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Cerámica nanofásica

Las cerámicas nanofásicas son cerámicas que son materiales nanofásicos (es decir, materiales que tienen tamaños de grano inferiores a 100 nanómetros). [1] [2] Tienen potencial de deformación superplástica . [1] Debido al pequeño tamaño de grano y a los límites de grano añadidos, las propiedades como la ductilidad, la dureza y la reactividad ven cambios drásticos en comparación con las cerámicas con granos más grandes.

Estructura

La estructura de la cerámica nanofásica no es muy diferente a la de la cerámica . La principal diferencia es la cantidad de área superficial por masa. Las partículas de cerámica tienen áreas superficiales pequeñas, pero cuando esas partículas se encogen a unos pocos nanómetros, el área superficial de la misma cantidad de masa de una cerámica aumenta enormemente. [3] Por lo tanto, en general, los materiales nanofásicos tienen áreas superficiales mayores que las de un material de masa similar a una escala mayor. [3] Esto es importante porque si el área superficial es muy grande, las partículas pueden estar en contacto con más de su entorno, lo que a su vez aumenta la reactividad del material. [3] La reactividad de un material cambia las propiedades mecánicas y químicas del material , entre muchas otras cosas. [3] Esto es especialmente cierto en la cerámica nanofásica.

Propiedades

Las cerámicas nanofásicas tienen propiedades únicas en comparación con las cerámicas normales debido a su reactividad mejorada. [3] Las cerámicas nanofásicas exhiben propiedades mecánicas diferentes a las de sus contrapartes, como mayor dureza , mayor tenacidad a la fractura y alta ductilidad . [4] Estas propiedades están lejos de las cerámicas que se comportan como materiales frágiles y poco dúctiles.

Dióxido de titanio

Sensibilidad a la velocidad de deformación para TiO
2
. [5]
Microdureza del TiO
2
. [5]

Dióxido de titanio ( TiO
2
), ha demostrado tener una mayor dureza y ductilidad a escala nanométrica. En un experimento, se comprimieron granos de dióxido de titanio que tenían un tamaño promedio de 12 nanómetros a 1,4 GPa y se sinterizaron a 200 °C. [5] El resultado fue una dureza de grano de aproximadamente 2,2 veces mayor que la de los granos de dióxido de titanio con un tamaño promedio de 1,3 micrómetros a la misma temperatura y presión. [5] En el mismo experimento, se midió la ductilidad del dióxido de titanio . La sensibilidad a la velocidad de deformación de un grano de dióxido de titanio de 250 nanómetros fue de aproximadamente 0,0175, mientras que un grano con un tamaño de aproximadamente 20 nanómetros tuvo una sensibilidad a la velocidad de deformación de aproximadamente 0,037; un aumento significativo. [5]

Tratamiento

Las cerámicas nanofásicas se pueden procesar a partir de precursores atómicos, moleculares o a granel. [6] La condensación de gases, la precipitación química , las reacciones de aerosoles, la formación de plantillas biológicas, la deposición química en fase de vapor y la deposición física en fase de vapor son técnicas utilizadas para sintetizar cerámicas nanofásicas a partir de precursores moleculares o atómicos. [6] Para procesar cerámicas nanofásicas a partir de precursores a granel, se utilizan la atrición mecánica, la cristalización a partir del estado amorfo y la separación de fases para crear cerámicas nanofásicas. [6] La síntesis de cerámicas nanofásicas a partir de precursores atómicos o moleculares es más deseada porque puede producirse un mayor control sobre los aspectos microscópicos de la cerámica nanofásica. [6]

Condensación de gas

Síntesis de cerámicas nanofásicas mediante condensación de gases. [5]

La condensación de gas es una de las formas de producir cerámicas nanofásicas. Primero, las cerámicas precursoras se evaporan de las fuentes dentro de una cámara de condensación de gas. [5] Luego, las cerámicas se condensan en un gas (dependiendo del material que se esté sintetizando) y se transportan por convección a un dedo frío lleno de nitrógeno líquido. [5] A continuación, los polvos cerámicos se raspan del dedo frío y se recogen en un embudo debajo de él. [5] Luego, los polvos cerámicos se consolidan en un dispositivo de compactación de baja presión y luego en un dispositivo de compactación de alta presión. [5] Todo esto ocurre al vacío, por lo que no pueden ingresar impurezas a la cámara y afectar los resultados de las cerámicas nanofásicas. [5]

Aplicaciones

Las cerámicas nanofásicas tienen propiedades únicas que las hacen óptimas para una variedad de aplicaciones.

Entrega de medicamentos

Los materiales utilizados en la administración de fármacos en los últimos diez años han sido principalmente polímeros . Sin embargo, la nanotecnología ha abierto la puerta al uso de cerámicas con beneficios nunca antes vistos en polímeros . La gran relación de área de superficie a volumen de los materiales nanofásicos permite liberar grandes cantidades de fármacos durante largos períodos de tiempo. Las nanopartículas que se llenan con fármacos se pueden manipular fácilmente en tamaño y composición para permitir una mayor endocitosis de los fármacos en las células objetivo y una mayor dispersión a través de fenestraciones en capilares. Si bien todos estos beneficios se relacionan con las nanopartículas en general (incluidos los polímeros ), las cerámicas tienen otras capacidades únicas. A diferencia de los polímeros , la degradación lenta de las cerámicas permite una liberación más prolongada del fármaco. Los polímeros también tienden a hincharse en líquido, lo que puede causar una explosión no deseada de fármacos. La falta de hinchazón que muestran la mayoría de las cerámicas permite un mayor control. Las cerámicas también se pueden crear para que coincidan con la química de las células biológicas en el cuerpo, lo que aumenta la bioactividad y la biocompatibilidad. Los portadores de fármacos cerámicos nanofásicos también pueden dirigirse a células específicas. Esto se puede hacer fabricando un material para unirlo a la celda específica o aplicando un campo magnético externo, atrayendo al portador a una ubicación específica.

Sustitución ósea

Las cerámicas nanofásicas tienen un gran potencial para su uso en la medicina ortopédica . El hueso y el colágeno tienen estructuras a escala nanométrica. Se pueden fabricar nanomateriales para simular estas estructuras, lo que es necesario para que los injertos e implantes se adapten y gestionen con éxito las distintas tensiones. Las propiedades de la superficie de las cerámicas nanofásicas también son muy importantes para la sustitución y regeneración ósea. Las cerámicas nanofásicas tienen superficies mucho más rugosas que los materiales más grandes y también tienen una mayor área de superficie. Esto promueve la reactividad y la absorción de proteínas que ayudan al desarrollo del tejido. La nanohidroxiapatita es una cerámica nanofásica que se utiliza como sustituto óseo. El tamaño de grano nanométrico aumenta la unión, el crecimiento y la diferenciación de los osteoblastos sobre la cerámica. Las superficies de las cerámicas nanofásicas también se pueden modificar para que sean porosas, lo que permite que los osteoblastos creen hueso dentro de la estructura. La degradación de la cerámica también es importante porque la velocidad se puede cambiar modificando la cristalinidad. De esta manera, a medida que el hueso crece, el sustituto puede disminuir a una velocidad similar.

Referencias

  1. ^ ab Averback, Robert S. (21 de mayo de 1992). "Nanophase Ceramics: Final Report" (PDF) . Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Archivado (PDF) del original el 29 de noviembre de 2014. Consultado el 22 de noviembre de 2014 .
  2. ^ Lei Yang; Brian W. Sheldon y Thomas J. Webster (2010). "Cerámicas nanofásicas para una mejor administración de fármacos: oportunidades y desafíos actuales" (PDF) . Boletín de la Sociedad Cerámica Estadounidense . pág. 24. Consultado el 22 de noviembre de 2014 .
  3. ^ abcde "¿Qué tiene de especial la nanoescala?". nano.gov. Consultado el 1 de diciembre de 2014.
  4. ^ Szlufarska, Izabela, Nakano, Aiichiro, Vashista, Priya. (5 de agosto de 2005). "A Crossover in the Mechanical Response of Nanocristalinum Ceramics" (Un cruce en la respuesta mecánica de las cerámicas nanocristalinas), sciencemag.com. Volumen 309, págs. 911-913. Consultado el 1 de diciembre de 2014.
  5. ^ abcdefghijk Siegel, RW (1991). "Materiales nanofásicos ensamblados en grupos". Revisión anual de la ciencia de los materiales . 21 : 559–578. Código Bibliográfico :1991AnRMS..21..559S. doi :10.1146/annurev.ms.21.080191.003015.
  6. ^ abcd Siegel, Richard W.. "SÍNTESIS, PROPIEDADES Y APLICACIONES DE MATERIALES NANOFÁSICOS". Abril de 1995. Consultado el 7 de diciembre de 2014.