones de superficie localizados [ 78 ] en algunas partículas metálicas y superparamagnetismo en materiales magnéticos . Los puntos cuánticos son nanopartículas de material semiconductor lo suficientemente pequeñas (típicamente sub 10 nm o menos) como para tener niveles de energía  electrónica cuantizados .

Los efectos cuánticos son responsables del color rojo intenso a negro de los nanopolvos de oro o silicio y las suspensiones de nanopartículas. [ 77 ] La absorción de la radiación solar es mucho mayor en materiales compuestos de nanopartículas que en películas delgadas de láminas continuas de material. Tanto en aplicaciones solares fotovoltaicas como solares térmicas , al controlar el tamaño, la forma y el material de las partículas, es posible controlar la absorción solar. [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]

Las nanopartículas de núcleo-corteza pueden soportar simultáneamente resonancias eléctricas y magnéticas, demostrando propiedades completamente nuevas en comparación con las nanopartículas metálicas puras si las resonancias se diseñan adecuadamente. [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] La formación de la estructura de núcleo-corteza a partir de dos metales diferentes permite un intercambio de energía entre el núcleo y la corteza, que se encuentra típicamente en nanopartículas de conversión ascendente y descendente, y provoca un desplazamiento en el espectro de longitud de onda de emisión. [ 86 ]

Al introducir una capa dieléctrica, las nanopartículas plasmónicas de núcleo (metal) y capa (dieléctrica) mejoran la absorción de luz al aumentar la dispersión. Recientemente, la nanopartícula de núcleo metálico y capa dieléctrica ha demostrado una dispersión hacia atrás nula con una dispersión hacia adelante mejorada sobre un sustrato de silicio cuando el plasmón de superficie se ubica frente a una celda solar. [ 87 ]

Embalaje regular

Las nanopartículas de tamaño suficientemente uniforme pueden asentarse espontáneamente en estructuras regulares, formando un cristal coloidal . Estas estructuras pueden exhibir propiedades físicas originales, como las observadas en los cristales fotónicos . [ 88 ] [ 89 ]

Producción

Las nanopartículas artificiales pueden crearse a partir de cualquier material sólido o líquido, incluidos metales , dieléctricos y semiconductores . Pueden ser internamente homogéneas o heterogéneas, por ejemplo, con una estructura de núcleo-corteza. [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 90 ]

Existen varios métodos para crear nanopartículas, entre ellos la condensación de gases , la atrición , la precipitación química , [ 91 ] la implantación iónica , la pirólisis , la síntesis hidrotermal y la biosíntesis. [ 92 ]

Mecánico

Las partículas sólidas friables a macro o microescala pueden molerse en un molino de bolas , un molino de bolas planetario u otro mecanismo de reducción de tamaño hasta que una cantidad suficiente se encuentre en el rango de tamaño nanométrico. El polvo resultante puede clasificarse por aire para extraer las nanopartículas. [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]

Descomposición de biopolímeros

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

Pirólisis

Otro método para crear nanopartículas consiste en transformar una sustancia precursora adecuada, como un gas (por ejemplo, metano) o un aerosol , en partículas sólidas mediante combustión o pirólisis . Esto es una generalización de la combustión de hidrocarburos u otros vapores orgánicos para generar hollín . La pirólisis tradicional suele dar lugar a agregados y aglomerados en lugar de partículas primarias individuales. Este inconveniente puede evitarse mediante la pirólisis por pulverización con boquilla ultrasónica , en la que el líquido precursor se fuerza a través de un orificio a alta presión.

Condensación a partir de plasma

Las nanopartículas de metales puros, óxidos , carburos y nitruros [ 96 ] se pueden crear vaporizando un precursor sólido con un plasma térmico y luego condensando el vapor por expansión o enfriamiento en un gas o líquido adecuado. El plasma se puede producir mediante chorro de CC , arco eléctrico o inducción de radiofrecuencia (RF) . El plasma térmico puede alcanzar temperaturas de 10.000 K y, por lo tanto, también puede sintetizar nanopartículas con puntos de ebullición muy altos. Los alambres metálicos se pueden vaporizar mediante el método del alambre explosivo .

En las antorchas de plasma de inducción por radiofrecuencia, el acoplamiento de energía al plasma se logra mediante el campo electromagnético generado por la bobina de inducción. El gas del plasma no entra en contacto con los electrodos, eliminando así posibles fuentes de contaminación y permitiendo el funcionamiento de estas antorchas con una amplia gama de gases, incluyendo atmósferas inertes, reductoras, oxidantes y otras corrosivas. La frecuencia de trabajo suele estar entre 200  kHz y 40  MHz. Las unidades de laboratorio operan a niveles de potencia del orden de 30 a 50  kW, mientras que las unidades industriales a gran escala se han probado a niveles de potencia de hasta 1 MW. Dado que el tiempo de residencia de las gotas de alimentación inyectadas en el plasma es muy corto, es importante que el tamaño de las gotas sea lo suficientemente pequeño para lograr una evaporación completa.

Condensación de gas inerte

La condensación de gas inerte se utiliza frecuentemente para producir nanopartículas metálicas. El metal se evapora en una cámara de vacío que contiene una atmósfera reducida de un gas inerte. [ 97 ] La condensación del vapor metálico sobresaturado da como resultado la creación de partículas de tamaño nanométrico, que pueden ser arrastradas por la corriente de gas inerte y depositadas sobre un sustrato o estudiadas in situ. Los primeros estudios se basaron en la evaporación térmica. [ 97 ] El uso de la pulverización catódica por magnetrón para crear el vapor metálico permite lograr mayores rendimientos. [ 98 ] El método puede generalizarse fácilmente a nanopartículas de aleación eligiendo objetivos metálicos apropiados. El uso de esquemas de crecimiento secuencial, donde las partículas viajan a través de un segundo vapor metálico, da como resultado el crecimiento de estructuras de núcleo-corteza (CS). [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 90 ]

Método de radiólisis

a) Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de nanopartículas de Hf cultivadas mediante condensación de gas inerte por pulverización catódica con magnetrón (recuadro: distribución de tamaño) [ 102 ] y b) mapeo de rayos X de energía dispersiva (EDX) de nanopartículas de Ni y Ni@Cu con estructura núcleo-capa. [ 100 ]

Las nanopartículas también pueden formarse mediante radioquímica . La radiólisis por rayos gamma puede crear radicales libres altamente reactivos en solución. Esta técnica relativamente sencilla utiliza un número mínimo de sustancias químicas, entre las que se incluyen agua, una sal metálica soluble, un captador de radicales (a menudo un alcohol secundario) y un tensioactivo (agente de recubrimiento orgánico). Se requieren dosis altas de rayos gamma del orden de 10⁴ gray . En este proceso, los radicales reductores reducen los iones metálicos al estado de valencia cero. Un captador químico interactúa preferentemente con los radicales oxidantes para evitar la reoxidación del metal. Una vez en el estado de valencia cero, los átomos metálicos comienzan a coalescer formando partículas. Un tensioactivo químico rodea la partícula durante su formación y regula su crecimiento. En concentraciones suficientes, las moléculas de tensioactivo permanecen unidas a la partícula, lo que impide su disociación o la formación de cúmulos con otras partículas. La formación de nanopartículas mediante el método de radiólisis permite ajustar el tamaño y la forma de las partículas modificando las concentraciones de los precursores y la dosis de rayos gamma. [ 103 ]

Química húmeda

Las nanopartículas de ciertos materiales pueden crearse mediante procesos químicos "húmedos", en los que se mezclan o tratan de otro modo soluciones de compuestos adecuados para formar un precipitado insoluble del material deseado. El tamaño de las partículas se ajusta eligiendo la concentración de los reactivos y la temperatura de las soluciones, y mediante la adición de agentes inertes adecuados que afectan la viscosidad y la velocidad de difusión del líquido. Con diferentes parámetros, el mismo proceso general puede generar otras nanoestructuras del mismo material, como aerogeles y otras redes porosas. [ 104 ]

Las nanopartículas formadas mediante este método se separan del disolvente y de los subproductos solubles de la reacción mediante una combinación de evaporación , sedimentación , centrifugación , lavado y filtración . Alternativamente, si se desea depositar las partículas sobre la superficie de un sustrato sólido, las soluciones iniciales pueden recubrirse sobre dicha superficie mediante inmersión o recubrimiento por centrifugación , y la reacción puede llevarse a cabo in situ.

La deposición química sin electrólisis ofrece una oportunidad única para el crecimiento de nanopartículas sobre superficies sin necesidad de costosos procesos como el recubrimiento por centrifugación, la electrodeposición o la deposición física de vapor. Los procesos de deposición química sin electrólisis pueden formar suspensiones coloidales para la deposición catalítica de metales u óxidos metálicos. La suspensión de nanopartículas resultante de este proceso es un ejemplo de coloide . Ejemplos típicos de este método son la producción de nanopartículas de óxido o hidróxido metálico mediante la hidrólisis de alcóxidos y cloruros metálicos . [ 105 ] [ 4 ]

Además de ser económico y práctico, el método químico húmedo permite un control preciso de la composición química de las partículas. Incluso pequeñas cantidades de dopantes, como colorantes orgánicos y metales de tierras raras, pueden introducirse en las soluciones de reactivos y terminan dispersándose uniformemente en el producto final. [ 106 ] [ 107 ]

implantación iónica

La implantación iónica puede utilizarse para tratar las superficies de materiales dieléctricos como el zafiro y la sílice, con el fin de crear materiales compuestos con dispersiones superficiales de nanopartículas de metal u óxido.

Funcionalización

Muchas propiedades de las nanopartículas, en particular su estabilidad, solubilidad y actividad química o biológica, pueden modificarse radicalmente recubriéndolas con diversas sustancias, un proceso denominado funcionalización . Los catalizadores basados ​​en nanomateriales funcionalizados pueden utilizarse para catalizar numerosas reacciones orgánicas conocidas.

Por ejemplo, las suspensiones de partículas de grafeno pueden estabilizarse mediante la funcionalización con grupos de ácido gálico . [ 108 ]

Para aplicaciones biológicas, el recubrimiento superficial debe ser polar para proporcionar una alta solubilidad acuosa y prevenir la agregación de nanopartículas. En el suero o en la superficie celular, los recubrimientos altamente cargados promueven la unión no específica, mientras que el polietilenglicol unido a grupos hidroxilo o metoxi terminales repele las interacciones no específicas. [ 109 ] [ 110 ] Mediante la inmovilización de grupos tiol en la superficie de las nanopartículas o recubriéndolas con tiómeros , se pueden introducir propiedades que mejoran la (muco)adhesividad y la captación celular. [ 111 ]

Las nanopartículas pueden unirse a moléculas biológicas que actúan como etiquetas de dirección, dirigiéndolas a sitios específicos dentro del cuerpo [ 112 ] , orgánulos específicos dentro de la célula [ 113 ] o haciendo que sigan específicamente el movimiento de moléculas individuales de proteínas o ARN en células vivas [ 114 ] . Las etiquetas de dirección comunes son anticuerpos monoclonales , aptámeros , estreptavidina o péptidos . Idealmente, estos agentes de direccionamiento deberían estar unidos covalentemente a la nanopartícula y estar presentes en un número controlado por nanopartícula. Las nanopartículas multivalentes, que poseen múltiples grupos de direccionamiento, pueden agrupar receptores, lo que puede activar vías de señalización celular y proporcionar un anclaje más fuerte. Las nanopartículas monovalentes, que poseen un único sitio de unión [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ], evitan la agrupación y, por lo tanto, son preferibles para rastrear el comportamiento de proteínas individuales.

Se ha demostrado que la actividad catalítica y las tasas de sinterización de un catalizador de nanopartículas funcionalizadas están correlacionadas con la densidad numérica de nanopartículas [ 118 ].

Los recubrimientos que imitan los de los glóbulos rojos pueden ayudar a las nanopartículas a evadir el sistema inmunitario. [ 119 ]

Requisitos de uniformidad

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

La aglomeración incontrolada de polvos debido a las fuerzas atractivas de van der Waals también puede dar lugar a heterogeneidad microestructural. Las tensiones diferenciales que se desarrollan como resultado de la contracción por secado no uniforme están directamente relacionadas con la velocidad a la que se puede eliminar el disolvente y, por lo tanto, dependen en gran medida de la distribución de la porosidad . Dichas tensiones se han asociado con una transición de plástico a frágil en cuerpos consolidados y pueden provocar la propagación de grietas en el cuerpo sin cocer si no se alivian. [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]

Además, cualquier fluctuación en la densidad de empaquetamiento en el compacto durante su preparación para el horno suele amplificarse durante el proceso de sinterización , lo que produce una densificación no homogénea. Se ha demostrado que algunos poros y otros defectos estructurales asociados con variaciones de densidad desempeñan un papel perjudicial en el proceso de sinterización al crecer y, por lo tanto, limitar las densidades finales. También se ha demostrado que las tensiones diferenciales derivadas de la densificación no homogénea dan lugar a la propagación de grietas internas, convirtiéndose así en los defectos que controlan la resistencia. [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]

La evaporación y deposición de gas inerte [ 30 ] [ 31 ] están libres de muchos de estos defectos debido a la naturaleza de destilación (cf. purificación) del proceso y al tiempo suficiente para formar partículas monocristalinas; sin embargo, incluso sus depósitos no agregados tienen una distribución de tamaño lognormal , que es típica de las nanopartículas. [ 31 ] La razón por la que las técnicas modernas de evaporación de gas pueden producir una distribución de tamaño relativamente estrecha es que se puede evitar la agregación. [ 31 ] Sin embargo, incluso en este caso, los tiempos de residencia aleatorios en la zona de crecimiento, debido a la combinación de deriva y difusión, dan como resultado una distribución de tamaño que parece lognormal. [ 32 ]

Por lo tanto, parece deseable procesar un material de manera que sea físicamente uniforme en cuanto a la distribución de componentes y porosidad, en lugar de utilizar distribuciones de tamaño de partícula que maximicen la densidad en verde. La contención de un conjunto uniformemente disperso de partículas que interactúan fuertemente en suspensión requiere un control total sobre las fuerzas interparticulares. Las nanopartículas y coloides monodispersos ofrecen este potencial. [ 126 ]

Caracterización

Las nanopartículas tienen requisitos analíticos diferentes a los de los productos químicos convencionales, para los cuales la composición química y la concentración son métricas suficientes. Las nanopartículas poseen otras propiedades físicas que deben medirse para una descripción completa, como el tamaño , la forma , las propiedades superficiales , la cristalinidad y el estado de dispersión . Además, los procedimientos de muestreo y de laboratorio pueden perturbar su estado de dispersión o sesgar la distribución de otras propiedades. [ 127 ] [ 128 ] En contextos ambientales, un desafío adicional es que muchos métodos no pueden detectar bajas concentraciones de nanopartículas que aún pueden tener un efecto adverso. [ 127 ] Para algunas aplicaciones, las nanopartículas pueden caracterizarse en matrices complejas como agua, suelo, alimentos, polímeros, tintas, mezclas complejas de líquidos orgánicos como en cosméticos o sangre. [ 129 ] [ 130 ]

Existen varias categorías generales de métodos utilizados para caracterizar nanopartículas. Los métodos de microscopía generan imágenes de nanopartículas individuales para caracterizar su forma, tamaño y ubicación. La microscopía electrónica y la microscopía de sonda de barrido son los métodos predominantes. Debido a que las nanopartículas tienen un tamaño inferior al límite de difracción de la luz visible , la microscopía óptica convencional no resulta útil. Los microscopios electrónicos pueden acoplarse a métodos espectroscópicos que permiten realizar análisis elementales . Los métodos de microscopía son destructivos y pueden ser propensos a artefactos indeseables derivados de la preparación de la muestra o de la geometría de la punta de la sonda en el caso de la microscopía de sonda de barrido. Además, la microscopía se basa en mediciones de partículas individuales , lo que significa que se debe caracterizar un gran número de partículas individuales para estimar sus propiedades macroscópicas. [ 127 ] [ 129 ]

La espectroscopia , que mide la interacción de las partículas con la radiación electromagnética en función de la longitud de onda , es útil para algunas clases de nanopartículas para caracterizar la concentración, el tamaño y la forma. La espectroscopia de rayos X , ultravioleta-visible , infrarroja y de resonancia magnética nuclear se puede utilizar con nanopartículas. [ 131 ] [ 127 ] [ 129 ] Los métodos de dispersión de luz que utilizan luz láser , rayos X o dispersión de neutrones se utilizan para determinar el tamaño de las partículas, siendo cada método adecuado para diferentes rangos de tamaño y composiciones de partículas. [ 127 ] [ 129 ] Algunos métodos diversos son la electroforesis para la carga superficial, el método de Brunauer-Emmett-Teller para el área superficial y la difracción de rayos X para la estructura cristalina, [ 127 ] así como la espectrometría de masas para la masa de partículas y los contadores de partículas para el número de partículas. [ 129 ] Las técnicas de cromatografía , centrifugación y filtración pueden utilizarse para separar nanopartículas por tamaño u otras propiedades físicas antes o durante la caracterización. [ 127 ]

Salud y seguridad

Las nanopartículas presentan peligros potenciales, tanto médicos como ambientales. [ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] La mayoría de estos se deben a la alta relación superficie-volumen, que puede hacer que las partículas sean muy reactivas o catalíticas . [ 136 ] También se cree que se agregan en bicapas de fosfolípidos [ 137 ] y atraviesan las membranas celulares en los organismos, y sus interacciones con los sistemas biológicos son relativamente desconocidas. [ 138 ] [ 139 ] Sin embargo, es improbable que las partículas entren en el núcleo celular, el complejo de Golgi, el retículo endoplasmático u otros componentes celulares internos debido al tamaño de la partícula y la aglomeración intercelular. [ 140 ] Un estudio reciente que analiza los efectos de las nanopartículas de ZnO en células inmunes humanas ha encontrado diferentes niveles de susceptibilidad a la citotoxicidad . [ 141 ] Existe preocupación de que las compañías farmacéuticas, al buscar la aprobación regulatoria para nanorreformulaciones de medicamentos existentes, se basen en datos de seguridad producidos durante los estudios clínicos de la versión anterior del medicamento, previa a la reformulación. Esto podría resultar en que los organismos reguladores, como la FDA, pasen por alto nuevos efectos secundarios específicos de la nanorreformulación. [ 142 ] Sin embargo, numerosas investigaciones han demostrado que las nanopartículas de zinc no se absorben en el torrente sanguíneo in vivo. [ 143 ]

También se ha planteado la preocupación por los efectos en la salud de las nanopartículas respirables procedentes de ciertos procesos de combustión. [ 144 ] [ 145 ] Las investigaciones preclínicas han demostrado que algunas nanoestructuras de metales nobles inhaladas o inyectadas evitan la persistencia en los organismos. [ 146 ] [ 147 ] En 2013, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. estaba investigando la seguridad de las siguientes nanopartículas: [ 148 ]

  • Nanotubos de carbono : Los materiales de carbono tienen una amplia gama de usos, desde compuestos para vehículos y equipos deportivos hasta circuitos integrados para componentes electrónicos. Las interacciones entre nanomateriales como los nanotubos de carbono y la materia orgánica natural influyen notablemente en su agregación y deposición, lo que afecta significativamente su transporte, transformación y exposición en ambientes acuáticos. En investigaciones anteriores, los nanotubos de carbono mostraron algunos impactos toxicológicos que se evaluarán en diversos entornos ambientales en la investigación actual de seguridad química de la EPA. La investigación de la EPA proporcionará datos, modelos, métodos de prueba y mejores prácticas para descubrir los efectos agudos de los nanotubos de carbono en la salud e identificar métodos para predecirlos. [ 148 ]
  • Óxido de cerio : El óxido de cerio a nanoescala se utiliza en electrónica, suministros biomédicos, energía y aditivos para combustibles. Muchas aplicaciones de nanopartículas de óxido de cerio diseñadas se dispersan naturalmente en el medio ambiente, lo que aumenta el riesgo de exposición. Existe una exposición continua a nuevas emisiones de diésel que utilizan aditivos para combustibles que contienen nanopartículas de CeO₂ , y se desconocen los impactos ambientales y en la salud pública de esta nueva tecnología. La investigación sobre seguridad química de la EPA está evaluando las implicaciones ambientales, ecológicas y para la salud de los aditivos para combustibles diésel basados ​​en nanotecnología. [ 148 ]
  • Dióxido de titanio : El dióxido de titanio nanoestructurado se utiliza actualmente en numerosos productos. Según el tipo de partícula, puede encontrarse en protectores solares, cosméticos, pinturas y recubrimientos. También se está investigando su uso para eliminar contaminantes del agua potable. [ 148 ]
  • Nanoplata : La nanoplata se está incorporando a textiles, ropa, envases de alimentos y otros materiales para eliminar bacterias. La EPA y la Comisión de Seguridad de Productos para el Consumidor de EE. UU. están estudiando ciertos productos para determinar si transfieren nanopartículas de plata en situaciones reales. La EPA está investigando este tema para comprender mejor la cantidad de nanoplata con la que los niños entran en contacto en su entorno. [ 148 ]
  • Hierro: Si bien el hierro a nanoescala se está investigando para diversos usos, incluyendo "fluidos inteligentes" para aplicaciones como el pulido de componentes ópticos y como suplemento de hierro de mejor absorción , uno de sus usos más destacados actualmente es la eliminación de la contaminación del agua subterránea. Este uso, respaldado por investigaciones de la EPA, se está probando en varios sitios de Estados Unidos. [ 148 ]

Regulación

Hasta 2016, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) había registrado condicionalmente, por un período de cuatro años, solo dos pesticidas nanomateriales como ingredientes. La EPA diferencia los ingredientes a nanoescala de las formas no nanométricas del ingrediente, pero existen pocos datos científicos sobre la posible variación en la toxicidad. Aún es necesario desarrollar protocolos de prueba. [ 149 ]

Aplicaciones

Las nanopartículas, la morfología más común de nanomateriales utilizados en productos de consumo, poseen un enorme potencial y un amplio abanico de aplicaciones reales. La siguiente tabla resume las nanopartículas más frecuentes empleadas en diversos tipos de productos disponibles en el mercado global.

La investigación científica sobre nanopartículas es intensa, ya que tienen muchas aplicaciones potenciales en medicina preclínica [ 150 ] [ 151 ] y clínica, física, [ 152 ] [ 153 ] [ 154 ] óptica, [ 155 ] [ 156 ] [ 157 ] y electrónica. [ 84 ] [ 80 ] [ 78 ] [ 81 ] La Iniciativa Nacional de Nanotecnología de EE. UU. ofrece financiación gubernamental centrada en la investigación de nanopartículas. El uso de nanopartículas en medios de ganancia láser de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) dopados con colorante láser se demostró en 2003 y se ha demostrado que mejora las eficiencias de conversión y disminuye la divergencia del haz láser. [ 158 ] Los investigadores atribuyen la reducción en la divergencia del haz a las características dn/dT mejoradas del nanocompuesto orgánico-inorgánico dopado con colorante. La composición óptima reportada por estos investigadores es 30% p/p de SiO₂ ( ~12 nm) en PMMA dopado con colorante. Se están investigando las nanopartículas como un sistema potencial de administración de fármacos. [ 159 ] Los fármacos, factores de crecimiento u otras biomoléculas pueden conjugarse a nanopartículas para facilitar la administración dirigida. [ 160 ] Esta administración asistida por nanopartículas permite el control espacial y temporal de los fármacos cargados para lograr el resultado biológico más deseado. También se estudian las nanopartículas para posibles aplicaciones como suplementos dietéticos para la administración de sustancias biológicamente activas, por ejemplo, elementos minerales . [ 161 ] 

Refuerzo de polímero

Las nanopartículas de arcilla, al incorporarse a matrices poliméricas, aumentan el refuerzo, lo que da lugar a plásticos más resistentes, verificables mediante una temperatura de transición vítrea más alta y otras pruebas de propiedades mecánicas. Estas nanopartículas son duras y confieren sus propiedades al polímero (plástico). También se han adherido nanopartículas a fibras textiles para crear prendas inteligentes y funcionales. [ 162 ]

sintonizador de propiedades líquidas

La inclusión de nanopartículas en un medio sólido o líquido puede cambiar sustancialmente sus propiedades mecánicas, como elasticidad, plasticidad, viscosidad y compresibilidad. [ 163 ] [ 164 ]

Fotocatálisis

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

Pavimentación de carreteras

La modificación del asfalto mediante nanopartículas puede considerarse una técnica interesante y de bajo costo en la ingeniería de pavimentos asfálticos, que ofrece nuevas perspectivas para hacer que los materiales asfálticos sean más duraderos. [ 165 ]

Biomédica

Las nanopartículas se utilizan en aplicaciones biomédicas como transportadores de fármacos o agentes de contraste para microscopía. Las nanopartículas anisotrópicas son una buena opción para la detección biomolecular . [ 13 ] Además, las nanopartículas para la administración de ácidos nucleicos ofrecen una oportunidad sin precedentes para superar algunos inconvenientes relacionados con la administración, debido a su capacidad de ajuste con diversas propiedades fisicoquímicas; pueden funcionalizarse fácilmente con cualquier tipo de biomoléculas/grupos para una focalización selectiva. [ 166 ]

El uso de nanopartículas en el tratamiento del cáncer se está investigando ampliamente. Ciertas características del microambiente tumoral, incluyendo la permeabilidad vascular y el drenaje linfático deficiente, conducen a la acumulación de NP en el tumor. [ 167 ] Esto se conoce como el efecto de permeabilidad y retención mejoradas (EPR) y es un tipo de focalización pasiva. Además, los ligandos que se unen a ciertos receptores expresados ​​o sobreexpresados ​​en el microambiente tumoral pueden conjugarse a la superficie de las nanopartículas para dirigir activamente el tratamiento al tumor. [ 168 ] La acumulación de nanopartículas en el tumor puede reducir los efectos secundarios adversos, que es una desventaja importante de la quimioterapia.

En la administración de fármacos, el pH ácido del microambiente tumoral se aprovecha a menudo para aumentar la liberación del fármaco a partir de materiales sensibles al pH. [ 169 ] Además, algunas nanopartículas pueden generar calor bajo irradiación láser ( terapia fototérmica ) o campo magnético alterno ( hipertermia magnética ), lo que puede tanto destruir células cancerosas como liberar fármacos cargados en la nanopartícula. [ 170 ]

Actualmente se están investigando algunas nanopartículas metálicas de alto Z como radiosensibilizadores para mejorar los efectos de la radioterapia en el tratamiento del cáncer. [ 171 ]

protectores solares

Las nanopartículas de dióxido de titanio imparten lo que se conoce como efecto de autolimpieza, que proporciona útiles propiedades repelentes al agua y antibacterianas a pinturas y otros productos. Se ha descubierto que las nanopartículas de óxido de zinc tienen propiedades superiores de bloqueo de rayos UV y se utilizan ampliamente en la preparación de lociones protectoras solares , [ 172 ] siendo completamente fotoestables [ 173 ] aunque tóxicas. [ 174 ] [ 175 ] [ 176 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]

Complejos por zona industrial

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • Jackie Y. Ying (2001). Materiales nanoestructurados . Academic Press. págs.  5–. ISBN 978-0-12-744451-2.
  • Nanopartículas utilizadas en la conversión de energía solar ( ScienceDaily ).
  • «Nanopartículas: Una revisión de la higiene ocupacional». Archivado el 24 de septiembre de 2015 en Wayback Machine por RJ Aitken y otros. Informe de investigación 274/2004 de la Dirección de Salud y Seguridad (Health and Safety Executive).
  • "EMERGNANO: Una revisión de la investigación sobre medio ambiente, salud y seguridad relacionada con nanomateriales y nanotecnología, tanto finalizada como casi finalizada", por RJ Aitken y otros.
  • Análisis dinámico-mecánico en tándem de alta transmisión para estudios de nanopartículas, por SEADM, 2014.
  • Imágenes de nanopartículas en Nanohedron.com
  • Conferencias sobre todas las fases de la ciencia y la tecnología de las nanopartículas. Archivadas el 29 de agosto de 2010 en Wayback Machine.
  • ENPRA – Evaluación de riesgos de nanopartículas de ingeniería. Proyecto del 7.º Programa Marco de la CE liderado por el Instituto de Medicina del Trabajo.