Empleo de nanopartículas para materiales ingenieriles

Generalidades de las nanopartículas

Las nanopartículas son denominadas así por su tamaño que oscila entre 1x10-9 y 1x10-7 m. La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia, la explotación de fenómenos y propiedades en la nanoescala. Cuando se manipula la materia a esta escala tan minúscula se presentan fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto la comunidad científica ha estado utilizando esta tecnología desde hace algunas décadas para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos con propiedades únicas.
Las nanopartículas generalmente son clasificadas en cuatro clases:
  1. Base de carbono: Partículas compuestas mayoritariamente por carbono y suelen adoptar formas esféricas, elipsoidales o tubulares. Sus características principales son su reducido peso y mayor dureza, elasticidad, estabilidad térmica y conductividad eléctrica [10].
  2. Base metálica: Estas partículas pueden ser puntos cuánticos o nanopartículas de oro, plata o de metales reactivos como el dióxido de titanio, entre otras [10].
  3. Dendrímeros: Estos nanomateriales son polímeros nanométricos construidos a modo de árbol en el que las ramas crecen a partir de otras y así sucesivamente. Las terminaciones de cada cadena de ramas pueden diseñarse para ejecutar funciones químicas específicas (una propiedad útil para los procesos catalíticos). Además, debido a que los dendrímeros tridimensionales contienen cavidades interiores en las que se pueden introducir otras moléculas, pueden ser útiles para la administración de fármacos [10].
  4. Nanocompuestos: Los compuestos combinan ciertas nanopartículas con otras o con materiales de mayor escala; el caso de arcillas nanoestructuradas es un ejemplo de uso extendido [10].

Síntesis de nanopartículas

Hay diversos métodos para crear nanopartículas, incluyendo la atrición, pirólisis y síntesis por plasma termal [10, 11]. En el proceso de atrición, partículas a macro y/o micro-escala son molidas en un molino de bola, un molino de bola planetario, u otro mecanismo reductor de tallas. Las partículas resultantes son clasificadas por aire en un elutriador para recuperar las nanopartículas [10].
En el método de pirólisis, un vapor precursor a alta presión es forzado a pasar a través de un orificio y posteriormente quemado. El sólido resultante es clasificado para recuperar partículas del óxido de los gases del producto. La pirólisis tradicional crea agregados y aglomerados más que partículas primarias individuales; sin embargo, en los últimos años se ha desarrollado la pirólisis por boquilla ultrasónica la cual mitiga la formación de aglomerados.
En la síntesis por plasma, la formación de este es capaz de liberar la energía necesaria para causar la vaporización de partículas micrométricas. Las temperaturas del plasma termal se encuentran alrededor de 10,000 K, lo que hace que el polvo sólido se evapore fácilmente. Las nanopartículas se forman al enfriarse el sistema mientras salen de la región del plasma. Los principales tipos de antorcha de plasma usados para producir nanopartículas son DC plasma jet, plasma por arco (arc plasma) y plasmas de inducción de radio frecuencia (RF). En los reactores de “jet-arc plasma” la energía necesaria para la evaporación y reacción viene de un arco eléctrico formado por el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la arena de sílice puede ser vaporizada con el plasma por arco a presión atmosférica, o delgados alambre de aluminio pueden ser vaporizados el método de explosión de alambre. La mezcla resultante de gas plasma y vapor de sílice puede ser rápidamente enfriado con oxígeno, para asegurar la calidad de la sílice producida.
En la inducción por RF, la energía del plasma se genera mediante el campo electromagnético de una bobina inductora. El gas plasma no entra en contacto con electrodos, eliminando posibles fuentes de contaminación y permitiendo la operación de un amplio repertorio de gases, incluyendo inertes, reductores, oxidantes y corrosivos. Los niveles de potencia utilizados en unidades de laboratorio van desde 30 hasta 50 kW, y las unidades industriales se han probado con más de 1 MW. Debido a que la alimentación es por medio de goteo, es importante que el tamaño de las gotas sean suficientemente pequeñas para llegar a una evaporación completa. El método RF ha sido usado para sintetizar diferentes nanopartículas, por ejemplo óxidos, carburos y nitratos de titanio y silicio.
Citando los métodos de baja energía, la condensación de gas es frecuentemente usada para producir nanopartículas de metales con bajos puntos de ebullición. El metal es vaporizado en una cámara vacía y después enfriado con un flujo de gas inerte. El vapor del metal enfriado se condensa en nanopartículas las cuales pueden ser arrastradas en el flujo del gas [10].

Caracterización de nanopartículas

La caracterización de las nanopartículas es necesaria para establecer el entendimiento y control de la síntesis y aplicaciones de nanopartículas. La caracterización se lleva a cabo usando diferentes técnicas, principalmente de la ciencia de materiales. Entre las técnicas más comunes está la microscopía de transmisión de electrones y microscopia de barrido (TEM y SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), dispersión de luz dinámica (DLS), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), difracción de Rayos X (XRD), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y espectroscopia visible ultravioleta. La mayoría de las técnicas de caracterización de estas nanopartículas son basadas en luz, pero una técnica de caracterización no óptica llamada Detección de pulso sintonizable resistivo (Tunable Resistive Pulse Sensing) ha sido desarrollada con el fin de medir simultáneamente el tamaño, concentración y superficie de una gran variedad de nanopartículas. Esta técnica que aplica el Principio de Coulter, permite la cuantificación de estas tres características de cada partícula con una alta resolución.

Nanopartículas de Alúmina

La alúmina se obtiene normalmente utilizando el proceso Bayer, ella se emplea industrialmente para obtener abrasivos, aisladores eléctricos, soporte para catalizadores, refractarios, material de relleno para polímeros, entre otros usos, y sus propiedades se pueden modificar variando la temperatura de calcinación y el tamaño de partícula [14].

Nanopartículas de óxido de zinc (ZnO)

Recientemente, la degradación del polímero por la radiación ultravioleta (UV) ha sido el foco de múltiples estudios en todas las industrias de ingeniería. [12, 13] Investigaciones recientes han demostrado que la incorporación de nanopartículas de ZnO puede mejorar su resistencia a los rayos UV de los compuestos poliméricos. Se ha encontrado que el uso de la cantidad apropiada de nano-ZnO disueltas en alcohol isopropílico, en un compuesto epóxico reforzado con fibra de vidrio y/o carbono, mejoran la resistencia a los rayos UV. En compuestos base poliuretano-acrílico se encontró cualitativamente una reducción importante del daño por radiación UV, utilizando nanopartículas de ZnO [13].