¿Como son fabricadas las Nanopartículas?

Elaboración de Nanomateriales

Los materiales en la escala del nanómetro se han producido por varias décadas. El Negro de carbón, por ejemplo, se ha utilizado en neumáticos desde 1930. Hoy en día, las capacidades de producción de nanomateriales especialmente diseñados han aumentado considerablemente. La mayoría de los nanomateriales producidos sintéticamente son nanopartículas. Las diversas aplicaciones requieren que las características de las nanopartículas sean definidas con precisión.

Se han desarrollado una serie de procesos de producción para satisfacer las formas, composiciones y distribuciones de los tamaños buscados. Este artículo describe los procesos de producción más comunes, como las tecnologías de fresado, fase gaseosa y fase líquida.

Producción de nanopartículas

Los nanomateriales o nanopartículas se utilizan en un amplio espectro de aplicaciones. Hoy en día se encuentran en muchos productos y se utilizan en diversas tecnologías. La mayoría de los nanoproductos producidos a escala industrial son nanopartículas, aunque también surgen como subproductos en la fabricación de otros materiales. Muchas de sus aplicaciones requieren que las nanoparticulas tengan cierto rango de tamaños, lo que se conoce como monodispersidad.

Se emplean procesos de síntesis específicos para producir diversos tipos de nanopartículas, recubrimientos, dispersiones o compuestos.

Condiciones definidas de producción y reacción son cruciales para obtener tales características de partículas dependientes del tamaño. El tamaño de partícula, la composición química, la cristalinidad y la forma pueden ser controlados por la temperatura, el valor de pH, la concentración, la composición química, las modificaciones superficiales y el control del proceso.

Dos estrategias básicas se utilizan para producir nanopartículas: “de arriba hacia abajo” y “de abajo hacia arriba”. El término “de arriba hacia abajo” se refiere aquí a la trituración mecánica del material usando un proceso de molienda. En la estrategia de “abajo hacia arriba”, las estructuras se construyen mediante procesos químicos (Figura 1). La selección del proceso respectivo depende de la composición química y de las características especificadas de las nanopartículas deseadas.

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Figura 1. Métodos de producción de nanopartículas: top-down y bottom-up. (Imagen: Laboratorio de Micro y Nanotecnología, Paul Scherrer Institut)

Procesos de producción “de arriba hacia abajo” / mecánico-físico

“De arriba hacia abajo” se refiere a procesos de producción de partículas mecánicas-físicas basados ​​en principios de tecnología de microsistemas. Los métodos tradicionales de trituración mecánica-física para producir nanopartículas implican varias técnicas de molienda (Figura 2).

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Figura 2. Visión general de los procesos de producción de nanopartículas mecánico-físicas

 

Procesos de fresado

El enfoque de la producción mecánica utiliza molienda para triturar micropartículas. Este enfoque se aplica en la producción de nanomateriales metálicos y cerámicos. Para las nanopartículas metálicas, por ejemplo, los materiales fuente tradicionales (tales como óxidos metálicos) se pulverizan utilizando molinos de bolas de alta energía. Tales molinos están equipados con medios de molienda compuestos de carburo de wolfram o acero.

El fresado implica estrés térmico y requiere mucha energía. Un proceso más largo puede potencialmente desgastar los medios de molienda, contaminando las partículas. El fresado puramente mecánico puede ir acompañado de fresado reactivo: aquí, una reacción química o quimiofísica acompaña al proceso de molienda.

En comparación con los procesos de producción quimiofísica (ver más adelante), el uso de molinos para triturar partículas produce polvos con rangos de tamaño relativamente amplios. Este método no permite el control total de la forma de la partícula.

Procesos de producción ascendente / quimiofísica

Los métodos ascendentes se basan en principios fisicoquímicos de auto organización molecular o atómica. Este enfoque produce estructuras mas seleccionadas, más complejas a partir de átomos o moléculas, un mejor control del tamaño. Incluye procesos en aerosol, reacciones de precipitación y procesos solgel (Figura 3).

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Figura 3. Procesos quimiofísicos en la producción de nanopartículas

Procesos en fase gaseosa (procesos en aerosol)

Los procesos en fase gaseosa se encuentran entre las tecnologías a escala industrial más comunes para producir nanomateriales en polvo o ya sea en películas.

Las nanopartículas se crean a partir de la fase gaseosa produciendo vapor del material del producto usando medios químicos o físicos. La producción de las nanopartículas iniciales, que pueden estar en estado líquido o sólido, tienen lugar mediante nucleación homogénea.

Dependiendo del proceso, el crecimiento adicional de la partícula implica la condensación (transición del estado gaseoso al estado líquido del agregado), reacciónes químicas en la superficie de las partículas y, o procesos de coagulación (adhesión de dos o más partículas), así como procesos de coalescencia (fusión de particulas). Los ejemplos incluyen procesos en reactores de llama, plasma, láser y pared caliente, que producen productos tales como fullerenos y nanotubos de carbono:

- En los reactores de llama, las nanopartículas se forman por la descomposición de las moléculas fuente en la llama a temperaturas relativamente altas (alrededor de 1200-2200 ° C). Los reactores de llama se utilizan hoy en día para la producción a escala industrial de partículas de hollín, dióxido de pigmento-titanio y dióxido de silicio.

- En los reactores de plasma, el plasma (gas ionizado) proporciona energía para la vaporización y para inicializar las reacciones de descomposición.

- En los reactores láser, los láser calientan selectivamente el material fuente gaseoso, utilizando su longitud de onda de absorción, y la descomponen en el producto deseado.

- En reactores de pared caliente, se aplican vaporización y condensación. El material fuente se vaporiza en un gas inerte a bajas presiones (aproximadamente 1 mbar). Esto elimina la fase de gas enriquecido de la zona caliente. Las partículas creadas por el enfriamiento rápido se recogen en los filtros. Técnicamente, los reactores de pared caliente se utilizan, por ejemplo, en la producción de nanoescala de níquel y de hierro en polvo.

- El proceso químico de deposición en fase gaseosa se utiliza para depositar directamente nanopartículas desde la fase gaseosa sobre superficies. En este caso, el material fuente se vaporiza en vacío y se condensa sobre una superficie calentada mediante una reacción química, es decir, se deposita de la fase gaseosa en el producto final sólido.

Formación de gotitas que contienen partículas

Las partículas también se pueden producir a partir de gotitas utilizando fuerzas centrífugas, aire comprimido, ondas sonoras, ultrasonidos, vibraciones, electrostática y otros métodos. Las gotitas se transforman en un polvo ya sea por pirólisis directa (disociación térmica de compuestos químicos) o por reacciones directas con otro gas. En la pirólisis por aspersión, las gotitas del material fuente son transportadas a través de un campo de alta temperatura (llama, horno), que vaporiza rápidamente los componentes fácilmente volátiles o conduce a reacciones de descomposición. Las partículas formadas se recogen sobre filtros.

Procesos en fase líquida

La síntesis química en húmedo de nanomateriales típicamente tiene lugar a temperaturas más bajas que la síntesis en fase gaseosa. Los procesos de fase líquida más importantes en la producción de nanomateriales son la precipitación, los procesos sol-gel y las síntesis hidrotérmicas (ver Figura 3).

Procesos de precipitación

La precipitación de sólidos a partir de una solución que contiene ion metálico es uno de los procesos de producción más frecuentemente empleados para los nanomateriales. Los óxidos metálicos, así como los no óxidos o nanopartículas metálicas pueden ser producidos por este enfoque. El proceso se basa en reacciones de sales en disolventes. Se añade un agente precipitante para producir la precipitación de la partícula deseada, y el precipitado se separa por filtración y se somete a tratamiento térmico posterior.

En los procesos de precipitación, el tamaño de partícula y la distribución del tamaño, la cristalinidad y la morfología (forma) se determinan por la cinética de la reacción (velocidad de reacción). Los factores de influencia incluyen, más allá de la concentración del material de partida, la temperatura, el valor de pH de la solución, la secuencia en la que se añaden los materiales fuente y los procesos de la mezcla.

Se puede conseguir un buen control del tamaño utilizando membranas autoensambladas, que a su vez sirven como nanorreactores para la producción de partículas. Estos nanorreactores incluyen microemulsiones, burbujas, micelas y liposomas. Están compuestas por un grupo polar y una cadena hidrocarbonada no polar.

Las microemulsiones, por ejemplo, consisten en dos líquidos que no pueden mezclarse entre sí en las concentraciones utilizadas, usualmente agua y aceite junto con al menos un tensoactivo (sustancia que reduce la tensión superficial de los líquidos). En ciertos disolventes esto da lugar a reactores pequeños en los que tiene lugar la nucleación y el crecimiento controlado de partículas. El tamaño de partícula se determina por el tamaño de los nanorreactores y, al mismo tiempo, se evita la aglomeración de partículas.

Los procesos de microemulsión se usan a menudo para producir nanopartículas para aplicaciones farmacéuticas y cosméticas.
Un proceso adicional que se basa en el crecimiento auto organizado con plantillas y recubrimientos es la síntesis hidrotérmica. Las zeolitas (compuestos microporosos de aluminio y silicio) se producen a partir de soluciones acuosas sobrecalentadas en autoclaves (cámaras de presión hermética).

La vaporización parcial del disolvente crea presión en las autoclaves (varias barras), desencadenando reacciones químicas que difieren de aquellas en condiciones estándar, por ejemplo alterando la solubilidad. La formación de nanopartículas y la forma de la cavidad pueden controlarse añadiendo plantillas. Las plantillas son partículas con enlaces que permiten la formación de ciertas formas y tamaños.

Procesos Sol-gel

Las síntesis de sol-gel (producción de un gel a partir de materiales en forma de polvo) son procesos químicos húmedos para producir nanomateriales porosos, polímeros cerámicos nanoestructurados así como nanopartículas de óxido. La síntesis tiene lugar en condiciones relativamente suaves y a bajas temperaturas.

El término “sol” se refiere a dispersiones de partículas sólidas en el intervalo de tamaños 1-100 nm, que se distribuyen finamente en agua o disolventes orgánicos. En los procesos sol-gel, la producción o deposición de material tiene lugar desde un estado de sol líquido, que se convierte en un estado de gel sólido mediante una transformación sol-gel.

La transformación sol-gel implica una reticulación tridimensional de las nanopartículas en el disolvente, por lo que el gel adquiere propiedades de volumen. Un tratamiento térmico controlado en el aire puede transformar los geles en un material de óxido cerámico.

Para empezar, la adición de sustancias orgánicas en el proceso sol-gel produce un compuesto organometálico a partir de una solución que contiene un alcohóxido (compuesto metálico de un alcohol, por ejemplo con silicio, titanio o aluminio). El valor de pH de la solución se ajusta con un ácido o una base que, como catalizador, también activa la transformación del alcohóxido.

Las reacciones subsiguientes son hidrólisis (separación de un enlace químico por agua) seguida por condensación y polimerización (reacción que da lugar a compuestos de cadena larga o larga de los monocatenarios). Las partículas o el óxido de polímero crecen a medida que la reacción continúa, hasta que se forma un gel. Debido a la alta porosidad de la red, las partículas típicamente tienen una gran área superficial, es decir, varios cientos de metros cuadrados por gramo.

El curso de la hidrólisis y la reacción de policondensación dependen de muchos factores: la composición de la solución inicial, el tipo y la cantidad de catalizador, la temperatura, así como la geometría del reactor y del mezclado.

Para recubrimientos, la solución inicial de alcoholes del proceso sol-gel puede aplicarse sobre superficies de cualquier geometría. Después de la humectación, la acumulación de la red porosa tiene lugar a través de la formación de gel, produciendo espesores de 50-500 nm. Las capas más gruesas, adecuadas como membranas, por ejemplo, se crean por humedecimiento y secado repetidos. El proceso sol-gel también se puede usar para producir fibras. En todos los casos, la formación de gel es seguida por una etapa de secado. La Figura 4 ilustra las diferentes etapas de reacción y procesamiento del proceso sol-gel.

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Figura 4. Etapas de reacción y procesamiento en el proceso sol-gel. (Imagen: Universität Ulm, Anorganische Chemie)

Una ventaja distintiva del procedimiento sol-gel radica en la procesabilidad de los soles y geles, dependiendo de la etapa de procesamiento, en polvos, fibras, cerámicas y recubrimientos. Además, se pueden producir nanomateriales altamente porosos. Los compuestos se pueden crear rellenando estos poros durante o después de la producción del gel.

La baja temperatura del proceso también permite que las sustancias se incrusten en el gel durante la etapa de síntesis; éstos pueden entonces ser almacenados o liberados de una manera controlada.

La desventaja del procedimiento sol-gel radica en las etapas de síntesis y secado que son difíciles de controlar, que complican la ampliación del proceso. Además, los contaminantes orgánicas pueden permanecer en el gel. Las siguientes etapas que son necesarias que resultan de la limpieza , el secado y el tratamiento térmico posterior hacen que este proceso de producción sea más complejo que la síntesis en fase gaseosa.

La desventaja de la síntesis química en húmedo de nanomateriales es que las formas cristalinas deseadas a menudo no pueden configurarse y que la estabilidad térmica del producto en polvo es menor. Esto requiere un tratamiento térmico posterior con una reducción repetida de la superficie de la partícula. La ventaja es que la fase líquida permite producir materiales altamente porosos; esto normalmente no sería posible en reactores de fase gaseosa debido a las altas temperaturas.

Con algunas excepciones, los procesos en fase gaseosa tampoco permiten la producción de nanopartículas orgánicas. Los procesos en fase líquida son particularmente adecuados para la producción de polvo monodisperso (con un tamaño de partícula uniforme).

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Amelia Oliveira Santos

Investigador asociado: temas biocombustibles, nanomateriales, Olimpiadas Nacionales de Química

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