Los materiales nanoestructurados (NSM) se caracterizan por sus propiedades físicas, químicas y biológicas sintonizables. Su gran relación de superficie / volumen facilita su unión con las moléculas de detección, lo que resulta en la transformación de la variación en sus cantidades en señales características.

Los NM pueden ocurrir naturalmente, incidentales o diseñados. Este último incluye NPS, NN, nanorods, nanfibras y otras nanoestructuras compuestas de piezas interconectadas en la dimensión a nanoescala.

Definición

Los materiales nanoestructurados son aquellos que tienen elementos estructurales como grupos o cristalitos con dimensiones en el rango nanómetro (1 a 100 nm). El aumento explosivo en el interés académico e industrial en estos materiales se debe a sus propiedades físicas, químicas y biológicas únicas que difieren de sus contrapartes a granel.

Estas diferencias pueden atribuirse a su física y química dependientes del tamaño, lo que puede resultar de los efectos de confinamiento cuántico y la diferente reequilibración o mezcla de fase. También ocurren como consecuencia de la gran relación de área de superficie a volumen, que puede explotarse para generar propiedades electrónicas, magnéticas y ópticas únicas.

Algunos ejemplos de tales materiales son nanocristales, nanocables, nanotubos y materiales porosos. Pueden estar compuestos por uno o más materiales y generalmente se hacen a gran escala por la deposición, el grabado, la sinterización láser y las técnicas de fundición. Sin embargo, también son posibles enfoques simples y económicos basados en soluciones (no basados en vacío), como la electrodeposición. Esto podría facilitar la producción de metales nanocristalinos, aleaciones y compuestos de matriz de metal tanto en forma a granel como en recubrimientos. Esto es especialmente importante en los casos en que se necesitan materiales con mejor resistencia a la corrosión y dureza.

En el campo biomédico, los materiales nanoestructurados están presentes en organismos vivos que van desde microorganismos como bacterias y virus hasta organismos complejos como humanos, plantas, insectos, aves y animales. Estos materiales se pueden encontrar en los tejidos de estos organismos, por ejemplo, los huesos que están compuestos principalmente de carbonato de calcio nanoestructurado y proteínas como los anticuerpos. Las moléculas de ADN, que forman el material genético en las células vivas, también son nanoestructuras.

Algunos ejemplos de tales materiales son el nácar, la capa externa dura de las conchas de los moluscos, que es un nanocompuesto compuesto de plaquetas de aragonita Caco3 de tamaño micrométrico y de tamaño submicrómetro separado por un «GLUE» bio-macromolecular biomacromolecular. Otro ejemplo es la capacidad de los pies de gecko para adherirse a los techos. El secreto se encuentra en las crestas en sus pies, que están hechas de materiales nanoestructurados. Esto les da la capacidad de pegarse a las superficies de una manera que los adhesivos convencionales no pueden. Esto se conoce como el efecto Nacreus.

Síntesis

La síntesis de material nanoestructurado implica la manipulación de átomos y moléculas a escamas muy pequeñas. Esto se logra mediante el uso de láseres, iones enfocados y grabado químico. El resultado es una estructura que tiene dimensiones a nanoescala y puede usarse en una variedad de aplicaciones. Los materiales nanoestructurados tienen muchas ventajas sobre los materiales tradicionales. Tienen mejores propiedades mecánicas, mayor conductividad térmica y mayor eficiencia eléctrica. También se pueden incorporar a otros materiales para producir compuestos.

Hay dos formas de sintetizar materiales nanoestructurados: arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. El primero implica comenzar con un material más grande y luego grabarlo, diseñar o tallarlo para crear las características a nanoescala. Esta técnica es la más común y se ha utilizado para hacer microprocesadores que contienen millones de nanoestructuras posicionadas con precisión. Esta tecnología se ha adaptado a una variedad de productos no electrónicos, incluidos dispositivos ópticos y mecánicos.

El método de abajo hacia arriba implica el cultivo de átomos o moléculas individuales para formar las estructuras a nanoescala. Esto es más desafiante que el método de arriba hacia abajo porque requiere un control extremadamente preciso del proceso de crecimiento. Esta técnica se ha utilizado para crear nanotubos de carbono, que tienen excelentes propiedades térmicas y eléctricas. Otros ejemplos de este tipo de material nanoestructurado incluyen nanocables, que tienen una alta sensibilidad de detección y se usan en dispositivos de sensores. Estos nuevos materiales también se pueden hacer en recubrimientos que reducen la fricción y el desgaste en las piezas móviles.

Los nanomateriales inorgánicos naturales ocurren en las esferas de la Tierra, incluida la hidrosfera, la atmósfera y la litosfera, y son producidas por especies biológicas o a través de actividades humanas. El nanomaterial natural más conocido es el diamante, pero hay muchos otros tipos de nanomateriales cristalinos, como arcillas, vidrio volcánico (como ópalos), sílice y pigmentos.

Recientemente, Peng et al. introdujo un método novedoso para sintetizar una gama de materiales inorgánicos nanoestructurados utilizando plantillas BCP estampadas. El método, conocido como síntesis de infiltración secuencial (SIS), utiliza la química de las herramientas ALD para dirigir reacciones entre precursores metálicos y cadenas de polímeros en una superficie BCP estampada. Esto permite la síntesis de características nanoscópicas bien controladas sin modificar la química BCP subyacente.

Caracterización

La caracterización de materiales nanoestructurados implica investigar y correlacionar la estructura atómica, la composición química y las propiedades fisicoquímicas de estos materiales. Esto se logra utilizando herramientas analíticas sofisticadas, como microscopía de fuerza atómica y microscopio de túnel de barrido (STM), microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.

La caracterización basada en la nanotecnología se realiza a escala atómica utilizando la microscopía electrónica de transmisión corregida (TEM) de estado del arte (TEM) y microscopio de túnel de barrido (STM). Esto se realiza en estrecha colaboración con otras técnicas experimentales, incluidos el procesamiento de imágenes y las simulaciones.

Las nanopartículas y los materiales nanoestructurados se caracterizan por una gran superficie, porosidad sintonizable y propiedades fisicoquímicas únicas en comparación con sus contrapartes a granel. Estas características les permiten proporcionar un rendimiento mecánico y químico superior, las posibilidades de funcionalización de la superficie y la capacidad de formar estructuras de núcleo.

Estas propiedades fisicoquímicas únicas están permitiendo que los materiales nanoestructurados se vuelvan cada vez más relevantes en varias áreas que van desde la corrosión hasta las aplicaciones médicas. En aplicaciones de corrosión, el aumento de la dureza y la tenacidad de los metales nanoestructurados puede conducir a una mejora significativa en la resistencia a la corrosión en comparación con el acero estándar. Esto es importante porque el acero corroído tiene un impacto negativo en la trabajabilidad y la resiliencia de fatiga, mientras que también resulta en una disminución de la resistencia estructural.

Otras ventajas de los materiales nanoestructurados son su potencial para adsorbir e incorporar una amplia gama de recubrimientos y aditivos. Esto es particularmente útil para desarrollar recubrimientos inteligentes que pueden actuar como agentes de autocuración, anticorrosivos y antimicrobianos. Por ejemplo, Mercedes-Benz introdujo un material de pintura y acabado basado en nanopartículas de plata que proporciona protección de autocuración, corrosión y decoloración, además de una alta resistencia al desgaste y al desgaste. Esta tecnología es una alternativa a los recubrimientos de conversión de cromato que requieren cromo hexavalente tóxico.

Los nanomateriales a base de carbono son otra clase de NMS que se utilizan en diversas aplicaciones debido a sus propiedades fisicoquímicas únicas. Están disponibles en una variedad de dimensionalidades, como nanoestructuras de fullereno 0D (bolas Buckyballs huecas), nanotubos de carbono 1D y grafeno, y nitruro de boro 2D. Se pueden incorporar a los sensores para la determinación de los medicamentos, el diagnóstico clínico y los sistemas microfluídicos. Estos NM se producen utilizando diversos métodos de producción, como la ablación con láser, la descarga de arco de plasma y la deposición de vapor químico.

Aplicaciones

La principal ventaja de los nanomateriales es que pueden poseer propiedades únicas que no se pueden encontrar en materiales a granel. Estas propiedades se deben a su pequeño tamaño y superficie alta. También se pueden manipular utilizando una variedad de técnicas, que incluyen interacciones físicas, síntesis química y biomoléculas. Los nanomateriales se pueden usar en una amplia gama de aplicaciones, desde electrónica y medicina hasta agricultura y defensa. El cuerpo humano en sí está hecho de muchos materiales nanoestructurados. Estos incluyen huesos, enzimas, proteínas y anticuerpos. Algunos investigadores incluso han creado nanoestructuras artificiales que imitan la funcionalidad de las enzimas naturales. Estos se conocen como nanozimas.

Las nanopartículas pueden ser producidas por una variedad de métodos, incluidos los físicos, químicos y autoensamblas. Los métodos físicos implican reducir el tamaño de partículas más grandes, mientras que los métodos químicos combinan NP con otros elementos o material a granel. Las nanoestructuras resultantes se pueden clasificar de acuerdo con su dimensionalidad, morfología y aglomeración.

Hay dos categorías principales de nanomateriales: cristalino y amorfo. Los NM cristalinos tienen una estructura ordenada y un tamaño de grano definido. Los NM amorfos, por otro lado, no tienen orden y son más difusos. Además, los NM cristalinos y amorfos pueden tener diferentes formas, lo que permite una amplia gama de aplicaciones.

La caracterización de materiales nanoestructurados requiere técnicas sofisticadas como la microscopía electrónica corregida por la aberración y la experimentación in situ. Estas técnicas permiten a los investigadores observar la estructura atómica de un nanomaterial y determinar su composición y reactividad química. Esta información se puede utilizar para desarrollar nuevos materiales y nanotecnologías.

Una aplicación común de nanotecnología es la producción de microprocesadores. Esto implica comenzar con grandes chips de silicio y tallar hasta la nanoescala en patrones precisos. Estas pequeñas características hacen que el chip sea más funcional y eficiente energéticamente. También pueden aumentar la velocidad y la precisión del procesador.

Otros usos de la nanotecnología incluyen la creación de stents, que se utilizan para tratar la enfermedad cardíaca. Estas estructuras pueden estar hechas de un polímero que está formado para que coincida con la anatomía del paciente, reduciendo la probabilidad de coágulos de sangre. Además, los nanomateriales pueden mejorar la durabilidad de los dispositivos médicos al aumentar su fuerza y dureza. Además, pueden reducir la cantidad de calor y fricción generados por el dispositivo.