Nano-partícula - Nanoparticle

Imagens TEM (a, b e c) de nanopartículas de sílica mesoporosa preparadas com diâmetro externo médio: (a) 20nm, (b) 45nm e (c) 80nm. Imagem SEM (d) correspondente a (b). As inserções são uma grande ampliação da partícula de sílica mesoporosa.

Uma nanopartícula ou partícula ultrafina é geralmente definida como uma partícula de matéria que tem entre 1 e 100 nanômetros (nm) de diâmetro . O termo às vezes é usado para partículas maiores, de até 500 nm, ou fibras e tubos com menos de 100 nm em apenas duas direções. No intervalo mais baixo, as partículas de metal menores que 1 nm são geralmente chamadas de aglomerados de átomos .

As nanopartículas são geralmente diferenciadas de micropartículas (1-1000 µm), "partículas finas" (com tamanho entre 100 e 2500 nm) e "partículas grossas" (variando de 2500 a 10.000 nm), porque seu tamanho menor conduz a fatores físicos ou químicos muito diferentes propriedades, como propriedades coloidais e propriedades ópticas ou elétricas.

Estando mais sujeitos ao movimento browniano , eles geralmente não sedimentam, como as partículas coloidais que, por outro lado, normalmente são entendidas como variando de 1 a 1000 nm.

Por serem muito menores que os comprimentos de onda da luz visível (400-700 nm), as nanopartículas não podem ser vistas com microscópios ópticos comuns , exigindo o uso de microscópios eletrônicos ou microscópios com laser . Pelo mesmo motivo, as dispersões de nanopartículas em meios transparentes podem ser transparentes, enquanto as suspensões de partículas maiores geralmente espalham parte ou toda a luz visível incidente sobre elas. As nanopartículas também passam facilmente por filtros comuns , como velas de cerâmica comuns , de modo que a separação de líquidos requer técnicas especiais de nanofiltração .

As propriedades das nanopartículas muitas vezes diferem acentuadamente daquelas de partículas maiores da mesma substância. Como o diâmetro típico de um átomo está entre 0,15 e 0,6 nm, uma grande fração do material das nanopartículas fica a poucos diâmetros atômicos de sua superfície. Portanto, as propriedades dessa camada superficial podem dominar as do material a granel. Este efeito é particularmente forte para nanopartículas dispersas em um meio de composição diferente, uma vez que as interações entre os dois materiais em sua interface também se tornam significativas.

Modelo idealizado de uma nanopartícula cristalina de platina , com cerca de 2 nm de diâmetro, mostrando átomos individuais.

Nanopartículas ocorrem amplamente na natureza e são objetos de estudo em muitas ciências, como química , física , geologia e biologia . Estando na transição entre os materiais a granel e as estruturas atômicas ou moleculares , eles geralmente exibem fenômenos que não são observados em nenhuma das escalas. Eles são um componente importante da poluição atmosférica e ingredientes essenciais em muitos produtos industrializados, como tintas , plásticos , metais , cerâmicas e produtos magnéticos . A produção de nanopartículas com propriedades específicas é um ramo da nanotecnologia .

Em geral, o tamanho pequeno das nanopartículas leva a uma concentração menor de defeitos pontuais em comparação com suas contrapartes em massa, mas eles suportam uma variedade de deslocamentos que podem ser visualizados usando microscópios eletrônicos de alta resolução . No entanto, as nanopartículas exibem diferentes mecanismos de deslocamento, que, juntamente com suas estruturas de superfície únicas, resultam em propriedades mecânicas que são diferentes do material a granel.

Nanonpartículas não esféricas (por exemplo, prismas, cubos, hastes, etc.) exibem propriedades dependentes da forma e do tamanho (químicas e físicas) ( anisotropia ). Nanopartículas não esféricas de ouro (Au), prata (Ag) e platina (Pt), devido às suas fascinantes propriedades ópticas, estão encontrando diversas aplicações. Geometrias não esféricas de nanoprismas dão origem a seções transversais altamente eficazes e cores mais profundas das soluções coloidais. A possibilidade de mudar os comprimentos de onda de ressonância por meio do ajuste da geometria das partículas permite usá-los nas áreas de marcação molecular, ensaios biomoleculares, detecção de traços de metais ou aplicações nanotécnicas. Nanopartículas anisotrópicas exibem um comportamento de absorção específico e orientação de partícula estocástica sob luz não polarizada, mostrando um modo de ressonância distinto para cada eixo excitável. Esta propriedade pode ser explicada pelo fato de que diariamente surgem novos desenvolvimentos no campo da síntese dessas nanopartículas para sua preparação com alto rendimento.

Definições

IUPAC

Em sua proposta de terminologia para polímeros biologicamente relacionados em 2012 , o IUPAC definiu uma nanopartícula como "uma partícula de qualquer forma com dimensões na faixa de 1 × 10 -9 e 1 × 10 -7 m". Esta definição evoluiu de uma dada pela IUPAC em 1997.

Em outra publicação de 2012, o IUPAC estende o prazo para incluir tubos e fibras com apenas duas dimensões abaixo de 100 nm.

ISO

De acordo com a especificação técnica 80004 da International Standards Organization (ISO) , uma nanopartícula é um objeto com todas as três dimensões externas na nanoescala, cujos eixos mais longos e mais curtos não diferem significativamente, com uma diferença significativa normalmente sendo um fator de pelo menos 3.

Uso comum

A "nanoescala" é geralmente entendida como a faixa de 1 a 100 nm porque as novas propriedades que diferenciam as partículas do material a granel normalmente se desenvolvem nessa faixa de tamanhos.

Para algumas propriedades, como transparência ou turbidez , ultrafiltração , dispersão estável, etc., alterações substanciais características de nanopartículas são observadas para partículas tão grandes quanto 500 nm. Portanto, o prazo às vezes é estendido a essa faixa de tamanho.

Conceitos relacionados

Nanoclusters são aglomerados de nanopartículas com pelo menos uma dimensão entre 1 e 10 nanômetros e uma distribuição de tamanho estreita. Nanopós são aglomerados de partículas ultrafinas, nanopartículas ou nanoclusters. Cristais únicos de tamanho nanômetro , ou partículas ultrafinas de domínio único , são freqüentemente chamados de nanocristais .

Os termos colóide e nanopartícula não são intercambiáveis. Um colóide é uma mistura que possui partículas de uma fase dispersas ou suspensas dentro de uma outra fase. O termo se aplica apenas se as partículas forem maiores do que as dimensões atômicas, mas pequenas o suficiente para exibir o movimento browniano , com a faixa de tamanho crítico (ou diâmetro de partícula) tipicamente variando de nanômetros (10 −9 m) a micrômetros (10 −6 m). Os coloides podem conter partículas muito grandes para serem nanopartículas, e as nanopartículas podem existir na forma não coloidal, por exemplo, como um pó ou em uma matriz sólida.

História

Ocorrência natural

As nanopartículas são produzidas naturalmente por muitos processos cosmológicos , geológicos, meteorológicos e biológicos. Uma fração significativa (em número, senão em massa) da poeira interplanetária , que ainda está caindo na Terra a uma taxa de milhares de toneladas por ano, está na faixa das nanopartículas; e o mesmo se aplica às partículas de poeira atmosférica . Muitos vírus têm diâmetros na faixa das nanopartículas.

Tecnologia pré-industrial

As nanopartículas eram utilizadas pelos artesãos desde a pré-história, embora sem o conhecimento de sua natureza. Eles foram usados ​​por vidreiros e oleiros na Antiguidade Clássica , como exemplificado pela taça de vidro dicróico de Lycurgus romano (século IV dC) e a cerâmica lustrosa da Mesopotâmia (século IX dC). Este último é caracterizado por nanopartículas de prata e cobre dispersas no esmalte vítreo .

século 19

Michael Faraday forneceu a primeira descrição, em termos científicos, das propriedades ópticas dos metais em escala nanométrica em seu clássico artigo de 1857. Em um artigo subsequente, o autor (Turner) aponta que: "É bem sabido que quando folhas finas de ouro ou prata são montadas sobre o vidro e aquecidas a uma temperatura bem abaixo de um calor vermelho (~ 500 ° C), uma notável mudança de propriedades ocorre, por meio da qual a continuidade do filme metálico é destruída. O resultado é que a luz branca agora é transmitida livremente, a reflexão é correspondentemente diminuída, enquanto a resistividade elétrica é enormemente aumentada. "

século 20

Durante as décadas de 1970 e 80, quando os primeiros estudos fundamentais completos com nanopartículas estavam em andamento nos Estados Unidos (por Granqvist e Buhrman) e no Japão (dentro de um Projeto ERATO), os pesquisadores usaram o termo partículas ultrafinas. No entanto, durante a década de 1990, antes do lançamento da National Nanotechnology Initiative nos Estados Unidos, o termo nanopartícula se tornou mais comum (por exemplo, veja o mesmo artigo do autor sênior 20 anos depois abordando o mesmo problema, distribuição lognormal de tamanhos).

Morfologia e estrutura

Nanostars de óxido de vanádio (IV)

Nanopartículas ocorrer em uma grande variedade de formas, que foram dados muitos nomes informais, como nanoesferas, nanobastões , nanochains , nanostars, nanoflowers, nanoreefs, nanowhiskers, nanofibras e nanoboxes.

As formas das nanopartículas podem ser determinadas pelo hábito intrínseco do cristal do material ou pela influência do ambiente em torno de sua criação, como a inibição do crescimento do cristal em certas faces por aditivos de revestimento, a forma das gotículas de emulsão e micelas no preparação do precursor, ou a forma dos poros em uma matriz sólida circundante. Algumas aplicações de nanopartículas podem exigir formas específicas, bem como tamanhos ou intervalos de tamanhos específicos.

As partículas amorfas geralmente adotam uma forma esférica (devido à sua isotropia microestrutural).

O estudo de partículas finas é chamado de micromeríticos .

Variações

Nanopartículas semissólidas e moles foram produzidas. Um protótipo de nanopartícula de natureza semissólida é o lipossoma . Vários tipos de nanopartículas de lipossomas são atualmente usados ​​clinicamente como sistemas de entrega de medicamentos e vacinas anticâncer.

A quebra de biopolímeros em seus blocos de construção em nanoescala é considerada uma rota potencial para produzir nanopartículas com biocompatibilidade e biodegradabilidade aprimoradas . O exemplo mais comum é a produção de nanocelulose a partir da polpa de madeira. Outros exemplos são nanolignina , nanchitina ou nanostarches .

Nanopartículas com metade hidrofílica e a outra metade hidrofóbica são denominadas partículas de Janus e são particularmente eficazes para estabilizar emulsões. Eles podem se auto-montar nas interfaces água / óleo e atuar como estabilizadores de Pickering .

Nanopartículas de hidrogel feitas de N-isopropilacrilamida núcleo de hidrogel podem ser tingidas com iscas de afinidade, internamente. Essas iscas de afinidade permitem que as nanopartículas isolem e removam proteínas indesejáveis ​​enquanto aumentam os analitos alvo.

Propriedades

1 kg de partículas de 1 mm 3 tem a mesma área de superfície que 1 mg de partículas de 1 nm 3

As propriedades de um material na forma de nanopartículas são incomumente diferentes daquelas do material a granel, mesmo quando dividido em partículas de tamanho micrométrico. Muitos deles surgem do confinamento espacial de partículas subatômicas (ou seja, elétrons, prótons, fótons) e campos elétricos em torno dessas partículas. A grande proporção entre superfície e volume também é um fator significativo nesta escala.

Grande relação área / volume

Espera-se que um material a granel (> 100 nm de tamanho) tenha propriedades físicas constantes (como condutividade térmica e elétrica , rigidez , densidade e viscosidade ), independentemente de seu tamanho, para nanopartículas, no entanto, isso é diferente: o volume da superfície camada (poucos diâmetros atômicos de largura) torna-se uma fração significativa do volume da partícula; ao passo que essa fração é insignificante para partículas com diâmetro de um micrômetro ou mais. Em outras palavras, a relação área de superfície / volume impacta certas propriedades das nanopartículas de forma mais proeminente do que nas partículas a granel.

Camada interfacial

Para nanopartículas dispersas em um meio de composição diferente, a camada interfacial - formada por íons e moléculas do meio que estão a poucos diâmetros atômicos da superfície de cada partícula - pode mascarar ou alterar suas propriedades químicas e físicas. Na verdade, essa camada pode ser considerada parte integrante de cada nanopartícula.

Afinidade solvente

Suspensões de nanopartículas são possíveis uma vez que a interação da superfície da partícula com o solvente é forte o suficiente para superar as diferenças de densidade , que normalmente resultariam em um material afundando ou flutuando em um líquido.

Revestimentos

Nanopartícula semicondutora ( ponto quântico ) de sulfeto de chumbo com passivação completa por ácido oleico, oleilamina e ligantes de hidroxila (tamanho ~ 5 nm)

As nanopartículas freqüentemente se desenvolvem ou recebem revestimentos de outras substâncias, distintas tanto do material da partícula quanto do meio circundante. Mesmo quando apenas uma única molécula tem a espessura, esses revestimentos podem mudar radicalmente as propriedades das partículas, como reatividade química, atividade catalítica e estabilidade em suspensão.

Difusão pela superfície

A alta área de superfície de um material na forma de nanopartículas permite que o calor, as moléculas e os íons se difundam para dentro ou para fora das partículas em taxas muito grandes. O pequeno diâmetro da partícula, por outro lado, permite que todo o material atinja um equilíbrio homogêneo em relação à difusão em um tempo muito curto. Assim, muitos processos que dependem da difusão, como a sinterização, podem ocorrer em temperaturas mais baixas e em escalas de tempo mais curtas, induzindo a catálise .

Efeitos ferromagnéticos e ferroelétricos

O pequeno tamanho das nanopartículas afeta suas propriedades magnéticas e elétricas. Os materiais ferromagnéticos na faixa do micrômetro são um bom exemplo: amplamente utilizados em mídia de gravação magnética , para a estabilidade de seu estado de magnetização, essas partículas menores que 10 nm são instáveis ​​e podem mudar de estado (flip) como resultado da energia térmica em temperaturas normais, tornando-os inadequados para essa aplicação.

Propriedades mecânicas

A concentração de vacância reduzida em nanocristais pode afetar negativamente o movimento de deslocamentos , uma vez que a subida de deslocamento requer a migração de vagas. Além disso, existe uma pressão interna muito alta devido à tensão superficial presente em pequenas nanopartículas com raios de curvatura elevados . Isso causa uma deformação na rede inversamente proporcional ao tamanho da partícula, também conhecida por impedir o movimento de deslocamento, da mesma forma que no endurecimento por trabalho de materiais. Por exemplo, as nanopartículas de ouro são significativamente mais duras do que o material a granel. Além disso, a alta proporção superfície-volume nas nanopartículas torna os deslocamentos mais propensos a interagir com a superfície da partícula. Em particular, isso afeta a natureza da fonte de deslocamento e permite que os deslocamentos escapem da partícula antes que possam se multiplicar, reduzindo a densidade de deslocamento e, portanto, a extensão da deformação plástica .

Existem desafios únicos associados à medição de propriedades mecânicas em nanoescala, já que os meios convencionais, como a máquina de teste universal, não podem ser empregados. Como resultado, novas técnicas, como nanoindentação , foram desenvolvidas para complementar os métodos existentes de microscópio eletrônico e sonda de varredura . A microscopia de força atômica (AFM) pode ser usada para realizar a nanoindentação para medir a dureza , o módulo de elasticidade e a adesão entre a nanopartícula e o substrato. A deformação da partícula pode ser medida pela deflexão da ponta do cantilever sobre a amostra. As curvas força-deslocamento resultantes podem ser usadas para calcular o módulo de elasticidade . No entanto, não está claro se o tamanho da partícula e a profundidade do recuo afetam o módulo de elasticidade medido das nanopartículas por AFM.

As forças de adesão e fricção são considerações importantes em nanofabricação, lubrificação, design de dispositivo, estabilização coloidal e administração de drogas. A força capilar é o principal contribuinte para a força adesiva nas condições ambientais. A adesão e a força de atrito podem ser obtidas a partir da deflexão do cantilever se a ponta do AFM for considerada uma nanopartícula. No entanto, este método é limitado pelo material da ponta e pela forma geométrica. A técnica da sonda coloidal supera esses problemas ao anexar uma nanopartícula à ponta do AFM, permitindo o controle sobre o tamanho, a forma e o material. Embora a técnica da sonda coloidal seja um método eficaz para medir a força de adesão, continua difícil anexar uma única nanopartícula menor que 1 mícron no sensor de força AFM.

Outra técnica é o TEM in situ , que fornece imagens de alta resolução em tempo real da resposta da nanoestrutura a um estímulo. Por exemplo, um suporte de sonda de força in situ em TEM foi usado para comprimir nanopartículas geminadas e caracterizar a resistência ao escoamento . Em geral, a medição das propriedades mecânicas das nanopartículas é influenciada por muitos fatores, incluindo dispersão uniforme de nanopartículas, aplicação precisa de carga, deformação mínima de partícula, calibração e modelo de cálculo.

Como os materiais a granel, as propriedades das nanopartículas são dependentes dos materiais. Para nanopartículas de polímero esférico, a temperatura de transição vítrea e a cristalinidade podem afetar a deformação e alterar o módulo de elasticidade em comparação com o material a granel. No entanto, o comportamento dependente do tamanho dos módulos elásticos não pode ser generalizado entre os polímeros. Quanto às nanopartículas de metal cristalino, descobriu-se que os deslocamentos influenciam as propriedades mecânicas das nanopartículas, contrariando a visão convencional de que os deslocamentos estão ausentes nas nanopartículas cristalinas.

Depressão do ponto de fusão

Um material pode ter ponto de fusão mais baixo na forma de nanopartículas do que na forma a granel. Por exemplo, nanopartículas de ouro de 2,5 nm fundem a cerca de 300 ° C, enquanto o ouro em massa derrete a 1064 ° C.

Efeitos da mecânica quântica

Os efeitos da mecânica quântica tornam-se perceptíveis para objetos em nanoescala. Eles incluem confinamento quântico em partículas semicondutoras , plasmons de superfície localizados em algumas partículas de metal e superparamagnetismo em materiais magnéticos . Os pontos quânticos são nanopartículas de material semicondutor que são pequenas o suficiente (normalmente abaixo de 10 nm ou menos) para ter níveis de energia eletrônicos quantizados .

Os efeitos quânticos são responsáveis ​​pela cor vermelho escuro a preto dos nanopós de ouro ou silício e das suspensões de nanopartículas. A absorção da radiação solar é muito maior em materiais compostos de nanopartículas do que em filmes finos de folhas contínuas de material. Em aplicações fotovoltaicas e térmicas solares , ao controlar o tamanho, a forma e o material das partículas, é possível controlar a absorção solar.

Nanopartículas núcleo-casca podem suportar simultaneamente ressonâncias elétricas e magnéticas, demonstrando propriedades inteiramente novas quando comparadas com nanopartículas metálicas nuas se as ressonâncias forem adequadamente projetadas. A formação da estrutura núcleo-casca de dois metais diferentes permite uma troca de energia entre o núcleo e a casca, normalmente encontrada em nanopartículas de conversão ascendente e conversão descendente de nanopartículas, e causa uma mudança no espectro de comprimento de onda de emissão.

Ao introduzir uma camada dielétrica, nanopartículas de núcleo plasmônico (metal) (dielétrico) aumentam a absorção de luz aumentando a dispersão. Recentemente, a nanopartícula de casca dielétrica com núcleo de metal demonstrou um espalhamento reverso zero com espalhamento direto aprimorado em um substrato de silício quando o plasmon de superfície está localizado na frente de uma célula solar.

Embalagem regular

Nanopartículas de tamanho suficientemente uniforme podem se estabelecer espontaneamente em arranjos regulares, formando um cristal coloidal . Esses arranjos podem exibir propriedades físicas originais, como observadas em cristais fotônicos

Produção

Nanopartículas artificiais podem ser criadas a partir de qualquer material sólido ou líquido, incluindo metais , dielétricos e semicondutores . Eles podem ser internamente homogêneos ou heterogêneos, por exemplo, com uma estrutura núcleo-casca.

Existem vários métodos para a criação de nanopartículas, incluindo condensação de gás , atrito , precipitação química , implantação de íons , pirólise e síntese hidrotérmica .

Mecânico

Partículas sólidas friáveis ​​em macro ou microescala podem ser moídas em um moinho de bolas , um moinho de bolas planetário ou outro mecanismo de redução de tamanho até que um número suficiente deles esteja na faixa de tamanho em nanoescala. O pó resultante pode ser classificado ao ar para extrair as nanopartículas.

Repartição de biopolímeros

Biopolímeros como celulose , lignina , quitina ou amido podem ser decompostos em seus blocos de construção em nanoescala individuais, obtendo-se fibras anisotrópicas ou nanopartículas semelhantes a agulhas. Os biopolímeros são desintegrados mecanicamente em combinação com oxidação química ou tratamento enzimático para promover a quebra, ou hidrolisados usando ácido .

Pirólise

Outro método para criar nanopartículas é transformar uma substância precursora adequada, como um gás (por exemplo, metano) ou aerossol , em partículas sólidas por combustão ou pirólise . Esta é uma generalização da queima de hidrocarbonetos ou outros vapores orgânicos para gerar fuligem .

A pirólise tradicional geralmente resulta em agregados e aglomerados, em vez de partículas primárias únicas. Este inconveniente pode ser evitado pela pirólise de spray de bico ultrassônico , em que o líquido precursor é forçado através de um orifício em alta pressão.

Condensação de plasma

Nanopartículas de materiais refratários , como sílica e outros óxidos , carbonetos e nitretos , podem ser criadas por vaporização do sólido com um plasma térmico , que pode atingir temperaturas de 10.000 kelvin e, em seguida, condensar o vapor por expansão ou têmpera em um gás adequado ou líquido. O plasma pode ser produzido por jato CC , arco elétrico ou indução de radiofrequência (RF) . Os fios de metal podem ser vaporizados pelo método do fio de explosão .

Em tochas de plasma de indução de RF, o acoplamento de energia ao plasma é realizado por meio do campo eletromagnético gerado pela bobina de indução. O gás plasma não entra em contato com os eletrodos, eliminando assim possíveis fontes de contaminação e permitindo a operação de tais tochas de plasma com uma ampla gama de gases incluindo inertes, redutores, oxidantes e outras atmosferas corrosivas. A frequência de trabalho é normalmente entre 200 kHz e 40 MHz. As unidades de laboratório funcionam com níveis de potência da ordem de 30–50 kW, enquanto as unidades industriais de grande escala foram testadas com níveis de potência de até 1 MW. Como o tempo de residência das gotículas de alimentação injetadas no plasma é muito curto, é importante que os tamanhos das gotículas sejam pequenos o suficiente para obter a evaporação completa.

Condensação de gás inerte

A condensação de gás inerte é freqüentemente usada para produzir nanopartículas metálicas. O metal é evaporado em uma câmara de vácuo contendo uma atmosfera reduzida de um gás inerte. A condensação do vapor de metal supersaturado resulta na criação de partículas de tamanho nanométrico, que podem ser arrastadas na corrente de gás inerte e depositadas em um substrato ou estudadas in situ. Os primeiros estudos baseavam-se na evaporação térmica. Usar a pulverização catódica de magnetron para criar o vapor de metal permite obter rendimentos mais elevados. O método pode ser facilmente generalizado para nanopartículas de liga, escolhendo alvos metálicos apropriados. O uso de esquemas de crescimento sequencial, onde as partículas viajam através de um segundo vapor metálico, resulta no crescimento das estruturas núcleo-casca (CS).

Método de radiólise

a) Imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de nanopartículas de Hf cultivadas por condensação de gás inerte por pulverização catódica (inserção: distribuição de tamanho) eb ) mapeamento de energia dispersiva de raios-X (EDX) de nanopartículas de Ni e Ni @ Cu core @ shell.

Nanopartículas também podem ser formadas usando química de radiação . A radiólise de raios gama pode criar radicais livres fortemente ativos em solução. Esta técnica relativamente simples usa um número mínimo de produtos químicos. Estes incluem água, um sal metálico solúvel, um eliminador de radicais (geralmente um álcool secundário) e um surfactante (agente de proteção orgânico). São necessárias altas doses de gama na ordem de 10 4 Gray . Nesse processo, a redução de radicais deixará os íons metálicos no estado de valência zero. Um limpador químico irá interagir preferencialmente com os radicais oxidantes para prevenir a reoxidação do metal. Uma vez no estado de valência zero, os átomos de metal começam a se aglutinar em partículas. Um surfactante químico envolve a partícula durante a formação e regula seu crescimento. Em concentrações suficientes, as moléculas de surfactante permanecem ligadas à partícula. Isso evita que ele se dissocie ou forme aglomerados com outras partículas. A formação de nanopartículas usando o método de radiólise permite personalizar o tamanho e a forma das partículas, ajustando as concentrações do precursor e a dose gama.

Química úmida

Nanopartículas de certos materiais podem ser criadas por processos químicos "úmidos", nos quais soluções de compostos adequados são misturadas ou tratadas de outra forma para formar um precipitado insolúvel do material desejado. O tamanho das partículas deste último é ajustado pela escolha da concentração dos reagentes e da temperatura das soluções, e pela adição de agentes inertes adequados que afetam a viscosidade e a taxa de difusão do líquido. Com parâmetros diferentes, o mesmo processo geral pode render outras estruturas em nanoescala do mesmo material, como aerogéis e outras redes porosas.

As nanopartículas formadas por este método são então separadas do solvente e subprodutos solúveis da reação por uma combinação de evaporação , sedimentação , centrifugação , lavagem e filtração . Alternativamente, se as partículas se destinam a ser depositadas na superfície de algum substrato sólido, as soluções de partida podem ser revestidas nessa superfície por imersão ou revestimento por rotação , e a reação pode ser realizada no local.

A suspensão de nanopartículas resultante desse processo é um exemplo de colóide . Exemplos típicos deste método são a produção de nanopartículas de óxido ou hidróxido de metal por hidrólise de alcóxidos e cloretos de metal .

Além de ser barata e conveniente, a abordagem química úmida permite o controle preciso da composição química da partícula. Mesmo pequenas quantidades de dopantes, como corantes orgânicos e metais de terras raras, podem ser introduzidos nas soluções reagentes e acabam dispersos uniformemente no produto final.

Implantação iónica

A implantação de íons pode ser usada para tratar as superfícies de materiais dielétricos, como safira e sílica, para fazer compósitos com dispersões próximas à superfície de nanopartículas de metal ou óxido.

Funcionalização

Muitas propriedades das nanopartículas, notadamente estabilidade, solubilidade e atividade química ou biológica, podem ser radicalmente alteradas revestindo -as com várias substâncias - um processo denominado funcionalização . Catalisadores funcionalizados à base de nanomateriais podem ser usados ​​para catálise de muitas reações orgânicas conhecidas.

Por exemplo, as suspensões de partículas de grafeno podem ser estabilizadas por funcionalização com grupos de ácido gálico .

Para aplicações biológicas, o revestimento da superfície deve ser polar para fornecer alta solubilidade aquosa e evitar a agregação de nanopartículas. No soro ou na superfície da célula, revestimentos altamente carregados promovem a ligação não específica, enquanto o polietilenoglicol ligado a grupos hidroxila ou metoxi terminais repelem interações não específicas.

As nanopartículas podem ser ligadas a moléculas biológicas que podem atuar como etiquetas de endereço, direcionando-as para locais específicos dentro das organelas específicas do corpo dentro da célula, ou fazendo com que sigam especificamente o movimento de proteínas individuais ou moléculas de RNA em células vivas. As etiquetas de endereço comuns são anticorpos monoclonais , aptâmeros , estreptavidina ou peptídeos . Esses agentes de direcionamento devem ser idealmente ligados covalentemente à nanopartícula e devem estar presentes em um número controlado por nanopartícula. Nanopartículas multivalentes, contendo vários grupos de direcionamento, podem agrupar receptores, que podem ativar as vias de sinalização celular e dar uma ancoragem mais forte. Nanopartículas monovalentes, tendo um único sítio de ligação, evitam o agrupamento e, portanto, são preferíveis para rastrear o comportamento de proteínas individuais.

Foi demonstrado que a atividade catalítica e as taxas de sinterização de um catalisador de nanopartículas funcionalizadas estão correlacionadas à densidade numérica das nanopartículas.

Revestimentos que imitam os dos glóbulos vermelhos podem ajudar as nanopartículas a escapar do sistema imunológico.

Requisitos de uniformidade

O processamento químico e a síntese de componentes tecnológicos de alto desempenho para os setores privado, industrial e militar requerem o uso de cerâmicas de alta pureza ( cerâmicas de óxido , como óxido de alumínio ou óxido de cobre (II) ), polímeros , vitrocerâmicas , e materiais compósitos , como carbonetos metálicos ( SiC ), nitretos ( nitretos de alumínio , nitreto de silício ), metais ( Al , Cu ), não metais ( grafite , nanotubos de carbono ) e estratificados ( Al + carbonato de alumínio , Cu + C). Em corpos condensados ​​formados de pós finos, os tamanhos e formatos de partícula irregulares em um pó típico geralmente levam a morfologias de empacotamento não uniformes que resultam em variações de densidade de empacotamento no compacto de pó.

A aglomeração descontrolada de pós devido às forças atrativas de van der Waals também pode dar origem à heterogeneidade microestrutural. As tensões diferenciais que se desenvolvem como resultado de uma contração de secagem não uniforme estão diretamente relacionadas à taxa na qual o solvente pode ser removido e, portanto, altamente dependentes da distribuição de porosidade . Tais tensões foram associadas a uma transição de plástico para frágil em corpos consolidados e podem ceder à propagação de rachaduras no corpo não queimado se não forem aliviadas.

Além disso, quaisquer flutuações na densidade de empacotamento no compacto conforme ele é preparado para o forno são frequentemente amplificadas durante o processo de sinterização , resultando em densificação não homogênea. Alguns poros e outros defeitos estruturais associados às variações de densidade mostraram desempenhar um papel prejudicial no processo de sinterização, aumentando e, assim, limitando as densidades de ponto final. Também foi demonstrado que tensões diferenciais decorrentes da densificação não homogênea resultam na propagação de trincas internas, tornando-se, assim, as falhas que controlam a resistência.

A evaporação de gás inerte e a deposição de gás inerte estão livres de muitos desses defeitos devido à destilação (cf. purificação) natureza do processo e ter tempo suficiente para formar partículas de cristal único, no entanto, mesmo seus depósitos não-agregados têm distribuição de tamanho lognormal , que é típico com nanopartículas. A razão pela qual as técnicas modernas de evaporação de gás podem produzir uma distribuição de tamanho relativamente estreita é que a agregação pode ser evitada. No entanto, mesmo neste caso, tempos de residência aleatórios na zona de crescimento, devido à combinação de deriva e difusão, resultam em uma distribuição de tamanho que parece lognormal.

Seria, portanto, desejável processar um material de tal forma que seja fisicamente uniforme no que diz respeito à distribuição de componentes e porosidade, em vez de usar distribuições de tamanho de partícula que irão maximizar a densidade verde. A contenção de uma montagem uniformemente dispersa de partículas fortemente interagentes em suspensão requer controle total sobre as forças interpartículas. Monodispersas nanopartículas e colóides fornecer esse potencial.

Caracterização

As nanopartículas têm requisitos analíticos diferentes dos produtos químicos convencionais, para os quais a composição química e a concentração são métricas suficientes. As nanopartículas têm outras propriedades físicas que devem ser medidas para uma descrição completa, como tamanho , forma , propriedades de superfície , cristalinidade e estado de dispersão . Além disso, os procedimentos de amostragem e de laboratório podem perturbar seu estado de dispersão ou distorcer a distribuição de outras propriedades. Em contextos ambientais, um desafio adicional é que muitos métodos não podem detectar baixas concentrações de nanopartículas que ainda podem ter um efeito adverso. Para algumas aplicações, as nanopartículas podem ser caracterizadas em matrizes complexas, como água, solo, alimentos, polímeros, tintas, misturas complexas de líquidos orgânicos, como em cosméticos, ou sangue.

Existem várias categorias gerais de métodos usados ​​para caracterizar nanopartículas. Métodos microscópicos geram imagens de nanopartículas individuais para caracterizar sua forma, tamanho e localização. A microscopia eletrônica e a microscopia de varredura são os métodos dominantes. Como as nanopartículas têm um tamanho abaixo do limite de difração da luz visível , a microscopia óptica convencional não é útil. Microscópios eletrônicos podem ser acoplados a métodos espectroscópicos que podem realizar análises elementares . Os métodos de microscopia são destrutivos e podem estar sujeitos a artefatos indesejáveis da preparação da amostra ou da geometria da ponta da sonda, no caso da microscopia de varredura. Além disso, a microscopia é baseada em medições de partícula única , o que significa que um grande número de partículas individuais deve ser caracterizado para estimar suas propriedades em massa.

A espectroscopia , que mede a interação das partículas com a radiação eletromagnética em função do comprimento de onda , é útil para algumas classes de nanopartículas para caracterizar a concentração, o tamanho e a forma. A espectroscopia de raios-X , ultravioleta-visível , infravermelho e ressonância magnética nuclear pode ser usada com nanopartículas. Métodos de espalhamento de luz usando luz laser , raios-X ou espalhamento de nêutrons são usados ​​para determinar o tamanho de partícula, com cada método adequado para diferentes faixas de tamanho e composições de partícula. Alguns métodos diversos são eletroforese para carga de superfície, o método Brunauer – Emmett – Teller para área de superfície e difração de raios-X para estrutura de cristal, bem como espectrometria de massa para massa de partícula e contadores de partícula para número de partícula. Técnicas de cromatografia , centrifugação e filtração podem ser usadas para separar nanopartículas por tamanho ou outras propriedades físicas antes ou durante a caracterização.

Saúde e segurança

As nanopartículas apresentam possíveis perigos, tanto do ponto de vista médico quanto ambiental. A maioria deles é devido à alta proporção entre superfície e volume, que pode tornar as partículas muito reativas ou catalíticas . Também se acredita que eles se agregam em bicamadas de fosfolipídios e passam através das membranas celulares dos organismos, e suas interações com os sistemas biológicos são relativamente desconhecidas. No entanto, é improvável que as partículas entrem no núcleo da célula, complexo de Golgi, retículo endoplasmático ou outros componentes celulares internos devido ao tamanho da partícula e aglomeração intercelular. Um estudo recente analisando os efeitos das nanopartículas de ZnO nas células do sistema imunológico humano encontrou vários níveis de suscetibilidade à citotoxicidade . Há preocupações de que as empresas farmacêuticas, buscando aprovação regulatória para nano-reformulações de medicamentos existentes, estejam contando com dados de segurança produzidos durante estudos clínicos da versão anterior de pré-reformulação do medicamento. Isso poderia resultar em órgãos reguladores, como o FDA, perdendo novos efeitos colaterais que são específicos para a nano-reformulação. No entanto, pesquisas consideráveis ​​demonstraram que as nanopartículas de zinco não são absorvidas pela corrente sanguínea in vivo.

Também foram levantadas preocupações sobre os efeitos na saúde das nanopartículas respiráveis ​​de certos processos de combustão. Investigações pré-clínicas demonstraram que algumas nanoarquitetura de metais nobres inalados ou injetados evitam a persistência em organismos. Em 2013, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA estava investigando a segurança das seguintes nanopartículas:

  • Nanotubos de carbono : os materiais de carbono têm uma ampla gama de usos, desde compostos para uso em veículos e equipamentos esportivos até circuitos integrados para componentes eletrônicos. As interações entre nanomateriais, como nanotubos de carbono e matéria orgânica natural, influenciam fortemente sua agregação e deposição, o que afeta fortemente seu transporte, transformação e exposição em ambientes aquáticos. Em pesquisas anteriores, os nanotubos de carbono exibiram alguns impactos toxicológicos que serão avaliados em vários ambientes ambientais na pesquisa atual de segurança química da EPA. A pesquisa da EPA fornecerá dados, modelos, métodos de teste e melhores práticas para descobrir os efeitos agudos dos nanotubos de carbono na saúde e identificar métodos para predizê-los.
  • Óxido de cério : o óxido de cério em nanoescala é usado em eletrônicos, suprimentos biomédicos, energia e aditivos de combustível. Muitas aplicações de nanopartículas de óxido de cério projetadas se dispersam naturalmente no meio ambiente, o que aumenta o risco de exposição. Há uma exposição contínua a novas emissões de diesel usando aditivos de combustível contendo nanopartículas de CeO 2 , e os impactos ambientais e de saúde pública dessa nova tecnologia são desconhecidos. A pesquisa de segurança química da EPA está avaliando as implicações ambientais, ecológicas e de saúde dos aditivos de combustível diesel com nanotecnologia.
  • Dióxido de titânio : o dióxido de nanotitânio é usado atualmente em muitos produtos. Dependendo do tipo de partícula, ela pode ser encontrada em filtros solares, cosméticos e tintas e revestimentos. Também está sendo investigado para uso na remoção de contaminantes da água potável.
  • Nano Silver : Nano Silver está sendo incorporada em têxteis, roupas, embalagens de alimentos e outros materiais para eliminar bactérias. A EPA e a Comissão de Segurança de Produtos do Consumidor dos EUA estão estudando certos produtos para ver se eles transferem partículas de prata de tamanho nanométrico em cenários do mundo real. A EPA está pesquisando este tópico para entender melhor com quanto as crianças nanopratas entram em contato em seus ambientes.
  • Ferro: Enquanto o ferro em escala nanométrica está sendo investigado para muitos usos, incluindo “fluidos inteligentes” para usos como polimento ótico e como suplemento nutricional de ferro melhor absorvido , um de seus usos atuais mais proeminentes é remover a contaminação do lençol freático. Esse uso, apoiado pela pesquisa da EPA, está sendo testado em vários locais nos Estados Unidos.

Regulamento

Em 2016, a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos registrou condicionalmente, por um período de quatro anos, apenas dois pesticidas de nanomateriais como ingredientes. O EPA diferencia ingredientes em nanoescala de formas não nanoescala do ingrediente, mas há poucos dados científicos sobre a variação potencial na toxicidade. Os protocolos de teste ainda precisam ser desenvolvidos.

Formulários

Como a morfologia mais prevalente de nanomateriais usados ​​em produtos de consumo, as nanopartículas têm uma gama enorme de aplicações potenciais e reais. A tabela abaixo resume as nanopartículas mais comuns usadas em vários tipos de produtos disponíveis nos mercados globais.

A pesquisa científica sobre nanopartículas é intensa, pois elas têm muitas aplicações potenciais na medicina, física, óptica e eletrônica. A US National Nanotechnology Initiative oferece financiamento do governo com foco na pesquisa de nanopartículas. | O uso de nanopartículas em mídia de ganho de laser poli (metacrilato de metila) dopado com corante a laser (PMMA) foi demonstrado em 2003 e demonstrou melhorar a eficiência de conversão e diminuir divergência do feixe de laser. Os pesquisadores atribuem a redução na divergência do feixe às características aprimoradas de dn / dT do nanocompósito dopado com corante orgânico-inorgânico. A composição ótima relatada por esses pesquisadores é de 30% p / p de SiO 2 (~ 12 nm) em PMMA dopado com corante. Nanopartículas estão sendo investigadas como um sistema potencial de entrega de drogas. Drogas, fatores de crescimento ou outras biomoléculas podem ser conjugados a nanopartículas para auxiliar na entrega direcionada. Esta entrega assistida por nanopartículas permite controles espaciais e temporais das drogas carregadas para atingir o resultado biológico mais desejável. As nanopartículas também são estudadas para possíveis aplicações como suplementos dietéticos para entrega de substâncias biologicamente ativas, por exemplo, elementos minerais .

Reforço de polímero

Nanopartículas de argila, quando incorporadas em matrizes poliméricas, aumentam o reforço, levando a plásticos mais fortes, verificáveis ​​por uma temperatura de transição vítrea mais alta e outros testes de propriedades mecânicas. Essas nanopartículas são duras e conferem suas propriedades ao polímero (plástico). Nanopartículas também foram anexadas às fibras têxteis para criar roupas inteligentes e funcionais.

Sintonizador de propriedades líquidas

A inclusão de nanopartículas em um meio sólido ou líquido pode alterar substancialmente suas propriedades mecânicas, como elasticidade, plasticidade, viscosidade, compressibilidade.

Fotocatálise

Sendo menores que os comprimentos de onda da luz visível, as nanopartículas podem ser dispersas em meios transparentes sem afetar sua transparência nesses comprimentos de onda. Esta propriedade é explorada em muitas aplicações, como fotocatálise .

Pavimentação de estradas

A modificação do asfalto por meio de nanopartículas pode ser considerada uma técnica de baixo custo interessante na engenharia de pavimento asfáltico, fornecendo novas perspectivas para tornar os materiais asfálticos mais duráveis.

Biomédica

Partículas em nanoescala são usadas em aplicações biomédicas como transportadores de drogas ou agentes de contraste de imagem em microscopia. Nanopartículas anisotrópicas são um bom candidato na detecção biomolecular .

Protetores solares

Nanopartículas de dióxido de titânio conferem o que é conhecido como efeito de autolimpeza, que confere propriedades repelentes de água e antibacterianas para tintas e outros produtos. As nanopartículas de óxido de zinco têm propriedades bloqueadoras de UV superiores e são amplamente utilizadas na preparação de loções de proteção solar , sendo totalmente fotoestáveis, embora tóxicas.

Compostos por área industrial

Vários compostos químicos de nanopartículas que são comumente usados ​​em produtos de consumo por setores industriais
Não. Setores industriais Nanopartículas
1 agricultura prata , dióxido de silício , potássio , cálcio , ferro , zinco , fósforo , boro , óxido de zinco e molibdênio
2 automotivo tungsténio , dióxido de disulfidesilicon , argila , dióxido de titânio , diamante , de cobre , óxido de cobalto , óxido de zinco , nitreto de boro , dióxido de zircónio , tungsténio , óxido de γ-alumínio , boro , paládio , platina , óxido de cério (IV) , de carnaúba , de óxido de alumínio , prata , carbonato de cálcio e sulfonato de cálcio
3 construção titânio , dióxido de dióxido de silício , prata , argila , óxido de alumínio , carbonato de cálcio, silicato de cálcio hidratado , carbono , fosfato de alumínio , óxido de cério (IV) e hidróxido de cálcio
4 cosméticos prata , dióxido de titânio , ouro , carbono , óxido de zinco , dióxido de silício , argila , silicato de sódio , ácido kójico e ácido hidroxi
5 eletrônicos prata , alumínio , dióxido de silício e paládio
6 ambiente prata , dióxido de titânio , óxido de manganês de carbono , argila , ouro e selênio
7 Comida prata , argila , dióxido de titânio , ouro , óxido de zinco , dióxido de silício , cálcio , cobre , zinco , platina , manganês , paládio e carbono
8 Eletrodoméstico prata , óxido de zinco , dióxido de silício , diamante e dióxido de titânio
9 Medicina prata , ouro , hidroxiapatita , argila , dióxido de titânio , dióxido de silício , dióxido de zircónio , de carbono , de diamante , óxido de alumínio e itérbio trifluoreto
10 petróleo tungstênio , óxido de dissulfidezinc , dióxido de silício , diamante , argila , boro , nitreto de boro , prata , dióxido de titânio , tungstênio , óxido de γ-alumínio , carbono , dissulfeto de molibdênio e óxido de γ-alumínio
11 impressão toner , depositado por uma impressora em papel ou outro substrato
12 energias renováveis titânio , paládio , dissulfeto de tungstênio , dióxido de silício , argila , grafite , zircônio (IV) óxido-ítria estabilizado , carbono , óxido de cério dopado com gd (IV) , óxido de níquel cobalto , óxido de níquel (II) , ródio , sm-dopado - óxido de cério (IV) , titanato de bário estrôncio e prata
13 esportes e fitness prata , dióxido de titânio , ouro , argila e carbono
14 têxtil prata , carbono , dióxido de titânio , sulfeto de cobre , argila , ouro , tereftalato de polietileno e dióxido de silício

Veja também

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Leitura adicional

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