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:
- 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].
- 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].
- 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].
- 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].