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Partículas de Janus

Una vista esquemática de una partícula esférica básica de Janus con dos caras distintas: los lados A y B representan dos superficies con diferentes propiedades físicas o químicas.

Las partículas Janus son tipos especiales de nanopartículas o micropartículas cuyas superficies tienen dos o más propiedades físicas distintas . [1] [2] Esta superficie única de las partículas Janus permite que se produzcan dos tipos diferentes de química en la misma partícula. El caso más simple de una partícula Janus se logra dividiendo la partícula en dos partes distintas, cada una de ellas hecha de un material diferente o con grupos funcionales diferentes. [3] Por ejemplo, una partícula Janus puede tener la mitad de su superficie compuesta por grupos hidrófilos y la otra mitad por grupos hidrófobos , [4] las partículas pueden tener dos superficies de diferente color, [5] fluorescencia o propiedades magnéticas. [6] Esto les da a estas partículas propiedades únicas relacionadas con su estructura asimétrica y/o funcionalización. [7]

Historia

El término "partícula de Jano" fue acuñado por el autor Leonard Wibberley en su novela de 1962 El ratón en la Luna como un dispositivo de ciencia ficción para los viajes espaciales.

El término fue utilizado por primera vez en un contexto científico del mundo real por C. Casagrande et al. en 1988 [8] para describir partículas esféricas de vidrio con uno de los hemisferios hidrófilo y el otro hidrófobo. En ese trabajo, las perlas anfifílicas se sintetizaron protegiendo un hemisferio con barniz y tratando químicamente el otro hemisferio con un reactivo de silano. Este método dio como resultado una partícula con áreas hidrófilas e hidrófobas iguales. [9] En 1991, Pierre-Gilles de Gennes mencionó el término partícula "Jano" en su discurso Nobel . Las partículas de Jano reciben su nombre del dios romano de dos caras Jano porque se puede decir que estas partículas tienen "dos caras" ya que poseen dos tipos distintos de propiedades. [10] De Gennes impulsó el avance de las partículas de Jano al señalar que estos "granos de Jano" tienen la propiedad única de autoensamblarse densamente en las interfaces líquido-líquido, al tiempo que permiten que el transporte de material se produzca a través de los espacios entre las partículas anfifílicas sólidas . [11]

En 1976, Nick Sheridon de Xerox Corporation patentó un panel de visualización de bolas giratorias, donde se refiere a una "pluralidad de partículas que tienen una anisotropía eléctrica". [12] Aunque el término "partículas Janus" aún no se utilizaba, Lee y sus colaboradores también informaron partículas que coincidían con esta descripción en 1985. [13] Introdujeron redes asimétricas de poliestireno / polimetilmetacrilato a partir de polimerización en emulsión sembrada . Un año después, Casagrande y Veyssie informaron sobre la síntesis de perlas de vidrio que se hicieron hidrófobas en un solo hemisferio utilizando octadecil triclorosilano, mientras que el otro hemisferio estaba protegido con un barniz de celulosa. [9] Las perlas de vidrio se estudiaron por su potencial para estabilizar los procesos de emulsión. Luego, varios años después, Binks y Fletcher investigaron la humectabilidad de las perlas Janus en la interfaz entre el aceite y el agua. [14] Llegaron a la conclusión de que las partículas Janus son tanto activas en la superficie como anfifílicas, mientras que las partículas homogéneas solo son activas en la superficie. Veinte años después, se ha informado de una plétora de partículas Janus de diferentes tamaños, formas y propiedades, con aplicaciones en textiles, [15] sensores , [16] estabilización de emulsiones , [17] e imágenes de campos magnéticos [18] . Actualmente, Cospheric [19] dispone comercialmente de una variedad de partículas Janus de tamaños de 10 μm a 53 μm de diámetro , que posee una patente sobre el método de recubrimiento hemisférico para microelementos. [20]

Síntesis

La síntesis de nanopartículas Janus requiere la capacidad de crear selectivamente cada lado de una partícula de tamaño nanométrico con diferentes propiedades químicas de una manera rentable y confiable que produzca la partícula de interés con un alto rendimiento. Inicialmente, esta era una tarea difícil, pero en los últimos 10 años, se han perfeccionado los métodos para facilitarla. Actualmente, se utilizan tres métodos principales en la síntesis de nanopartículas Janus. [3]

Enmascaramiento

Vista esquemática de la síntesis de nanopartículas Janus mediante enmascaramiento. 1) Se colocan nanopartículas homogéneas en una superficie o sobre ella de tal forma que solo queda expuesto un hemisferio. 2) La superficie expuesta se expone a un químico 3) que cambia sus propiedades. 4) Luego se retira el agente enmascarador, liberando las nanopartículas Janus.
Ejemplo de nanopartículas de Janus fabricadas mediante un proceso de enmascaramiento
(a) Representación esquemática de un proceso de microfabricación de enmascaramiento. Después de crear una monocapa de partículas fluorescentes, se depositan bicapas de Ti/Au 1:10 sobre la mitad superior de las partículas. A continuación, la oblea se coloca en un vaso de precipitados con 2 ml de agua desionizada y se somete a sonicación durante 2 h para resuspenderlas. (b) Las micrografías SEM muestran los tres tipos de JP fabricados. La barra de escala representa 500 nm. [21]

El enmascaramiento fue una de las primeras técnicas desarrolladas para la síntesis de nanopartículas Janus. [22] Esta técnica se desarrolló simplemente tomando técnicas de síntesis de partículas Janus más grandes y escalándolas a la nanoescala. [22] [23] [24] El enmascaramiento, como sugiere el nombre, implica la protección de un lado de una nanopartícula seguida de la modificación del lado desprotegido y la eliminación de la protección. Dos técnicas de enmascaramiento son comunes para producir partículas Janus, la deposición evaporativa [25] [26] y una técnica en la que la nanopartícula se suspende en la interfaz de dos fases. Sin embargo, solo la técnica de separación de fases se escala bien a la nanoescala. [27]

El método de interfaz de fases implica atrapar nanopartículas homogéneas en la interfaz de dos fases inmiscibles. Estos métodos suelen implicar las interfaces líquido-líquido y líquido-sólido, pero se ha descrito un método de interfaz gas-líquido. [28] [29]

El método de interfaz líquido-líquido está mejor ejemplificado por Gu et al. , quienes hicieron una emulsión a partir de agua y un aceite y agregaron nanopartículas de magnetita . Las nanopartículas de magnetita se agregaron en la interfaz de la mezcla de agua y aceite, formando una emulsión de Pickering . Luego, se agregó nitrato de plata a la mezcla, lo que resultó en la deposición de nanopartículas de plata en la superficie de las nanopartículas de magnetita. Estas nanopartículas Janus luego se funcionalizaron mediante la adición de varios ligandos con afinidad específica para el hierro o la plata. [30] Este método también puede utilizar oro o hierro-platino en lugar de magnetita. [3]

Un método similar es el método de interfaz gas-líquido desarrollado por Pradhan et al. En este método, las nanopartículas de oro de tiolato de alcano hidrófobo se colocaron en agua, lo que provocó la formación de una monocapa de las nanopartículas de oro hidrófobas en la superficie. Luego se aumentó la presión del aire, lo que obligó a la capa hidrófoba a ser empujada hacia el agua, disminuyendo el ángulo de contacto . Cuando el ángulo de contacto estuvo en el nivel deseado, se agregó un tiol hidrófilo, 3-mercaptopropano-1,2-diol, al agua, lo que provocó que el tiol hidrófilo reemplazara competitivamente a los tioles hidrófobos, lo que resultó en la formación de nanopartículas anfifílicas Janus. [29]

Los métodos de interfaz líquido-líquido y gas-líquido tienen un problema en el que las nanopartículas pueden rotar en solución, lo que provoca la deposición de plata en más de una cara. [31] Granick et al. introdujeron por primera vez un método de interfaz híbrido líquido-líquido/líquido-sólido como solución a este problema del método líquido-líquido. En este método, se sustituyó el aceite por cera de parafina fundida y la magnetita por nanopartículas de sílice. Cuando se enfrió la solución, la cera se solidificó, atrapando la mitad de cada nanopartícula de sílice en la superficie de la cera, dejando la otra mitad de la sílice expuesta. Luego se filtró el agua y las nanopartículas de sílice atrapadas en la cera se expusieron a una solución de metanol que contenía (aminopropil)trietoxisilano, que reaccionó con las superficies de sílice expuestas de las nanopartículas. Luego se filtró la solución de metanol y se disolvió la cera con cloroformo , liberando las partículas Janus recién formadas. Liu et al. informaron sobre la síntesis de nanopartículas Janus de sílice-aminopropil-trimetoxisilano con forma de bellota y hongo utilizando el método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido desarrollado por Granick et al. Expusieron nanopartículas de sílice homogéneas funcionalizadas con aminopropil-trimetoxisilano embebidas en cera a una solución de fluoruro de amonio , que grabó la superficie expuesta. El método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido también tiene algunos inconvenientes; cuando se expone al segundo disolvente para la funcionalización, algunas de las nanopartículas pueden liberarse de la cera, lo que da como resultado nanopartículas homogéneas en lugar de Janus. Esto se puede corregir parcialmente utilizando ceras con puntos de fusión más altos o realizando la funcionalización a temperaturas más bajas. Sin embargo, estas modificaciones aún resultan en una pérdida significativa. Cui et al. diseñaron una máscara más duradera hecha de película de polímero de polidimetilsiloxano (PDMS) para crear una interfaz líquido-líquido/líquido-sólido. La parte expuesta a ser modificada de la superficie de la partícula se puede ajustar controlando la temperatura y el tiempo de curado del PDMS, y por lo tanto la profundidad de incrustación de las partículas. La ventaja de este método de fabricación es que el PDMS es inerte y duradero en muchas soluciones de química húmeda, y varios metales u óxidos o aleaciones como plata, oro, níquel, titania pueden modificar la superficie expuesta. [32] Granick et al. , en otro artículo, demostraron una posible solución utilizando un método híbrido de fase líquido-líquido/gas-sólido inmovilizando primeronanopartículas de sílice en cera de parafina utilizando el método de interfaz de fase sólida-líquida discutido anteriormente y luego filtrando el agua. Las nanopartículas inmovilizadas resultantes se expusieron luego al vapor de silanol producido al burbujear nitrógeno o gas argón a través del silanol líquido, lo que provocó la formación de una cara hidrófila. Luego, la cera se disolvió en cloroformo, liberando las nanopartículas Janus. [28]

Sardar et al. han descrito un ejemplo de una técnica líquido-sólido más tradicional, que comienza con la inmovilización de nanopartículas de oro sobre una superficie de vidrio silanizado. A continuación, la superficie de vidrio se expuso a 11-mercapto-1-undecanol, que se unió a los hemisferios expuestos de las nanopartículas de oro. A continuación, las nanopartículas se retiraron del portaobjetos utilizando etanol que contenía ácido 16-mercaptohexadecanoico, que funcionalizó los hemisferios previamente enmascarados de las nanopartículas. [33]

Autoensamblaje

Copolímeros en bloque

Representación esquemática de la síntesis de nanopartículas de Janus mediante el método de autoensamblaje de copolímeros en bloque

Este método utiliza los métodos bien estudiados de producción de copolímeros en bloque con geometrías y composiciones bien definidas en una gran variedad de sustratos. [3] [34] La síntesis de partículas Janus por autoensamblaje a través de copolímeros en bloque fue descrita por primera vez en 2001 por Erhardt et al. Produjeron un polímero tribloque a partir de polimetilacrilato , poliestireno y polibutadieno de bajo peso molecular . El poliestireno y el polimetilacrilato formaron capas alternas entre las cuales el polibutadieno se encontraba en esferas de tamaño nanométrico. Luego, los bloques se reticularon y se disolvieron en THF y, después de varios pasos de lavado, produjeron partículas esféricas Janus con poliestireno en una cara y polimetilacrilato en la otra, con un núcleo de polibutadieno. [35] La producción de esferas , cilindros , láminas y cintas Janus es posible utilizando este método ajustando los pesos moleculares de los bloques en el polímero inicial y también el grado de reticulación. [3] [36]

Adsorción competitiva

El aspecto clave de la absorción competitiva involucra dos sustratos que se separan en fases debido a una o más propiedades físicas o químicas opuestas. Cuando estos sustratos se mezclan con una nanopartícula, típicamente oro, mantienen su separación y forman dos caras. [3] [37] Vilain et al. demostraron un buen ejemplo de esta técnica , donde nanopartículas de oro recubiertas de fosfinina se expusieron a tioles de cadena larga, lo que resultó en la sustitución de los ligandos de fosfinina de manera separada en fases para producir nanopartículas Janus. La separación de fases se demostró al mostrar que los tioles formaban un dominio localmente puro en la nanopartícula usando FT-IR . [37] Jakobs et al. demostraron un problema importante con el método de adsorción competitiva cuando intentaron sintetizar nanopartículas Janus de oro anfifílicas usando la adsorción competitiva de tioles hidrófobos e hidrófilos . [38] La síntesis demostrada fue bastante simple y solo involucró dos pasos. Primero se produjeron nanopartículas de oro recubiertas con bromuro de tetra-n-octil amonio . Luego se eliminó el agente de recubrimiento y luego se agregó óxido de etileno funcionalizado con disulfuro hidrófilo en diversas proporciones y oligo(p-fenilenvinileno) funcionalizado con disulfuro hidrófobo. Luego intentaron demostrar que la separación de fases en la superficie de la partícula se produjo comparando los ángulos de contacto del agua en la superficie de una monocapa de partículas Janus con nanopartículas hechas solo con ligandos hidrófobos o hidrófobos. En cambio, los resultados de este experimento mostraron que, si bien hubo cierta separación de fases, no fue completa. [38] Este resultado destaca que la elección del ligando es extremadamente importante y cualquier cambio puede resultar en una separación de fases incompleta. [3] [38]

Separación de fases

Esquema del principio básico del método de separación de fases para producir nanopartículas Janus: se mezclan dos sustancias incompatibles (A y B) para formar una nanopartícula. A y B luego se separan en sus propios dominios mientras siguen siendo parte de una sola nanopartícula.

Este método implica la mezcla de dos o más sustancias incompatibles que luego se separan en sus propios dominios mientras siguen siendo parte de una única nanopartícula. Estos métodos pueden implicar la producción de nanopartículas Janus de dos sustancias inorgánicas , así como de dos sustancias orgánicas . [3]

Los métodos típicos de separación de fases orgánicas utilizan la co-inyección de polímeros para producir nanopartículas Janus. Esta técnica se ejemplifica con el trabajo de Yoshid et al. para producir nanopartículas Janus donde un hemisferio tiene afinidad por las células humanas , mientras que el otro hemisferio no tiene afinidad por las células humanas. Esto se logró mediante la co-inyección de copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico) que no tienen afinidad por las células humanas con copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico) biotinilados , que cuando se exponen a anticuerpos modificados con estreptavidina , obtienen una afinidad por las células humanas. [16]

Los métodos de separación de fases inorgánicas son diversos y varían mucho según la aplicación. [3] El método más común utiliza el crecimiento de un cristal de una sustancia inorgánica sobre o desde otra nanopartícula inorgánica. [3] [39] Gu et al. desarrollaron un método único , en el que las nanopartículas de hierro- platino se recubrieron con azufre que reaccionó con acetilacetonato de cadmio , óxido de trioctilfosfina y hexadecano-1,2- diol a 100 °C para producir nanopartículas con un núcleo de hierro-platino y una capa amorfa de cadmio-azufre. Luego, la mezcla se calentó a 280 °C, lo que resultó en una transición de fase y una erupción parcial del Fe-Pt del núcleo, creando una esfera pura de Fe-Pt unida a la nanopartícula recubierta de CdS. [39] Zhao y Gao desarrollaron recientemente un nuevo método para sintetizar nanopartículas inorgánicas Janus por separación de fases. En este método, exploraron el uso del método sintético de nanopartículas homogéneas común de síntesis de llama. Encontraron que cuando se quemaba una solución de metanol que contenía triacetilacetonato férrico y tetraetilortosilicato , los componentes de hierro y silicio formaban un sólido entremezclado, que experimenta una separación de fases cuando se calienta a aproximadamente 1100 °C para producir nanopartículas Janus de maghemita y sílice . Además, descubrieron que era posible modificar la sílice después de producir las nanopartículas Janus, volviéndola hidrófoba al reaccionar con oleilamina . [40]

Propiedades y aplicaciones

Materiales de Janus específicos para cada tarea

El término "materiales Janus para tareas específicas" se refiere a las funciones no emulsionantes de las partículas Janus. [41]

Comportamiento de autoensamblaje de las nanopartículas de Janus

Las dos o más caras distintas de las partículas Janus les confieren propiedades especiales en solución. En particular, se ha observado que se autoensamblan de una manera específica en soluciones acuosas u orgánicas. En el caso de micelas esféricas Janus que tienen hemisferios de poliestireno (PS) y poli(metacrilato de metilo) (PMMA), se ha observado la agregación en grupos en varios disolventes orgánicos, como el tetrahidrofurano . De manera similar, los discos Janus compuestos por lados de PS y poli(metacrilato de terc-butilo) (PtBMA) pueden experimentar un apilamiento espalda con espalda en superestructuras cuando están en una solución orgánica. [22] Estas partículas Janus particulares forman agregados en disolventes orgánicos considerando que ambos lados de estas partículas son solubles en el disolvente orgánico. Parece que la ligera selectividad del disolvente puede inducir el autoensamblaje de las partículas en grupos discretos de partículas Janus. Este tipo de agregación no ocurre ni en los copolímeros de bloques estándar ni en las partículas homogéneas y, por lo tanto, es una característica específica de las partículas Janus. [22]

En una solución acuosa, se pueden distinguir dos tipos de partículas bifásicas . El primer tipo son partículas que son verdaderamente anfifílicas y poseen un lado hidrófobo y otro hidrófilo. El segundo tipo tiene dos lados solubles en agua, pero químicamente distintos. Para ilustrar el primer caso, se han llevado a cabo estudios extensos con partículas esféricas Janus compuestas por un hemisferio de PMAA soluble en agua y otro lado de poliestireno insoluble en agua. En estos estudios, se encontró que las partículas Janus se agregaban en dos niveles jerárquicos . El primer tipo de agregados autoensamblados parece pequeños racimos, similares a lo que se encuentra en el caso de las partículas Janus en una solución orgánica. El segundo tipo es notablemente más grande que el primero y se ha denominado "supermicelas". Desafortunadamente, la estructura de las supermicelas es desconocida hasta ahora; sin embargo, pueden ser similares a vesículas multilamelares . [22]

En el segundo caso de partículas Janus que contienen dos lados distintos, pero aún solubles en agua, el trabajo del grupo de Granick proporciona cierta información. Su investigación trata sobre la agrupación de partículas Janus dipolares ( zwitteriónicas ), de tamaño micrométrico, cuyos dos lados son completamente solubles en agua. [42] Las partículas Janus zwitteriónicas no se comportan como dipolos clásicos , ya que su tamaño es mucho mayor que la distancia a la que se sienten fuertemente las atracciones electrostáticas. El estudio de las partículas Janus zwitteriónicas demuestra una vez más su capacidad para formar racimos definidos. Sin embargo, este tipo particular de partícula Janus prefiere agregarse en racimos más grandes, ya que esto es energéticamente más favorable porque cada racimos lleva un dipolo macroscópico que permite la agregación de racimos ya formados en conjuntos más grandes. En comparación con los agregados formados a través de interacciones de van der Waals para partículas homogéneas, las formas de los nanoracimos Janus zwitteriónicos son diferentes y los racimos Janus son menos densos y más asimétricos. [22]

Modificación de autoensamblaje mediante pH

El autoensamblaje de ciertos tipos de partículas Janus se puede controlar modificando el pH de su solución. Lattuada et al. prepararon nanopartículas con un lado recubierto con un polímero sensible al pH (ácido poliacrílico, PAA) y el otro con un polímero cargado positivamente (poli dimetilamino etil metacrilato, PDMAEMA), un polímero cargado negativamente, insensible al pH, o un polímero sensible a la temperatura (poli-N-isopropil acrilamida, PNIPAm). [3] Al cambiar el pH de su solución, notaron un cambio en la agrupación de sus nanopartículas Janus. A valores de pH muy altos, donde PDMAEMA no tiene carga mientras que PAA tiene una carga alta, las nanopartículas Janus eran muy estables en solución. Sin embargo, por debajo de un pH de 4, cuando PAA no tiene carga y PDMAEMA tiene carga positiva, formaban agrupaciones finitas. A valores de pH intermedios, encontraron que las nanopartículas de Janus eran inestables debido a la interacción dipolar entre los hemisferios cargados positiva y negativamente. [3]

Reversibilidad de la formación de cúmulos y control del tamaño de los cúmulos

También se ha demostrado el control del tamaño de los grupos en la agregación de nanopartículas Janus. Lattuada et al. lograron controlar el tamaño de los grupos de partículas Janus con una cara de PAA y la otra de PDMAEMA o PNIPAm mezclando pequeñas cantidades de estas nanopartículas Janus con partículas recubiertas de PAA. [3] Una característica única de estos grupos era que las partículas estables podían recuperarse de forma reversible cuando se restablecían las condiciones de pH alto. Además, las nanopartículas Janus funcionalizadas con PNIPAm demostraron que se podía lograr una agregación controlada y reversible aumentando la temperatura por encima de la temperatura de solubilidad crítica inferior de PNIPAm.

Propiedades anfifílicas

Una característica significativa de las nanopartículas Janus es la capacidad de tener partes tanto hidrófilas como hidrófobas. Muchos grupos de investigación han investigado las actividades superficiales de las nanopartículas con propiedades anfifílicas. En 2006, las nanopartículas Janus, hechas de óxidos de oro y hierro , se compararon con sus contrapartes homogéneas midiendo la capacidad de las partículas para reducir la tensión interfacial entre el agua y el n-hexano . [43] Los resultados experimentales indicaron que las nanopartículas Janus son considerablemente más activas en la superficie que las partículas homogéneas de tamaño y naturaleza química comparables. Además, aumentar el carácter anfifílico de las partículas puede aumentar la actividad interfacial. La capacidad de las nanopartículas Janus para reducir la tensión interfacial entre el agua y el n-hexano confirmó las predicciones teóricas anteriores sobre su capacidad para estabilizar las emulsiones de Pickering .

En 2007, se examinó la naturaleza anfifílica de las nanopartículas Janus midiendo la fuerza de adhesión entre la punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) y la superficie de la partícula. [44] Las interacciones más fuertes entre la punta hidrofílica del AFM y el lado hidrofílico de las nanopartículas Janus se reflejaron en una mayor fuerza de adhesión . Las nanopartículas Janus se depositaron sobre sustratos modificados hidrofóbicamente e hidrofílicamente. El hemisferio hidrofóbico de las partículas Janus quedó expuesto cuando se utilizó una superficie de sustrato hidrofílico, lo que dio lugar a disparidades en las mediciones de la fuerza de adhesión. Por tanto, las nanopartículas Janus adoptaron una conformación que maximizó las interacciones con la superficie del sustrato.

La naturaleza de las nanopartículas anfifílicas Janus para orientarse espontáneamente en la interfaz entre el aceite y el agua es bien conocida. [45] [46] [47] Este comportamiento permite considerar las nanopartículas anfifílicas Janus como análogos de surfactantes moleculares para la estabilización de emulsiones. En 2005, se prepararon partículas esféricas de sílice con propiedades anfifílicas mediante la modificación parcial de la superficie externa con un agente de alquilsilano. Estas partículas forman ensamblajes esféricos que encapsulan compuestos orgánicos inmiscibles en agua en medios acuosos al enfrentar su lado alquilsililado hidrófobo a la fase orgánica interna y su lado hidrófilo a la fase acuosa externa, estabilizando así las gotas de aceite en agua. [48] En 2009, la superficie hidrófila de las partículas de sílice se hizo parcialmente hidrófoba mediante la adsorción de bromuro de cetiltrimetilamonio . Estas nanopartículas anfifílicas se ensamblaron espontáneamente en la interfaz agua -diclorometano . [49] En 2010, se utilizaron partículas Janus compuestas de sílice y poliestireno, con la porción de poliestireno cargada con partículas de magnetita de tamaño nanométrico, para formar emulsiones de aceite en agua cinéticamente estables que se pueden romper espontáneamente con la aplicación de un campo magnético externo. [50] Dichos materiales Janus encontrarán aplicaciones en interruptores ópticos controlados magnéticamente y otras áreas relacionadas. Las primeras aplicaciones reales de las nanopartículas Janus fueron en la síntesis de polímeros . En 2008, se demostró que las nanopartículas Janus anfifílicas esféricas, que tienen un lado de poliestireno y un lado de poli(metacrilato de metilo) , eran efectivas como agentes compatibilizadores de la compatibilización a escala multigramo de dos mezclas de polímeros inmiscibles, poliestireno y poli(metacrilato de metilo). [17] Las nanopartículas Janus se orientaron en la interfaz de las dos fases de polímero, incluso en condiciones de alta temperatura y cizallamiento, lo que permitió la formación de dominios mucho más pequeños de poli(metacrilato de metilo) en una fase de poliestireno. El rendimiento de las nanopartículas Janus como agentes compatibilizantes fue significativamente superior al de otros compatibilizantes de última generación, como los copolímeros de bloque lineales .

Estabilizadores en emulsiones

Una aplicación similar de las nanopartículas Janus como estabilizadores se demostró en la polimerización en emulsión . En 2008, las nanopartículas anfifílicas esféricas Janus se aplicaron por primera vez a la polimerización en emulsión de estireno y acrilato de n-butilo. [51] La polimerización no requirió aditivos o técnicas de polimerización en miniemulsión, como otras polimerizaciones en emulsión de Pickering. Además, al aplicar nanopartículas Janus, la polimerización en emulsión produjo tamaños de partículas muy bien controlados con bajas polidispersidades.

Catalizador de interfase Janus

El catalizador de interfase Janus es una nueva generación de catalizadores heterogéneos, que es capaz de realizar reacciones orgánicas en la interfaz de dos fases a través de la formación de la emulsión de Pickering. [52]

Catalizador en la descomposición del peróxido de hidrógeno

En 2007, se utilizaron por primera vez nanopartículas esféricas de poliestireno Janus con un lado recubierto de platino para catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ). [53] [54] La partícula de platino cataliza la reacción química de la superficie: 2H 2 O 2 → O 2 + 2H 2 O. La descomposición del peróxido de hidrógeno creó nanomotores catalíticos Janus, cuyo movimiento se analizó experimental y teóricamente utilizando técnicas analíticas y simulaciones por computadora. Se encontró que el movimiento de las nanopartículas esféricas Janus concordaba con las predicciones de los hallazgos teóricos. En última instancia, los nanomotores catalíticos tienen aplicaciones prácticas en la entrega de cargas químicas en chips microfluídicos , la eliminación de la contaminación en medios acuáticos, la eliminación de productos químicos tóxicos dentro de los sistemas biológicos y la realización de procedimientos médicos.

En 2013, basándose en los resultados de la simulación por ordenador, se ha demostrado que las partículas Janus autopropulsadas pueden utilizarse para la demostración directa del fenómeno de no equilibrio, el efecto trinquete . El trinquete de las partículas Janus puede ser órdenes de magnitud más fuerte que el de los trinquetes de potencial térmico ordinarios y, por tanto, fácilmente accesible experimentalmente. En particular, el bombeo autónomo de una gran mezcla de partículas pasivas puede inducirse simplemente añadiendo una pequeña fracción de partículas Janus. [55]

Fibras repelentes al agua

En 2011, se demostró que las nanopartículas Janus son aplicables en textiles. Se pueden preparar fibras repelentes al agua recubriendo tela de tereftalato de polietileno con nanopartículas Janus esféricas anfifílicas. [15] Las partículas Janus se unen con el lado reactivo hidrófilo de la superficie del textil, mientras que el lado hidrófobo está expuesto al medio ambiente, proporcionando así el comportamiento repelente al agua. Se descubrió que un tamaño de partícula Janus de 200 nm se depositaba en la superficie de las fibras y era muy eficiente para el diseño de textiles repelentes al agua.

Aplicaciones en ciencias biológicas

El avance revolucionario en las ciencias biológicas ha llevado a un impulso hacia materiales hechos a medida con propiedades físicas/químicas diseñadas con precisión a nivel nanométrico. Las nanopartículas Janus inherentemente juegan un papel crucial en tales aplicaciones. En 2009, se informó sobre un nuevo tipo de material biohíbrido compuesto de nanopartículas Janus con afinidad espacialmente controlada hacia las células endoteliales humanas. [16] Estas nanopartículas se sintetizaron mediante modificación selectiva de la superficie con un hemisferio que exhibía una alta afinidad de unión para las células endoteliales humanas y el otro hemisferio era resistente a la unión celular. Las nanopartículas Janus se fabricaron mediante chorro electrohidrodinámico de dos soluciones líquidas de polímero. Cuando se incubaron con células endoteliales humanas, estas nanopartículas Janus exhibieron el comportamiento esperado, donde una cara se une a las células endoteliales humanas, mientras que la otra cara no se unía. Estas nanopartículas de Janus no solo se unieron a la parte superior de las células endoteliales humanas, sino que también se asociaron a todo el perímetro de las células formando un revestimiento de partículas único. La biocompatibilidad entre las nanopartículas de Janus y las células fue excelente. El concepto es diseñar sondas basadas en nanopartículas de Janus para obtener información direccional sobre las interacciones entre células y partículas.

Nanocorales

En 2010, se presentó un nuevo tipo de sonda celular sintetizada a partir de nanopartículas de Janus llamada nanocoral, que combina la focalización celular específica y la detección biomolecular. [56] El nanocoral está compuesto de hemisferios de poliestireno y oro. El hemisferio de poliestireno del nanocoral se funcionalizó selectivamente con anticuerpos para dirigirse a receptores de células específicas. Esto se demostró funcionalizando la región de poliestireno con anticuerpos que se unieron específicamente a células de cáncer de mama. La región de oro de la superficie del nanocoral se utilizó para detectar y obtener imágenes. Por lo tanto, los mecanismos de focalización y detección se desacoplaron y se pudieron diseñar por separado para un experimento en particular. Además, la región de poliestireno también se puede utilizar como portador de fármacos y otros productos químicos mediante adsorción o encapsulación hidrofóbica de la superficie, lo que convierte al nanocoral en un posible nanosensor multifuncional .

Terapia magnetolítica y por imágenes

También en 2010, las nanopartículas Janus sintetizadas a partir de nanopartículas magnéticas hidrófobas en un lado y poli(estireno-bloque-alcohol alílico) en el otro lado se utilizaron para imágenes y terapia magnetolítica. [18] El lado magnético de las nanopartículas Janus respondió bien a los estímulos magnéticos externos. Las nanopartículas se adhirieron rápidamente a las superficies celulares utilizando un campo magnético. La terapia magnetolítica se logró a través del daño de la membrana celular modulado por el campo magnético. Primero, las nanopartículas se acercaron en contacto con las células tumorales y luego se aplicó un campo magnético giratorio. Después de 15 minutos, la mayoría de las células tumorales murieron. Las nanopartículas magnéticas Janus podrían servir como base para posibles aplicaciones en medicina y electrónica. Las respuestas rápidas a los campos magnéticos externos podrían convertirse en un enfoque eficaz para la obtención de imágenes dirigidas, la terapia in vitro e in vivo y el tratamiento del cáncer. De manera similar, una respuesta rápida a los campos magnéticos también es deseable para fabricar pantallas inteligentes, lo que abre nuevas oportunidades en electrónica y espintrónica .

En 2011, se prepararon nanopartículas Janus recubiertas de sílice, compuestas de óxido de plata y óxido de hierro ( Fe2O3 ) , en un solo paso con tecnología de aerosol de llama escalable. [57] Estas nanopartículas plasmónicas-magnéticas híbridas tienen propiedades que son aplicables en bioimagenología, administración dirigida de fármacos, diagnóstico in vivo y terapia. El propósito de la capa nanodelgada de SiO2 era reducir la liberación de iones Ag + tóxicos de la superficie de la nanopartícula a las células vivas. Como resultado, estas nanopartículas híbridas no mostraron citotoxicidad durante la bioimagenología y permanecieron estables en suspensión sin signos de aglomeración o sedimentación, lo que permitió que estas nanopartículas fueran sondas multifuncionales biocompatibles para la bioimagenología. A continuación, al etiquetar sus superficies y unirlas selectivamente a la membrana de células Raji y HeLa etiquetadas vivas , se demostró que las nanopartículas eran biomarcadores y se logró su detección bajo iluminación de campo oscuro. Estas nuevas nanopartículas híbridas Janus superaron las limitaciones individuales de las nanopartículas de Fe 2 O 3 (baja estabilidad de partículas en suspensión) y de Ag (toxicidad), al tiempo que conservaron las propiedades magnéticas deseadas de Fe 2 O 3 y las propiedades ópticas plasmónicas de Ag .

Aplicaciones en electrónica

La aplicación potencial de las partículas de Janus fue demostrada por primera vez por Nisisako et al. , quienes hicieron uso de la anisotropía eléctrica de partículas de Janus llenas de pigmentos blancos y negros en ambos hemisferios. [58] Estas partículas se utilizaron para hacer pantallas conmutables colocando una capa delgada de estas esferas entre dos electrodos . Al cambiar el campo eléctrico aplicado , las partículas orientan sus lados negros hacia el ánodo y sus lados blancos hacia el cátodo . Por lo tanto, la orientación y el color de la pantalla se pueden cambiar simplemente invirtiendo el campo eléctrico. Con este método, puede ser posible hacer pantallas muy delgadas y respetuosas con el medio ambiente.

Las partículas de grafeno Janus se han utilizado en baterías experimentales de iones de sodio para aumentar la densidad energética . Un lado proporciona sitios de interacción mientras que el otro proporciona separación entre capas. La densidad energética alcanzó los 337 mAh/g. [59]

Véase también

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