El campo paraguas de los nanomateriales incluye muchos tipos diferentes de materiales que tienen propiedades ópticas, magnéticas, mecánicas y químicas únicas. Van desde objetos de dimensión cero (0-D) hasta materiales 3-D con varias estructuras internas y superficiales.
Aunque la nanotecnología moderna puede parecer una nueva invención, los científicos han estado trabajando con materiales a nanoescala durante siglos. Los romanos, por ejemplo, usaron oro y plata para hacer vidrio parecían verdes pizarra desde el exterior pero rojo cuando se iluminan.
Nanopartículas
Las nanopartículas son aglomerados de átomos o moléculas que tienen un tamaño de entre uno y 100 nanómetros. Las nanopartículas pueden estar compuestas por cualquier material, incluidas sustancias orgánicas e inorgánicas, como metales y semiconductores. También se pueden diseñar para realizar diferentes funciones, como encapsular drogas o actuar como colorantes o catalizadores.
Cuando trabajan a nanoescala, los científicos deben usar microscopios especiales para poder ver las partículas y estudiar sus propiedades fisicoquímicas y las relaciones de estructura-n-función. Actualmente, hay dos tipos de microscopios utilizados para este propósito: el microscopio de fuerza atómica y el microscopio de túnel de exploración.
Uno de los usos más emocionantes de la nanotecnología está en el desarrollo de productos electrónicos flexibles, flexibles, plegables y enrollables que se pueden coser en ropa, impreso en papel o enrollados como un pergamino. Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la forma en que vivimos al habilitar computadoras portátiles, relojes inteligentes, tabletas con energía solar y más.
Otras aplicaciones de nanotecnología incluyen mejorar el rendimiento de los materiales de construcción y reducir la energía incorporada mediante el reciclaje o el uso de recursos renovables. Por ejemplo, las nanopartículas pueden mejorar la durabilidad del concreto para reducir los costos y los impactos ambientales. Además, la nano-bioingeniería de enzimas está permitiendo la conversión de celulosa de chips de madera, tallos de maíz y pastos perennes no fertilizados en biocombustibles.
La nanotecnología está llevando una serie de nuevos productos al mercado, como anteojos resistentes a los rasguños, pinturas resistentes a las grietas, telas repelentes con manchas y protectores solares transparentes. También puede ayudar a hacer que los automóviles sean más ligeros y más eficientes en combustible. Sin embargo, la producción y la utilización de nanomateriales aún requieren una cuidadosa supervisión y regulación para garantizar que no causen efectos nocivos en los ecosistemas marinos o impacten la salud humana. El grupo de trabajo de la OCDE sobre nanomateriales fabricados (WPMN) es un organismo importante que aborda estos problemas.
Nanocompuestos
Los nanocompuestos combinan diferentes tipos de materiales para crear materiales únicos con propiedades especiales. Por ejemplo, pueden combinar la resistencia de los materiales de refuerzo con la ductilidad o la tenacidad de las matrices de polímeros para producir un material que tenga propiedades que sean imposibles de lograr utilizando cualquier tipo de material único. Las propiedades únicas de los nanocompuestos se pueden utilizar para mejorar el rendimiento de una variedad de aplicaciones.
Estos materiales a menudo se realizan combinando nanoclusters inorgánicos, fullerenos, arcillas, metales u óxidos con polímeros. Además, las nanopartículas y biomoléculas orgánicas e inorgánicas también se pueden usar para crear nanocompuestos. Esto permite a los científicos adaptar las propiedades físicas y químicas de los nanocompuestos para adaptarse a aplicaciones específicas.
La síntesis atómicamente precisa de los nanomateriales es una dirección de investigación emocionante. Esta tecnología permitirá a los científicos controlar cómo los nanomateriales interactúan entre sí y con materiales a granel, lo que les permite producir resultados sin precedentes.
Además, la química de los nanomateriales tiene implicaciones significativas para la biología. Los investigadores están explorando el uso de nanomateriales para ayudar en la reparación celular y la regeneración de órganos, incluida la promoción del crecimiento óseo. También están buscando formas de usar nanomateriales en tratamientos médicos y cosméticos.
Los nanomateriales se utilizan en una amplia gama de productos, que incluyen envases de alimentos, tratamiento de agua, blindaje electromagnético y dispositivos de sensores. Muchos de estos materiales están diseñados para responder estímulos y reaccionar a los cambios en su entorno. Algunas de estas reacciones pueden detectarse mediante sensores ópticos, mecánicos o electroquímicos. Se pueden detectar otras reacciones mediante sensores bioquímicos o acústicos. Sin embargo, estos sensores deben poder distinguir entre sustancias similares. Esto es importante para evitar falsos positivos, lo que podría conducir a consecuencias de la salud involuntarias.
Nanotubos
Los nanotubos de carbono son un grupo de alotropas cilíndricas (variedades) de carbono que tienen diámetros medidos en nanómetros. Forman un intermedio entre fullerenos que tienen conchas cerradas y láminas de grafeno que son planas.
Los nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNT) son la variedad más común de estas estructuras, y se usan en varias aplicaciones. Son extremadamente fuertes, tienen una alta conductividad y pueden asumir muchas formas diferentes. También se pueden utilizar para crear un nuevo tipo de motor eléctrico que tenga más eficiencia que otros tipos de motores eléctricos.
Además de su impresionante resistencia, los SWCNT tienen excelentes propiedades térmicas. Tienen una enorme cantidad de resistencia axial a la tensión, y tienen cero expansión térmica en el plano. Esto los hace increíblemente útiles para aplicaciones como sensores químicos, nanoelectrónica y fibras aditivas de refuerzo en materiales compuestos funcionales.
Se pueden hacer otros tipos de nanotubos de carbono con más de una capa, y a menudo se les conoce como nanotubos de carbono de paredes múltiples o MWCNT. Se crean mediante capas rodantes de SWCNT entre sí, y generalmente se usan en aplicaciones que requieren propiedades estructurales y conductoras.
Estas alotropas de carbono tienen la capacidad de adsorbir una amplia gama de compuestos orgánicos, haciéndolos útiles en aplicaciones ambientales, como la purificación de agua y los sistemas de administración de fármacos. Su estructura de estilo capilar significa que pueden contener gas de hidrógeno, lo que tiene el potencial de abrir una fuente completamente nueva de energía alternativa. También se están utilizando para desarrollar textiles protectores que sean más transpirables que Goretex, e incluso pueden repeler las amenazas biológicas porque sus poros tienen solo unos pocos nanómetros de ancho. Las capacidades de adsorción de los nanotubos de carbono incluso se han aplicado a aplicaciones médicas, como la administración de medicamentos y la regeneración de células nerviosas.
Nanocristales
Los nanocristales son partículas de fármacos puros y sólidos con un tamaño medio de partículas de menos de 1 nm y carácter cristalino. Se diferencian de las micropartículas y emulsiones de fármacos, ya que están compuestos completamente de la carga útil (fármaco) en lugar de un portador auxiliar, por lo que el término ‘nanocristal’ no se superpone con el campo coloidal tradicional de la ciencia de partículas que se refiere a los tamaños de partículas por encima del tamaño de las partículas sobre los Mesoscala (1 a 1,000 nm).
En la industria farmacéutica, la tecnología de nanocristales tiene el potencial de reducir el número de pasos necesarios para formular fármacos mal solubles en agua en formas de dosificación oral. Esto puede reducir la cantidad de API y generalmente reconocido como excipientes seguros (gras) necesarios en la formulación, por lo que es una alternativa atractiva a las formulaciones de forma de polvo seco convencional. Los nanocristales también tienen el potencial de mejorar la administración de fármacos. El tamaño más pequeño de los nanocristales les permite estar más fácilmente envueltos por las células en el tracto intestinal y reducir las pérdidas de absorción de fármacos.
Los nanomateriales fabricados se están utilizando en una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los nanotubos de carbono hacen que los kayaks sean más ligeros y fuertes, mientras que las nanopartículas de óxido de titanio se agregan al protector solar, para proporcionar un filtro UV natural con una capacidad mejorada para penetrar la piel. Además, las propiedades únicas de los nanomateriales de grafeno y celulósicos se están utilizando en electrónica flexible, como paneles solares flexibles y flexibles y telas conductivas que se pueden coser o imprimir en ropa y otros materiales. Finalmente, las nanofibras de celulosa y celulosa regeneradas se pueden usar para hacer papel delgado, fuerte y transparente. Esto abre la puerta a una nueva generación de productos biodegradables y compostables. Estos productos están transformando la forma en que vivimos, trabajamos y jugamos.
Nanomateriales orgánicos
Los nanomateriales orgánicos se basan en compuestos basados en carbono y orgánicos, como los fullerenos (nanotubos de carbono y bolas Buckyball). Han atraído el interés de los investigadores debido a su potencial de estructuras más biocompatibles, fácilmente degradables y ecológicas. A menudo se usan como catalizadores y en baterías, pero también se pueden encontrar en muchos otros usos. La síntesis de nanomateriales orgánicos es un paso importante en el desarrollo de nuevas tecnologías, pero no está exenta de riesgos. Por ejemplo, las partículas de negro de carbono en la inhalación pueden irritar los pulmones y causar bronquitis. Las fibras más largas pueden alojarse profundamente en los pulmones y causar mesotelioma, un cáncer de tejido que recubre los pulmones.
En medicina, se pueden usar nanomateriales orgánicos para entregar medicamentos directamente a las células enfermas. Los investigadores están utilizando fullerenos para atacar tumores cancerosos y tratar enfermedades como la parálisis cerebral. También están experimentando con dendrímeros, que tienen múltiples ramas y pueden manipularse para dirigirse a proteínas o células enfermas específicas.
Los nanomateriales orgánicos no poliméricos están creciendo en popularidad debido a sus propiedades mecánicas superiores. Pueden aumentar la resistencia, la resistencia a la tracción y la transparencia de los materiales. También se están utilizando en la industria automotriz para reducir el peso del motor de aluminio, mejorar la economía de combustible y aumentar el rendimiento de los componentes de la batería de iones de litio.
La gran relación de superficie / volumen de nanomateriales orgánicos los hace ideales para los sensores. Se pueden cargar con una variedad de moléculas de detección que luego son reconocidas por las partículas de analitos. Una vez que la molécula está unida, el nanomaterial puede transmitir una señal eléctrica, magnética, óptica o electroquímica a registrar. Este proceso se puede hacer en un solo paso, lo que aumenta la velocidad y la precisión de los datos del sensor.