Las nanoespumas son una clase de materiales porosos nanoestructurados ( espumas ) que contienen una población significativa de poros con diámetros inferiores a 100 nm . Los aerogeles son un ejemplo de nanoespuma. [1]
Las nanoespumas metálicas son una subcategorización de nanoespumas; más concretamente, existen nanoespumas formadas por metales, a menudo puros, que forman redes interconectadas de ligamentos que conforman la estructura de la espuma. Se utiliza una variedad de metales, incluidos cobre , níquel , oro y platino . [2] Las nanoespumas metálicas pueden ofrecer ciertas ventajas sobre las nanoespumas poliméricas alternativas; estructuralmente, retienen la conductividad eléctrica de los metales, ofrecen una mayor ductilidad , así como la mayor área superficial y propiedades de nanoarquitectura que ofrecen las nanoespumas. [2]
La síntesis de nanoespumas metálicas se puede lograr mediante diversos métodos. En 2006, los investigadores produjeron nanoespumas metálicas encendiendo bolitas de complejos energéticos de bis(tetrazolato)amina metálica. Mediante esta técnica se han preparado nanoespumas de hierro , cobalto , níquel , cobre , plata y paladio . Estos materiales exhiben densidades tan bajas como 11 mg/cm 3 y áreas superficiales tan altas como 258 m 2 /g. Estas espumas son catalizadores eficaces [3] y soportes de electrocatalizadores. [4] Además, las nanoespumas metálicas se pueden fabricar mediante electrodeposición de metales dentro de plantillas con poros interconectados, como el óxido de aluminio anódico (AAO) poroso 3D. [5] [6] [7] Este método proporciona nanoespumas con una estructura organizada y permite controlar el área de superficie y la porosidad del material fabricado. [8] [9] [10]
Un estudio de 2016 analizó un método solvotérmico de microondas de baja temperatura/presión para fabricar nanoespumas de metal puro de cobre, plata y níquel. El proceso afirma ser no peligroso, novedoso y sencillo, con énfasis en su método de fabricación de bajo costo y desperdicio. [11]
Además, una publicación de 2020 analizó la síntesis exitosa de películas de nanoespuma a partir de plata, oro, cobre y paladio mediante el uso de un método de evaporación térmica al vacío modificado. [12]
Las nanoespumas metálicas han tenido una amplia variedad de aplicaciones, incluidos catalizadores, [13] almacenamiento de hidrógeno , [14] y pilas de combustible . [15] Además, las aplicaciones de nanoespuma metálica como electrocatalizador han sido fructíferas; Se ha demostrado que un catalizador de nanoespuma de níquel-hierro exhibe un rendimiento electrocatalítico excepcional, así como también capacidad de división del agua para aislar átomos de hidrógeno. [16] También se han debatido las aplicaciones a la industria de la energía limpia, específicamente para las baterías de iones de litio y otras pilas de combustible. [11]
Aunque la literatura que analiza la fabricación de un biopolímero de nanoespuma completamente poroso es escasa, esfuerzos recientes han dado como resultado la formación de superficies de nanoespuma en biopolímeros. [17] En estos casos, se han utilizado en diversos grados biopolímeros como el colágeno y la gelatina, [18] el quitosano, [19] y la curcumina pura [17] .
Un estudio de 2008 exploró el uso de la irradiación con láser de femtosegundo para crear disposiciones espaciales permanentes en materiales transparentes, particularmente en su uso para formar una capa de espuma singular sobre biopolímeros como el colágeno o la curcumina. [17] La formación de espuma en estas superficies da como resultado una variedad de modificaciones de la superficie que pueden mejorar la capacidad del material para la adhesión celular, la permeabilidad de los fluidos debido a la estructura celular y la formación de fibras nanoscópicas. [19]
Además, se propuso fabricar una nanoespuma de carbono co-dopada con hierro y nitrógeno mediante el proceso de pirólisis de quitooligosacáridos asistida por sales aciles. [20]
Los biopolímeros espumados tienen múltiples aplicaciones en la industria biomédica y farmacéutica debido a sus propiedades superficiales modificadas. Las películas de gelatina con curcumina caídas sobre la superficie, por ejemplo, mostraron una mayor tolerancia a la ablación después de su formación de espuma; Se sospecha que esta tolerancia surge de la unión de la curcumina a las proteínas para protegerla de los radicales libres, así como de sus propiedades antioxidantes. [17] Estos hallazgos presentan implicaciones para una mayor cirugía celular, así como para la fabricación de biopolímeros en su conjunto, debido a estas modificaciones de la irradiación del plasma. [17]
Las nanoespumas de plata son nanoespumas metálicas específicas compuestas principalmente de plata que se destacan por sus propiedades antibacterianas y eléctricas. Muchas de estas nanoespumas de plata son aleaciones de plata y otro metal como el aluminio. [21] Son únicos por su estructura porosa jerárquica y son un punto actual de investigación y desarrollo modernos. Tienen muchas aplicaciones en los campos de la ingeniería mecánica, química y biomédica, incluida la filtración, la gestión del aire y el uso en sistemas eléctricos.
El principio subyacente es fusionar poros de diferentes tamaños en un material con una gran superficie (gracias a poros más pequeños), lo que a su vez permite un transporte molecular eficiente (que requiere poros más grandes). El proceso utilizado para producir estos materiales es una combinación del método de replicación, utilizado normalmente para producir espumas de poros grandes, y el método de disolución selectiva, utilizado generalmente para fabricar espumas de poros pequeños. [21]
Las espumas agrícolas con estructuras porosas jerárquicas se preparan mediante el siguiente método de tres pasos: [21]
(i) Empaquetar grandes partículas esféricas de NaCl para crear una plantilla dura, con una red de rendimiento distinta de espacio negativo. Luego esta red se llena con Al-25Ag líquido.
(ii) Eliminar la plantilla de NaCl mediante disolución en agua para formar una espuma macroporosa de Al-25Ag.
(iii) Disolver la fase rica en Al mediante un ataque químico con soluciones acuosas de HCl o NaOH para formar la espuma de Ag final. Esto crea los poros a nanoescala de la espuma.
Se ha demostrado que los iones de plata tienen una potente actividad antibacteriana y afectan el crecimiento de bacterias Gram positivas y Gram negativas . Esto se debe a su capacidad para formar complejos de ligandos con proteínas o enzimas en las células bacterianas. [21] Debido a esta propiedad única, estas nanoespumas crean excelentes filtros de aire diseñados para filtrar bacterias y otros microorganismos; se demostró que este nivel de filtración es más efectivo que los análogos tradicionales de HCl. [21]
Estas nanoespumas de plata también se han utilizado como electrocatalizadores para la reacción de reducción de CO 2 a CO. Se descubrió que, en promedio, las nanoespumas de plata pueden mantener más del 90% de FECO en una amplia ventana de potencial (-0,5 a -1,2 VRHE), lo que permite el máximo Densidad de corriente selectiva de CO de 33 mA cm-2 y actividad de masa de 23,5 A gAg-1, que son los valores más altos entre los electrocatalizadores a base de espuma metálica reportados recientemente. [22]
La nanoespuma de carbono es un alótropo del carbono descubierto en 1997. [23] Su estructura consiste en un conjunto de átomos de carbono unidos en una red tridimensional suelta, similar a un aerogel. El material tiene una densidad de 2 a 10 mg/cm 3 (0,0012 lb/ft 3 ), que se encuentra entre los materiales más ligeros hasta la fecha. [23] [24] [25] [26] [27]
Existen múltiples métodos de formación de nanoespumas de carbono. La deposición por láser pulsado (PLD) ha sido la primera técnica utilizada para la síntesis de nanoespumas de carbono [23] y se considera uno de los enfoques más versátiles para la producción de nanoespumas de carbono con densidad y morfología controladas. [27] El proceso de crecimiento de nanoespuma mediante la deposición por láser pulsado se ha descrito en términos de un mecanismo " similar a una nevada ": [26]
(i) Las nanopartículas de carbono se generan tras la ablación con láser de un objetivo de grafito, ya sea directamente o debido a la presencia de una atmósfera de fondo.
(ii) Las nanopartículas se unen en agregados similares a fractales de tamaño micrométrico que crecen en vuelo dentro de la cámara de deposición.
(iii) los agregados tipo fractal caen sobre un sustrato adecuado, al igual que los copos de nieve caen sobre el suelo
(iv) se obtiene una nanoespuma similar a una red, rica en huecos, mediante la estratificación de agregados similares a fractales
A continuación se describen dos de las alternativas más comunes a la síntesis de PLD:
Las nanofibras de celulosa (CNF) se construyeron en nanoespumas mediante: [28]
(i) El cartón del contenedor de leche reciclado se trató previamente con un disolvente eutéctico profundo (DES) para fibrilarlo.
(ii) El tablero pretratado se sometió a un procedimiento simple de liofilización para formar una forma de nanoespuma.
(iii) Luego, las fibras se modifican para aumentar la hidrofobicidad y reforzar la estructura mediante agentes de sialilación .
Una nanoespuma de carbono porosa fue creada por: [29]
(i) Se disolvieron brea y CaCO3 ( en una proporción de 1:14) en cloruro de metileno . Se agregaron 10 ml de NaCl . La mezcla se agitó continuamente.
(ii) La muestra se secó naturalmente al aire a temperatura ambiente.
(iii) La muestra se carbonizó a 600 °C durante 2 horas. La velocidad de calentamiento fue de 2 °C por minuto.
(iv) La estructura carbonizada se lava en HCl 1 M para eliminar el exceso de nanopartículas de CaCO 3 .
Se ha demostrado que las nanoespumas de carbono tienen una gran aplicación como generadores de vapor solares . Poseen una excelente absorción de luz, buena estabilidad térmica, baja densidad y baja conductividad térmica, todos factores importantes para los generadores solares. En los experimentos realizados, las nanoespumas de carbono mostraron un rendimiento fototérmico solar superior con una tasa de evaporación de 1,68 kg m-2 h-1 lograda bajo 1 irradiación solar. [29]
Además, también se han utilizado nanoespumas de carbono para crear filtros de aerosol extremadamente eficientes . Utilizando nanofibras de celulosa recolectadas de jarras de leche recicladas, los investigadores pudieron desarrollar una nanoespuma de carbono que logró una eficacia de filtración muy alta (>99,5 %) en pruebas realizadas con una muestra de nanoespuma de 0,7 % en peso para partículas de menos de 360 nm. Este valor de eficiencia incluso cumple con los requisitos estándar de las mascarillas respiratorias N95. La estructura del filtro de nanoespuma le otorga una ventaja de rendimiento sobre los filtros normales cuando se trata de partículas con alto contenido de partículas [28].
En 2014, los investigadores también fabricaron nanoespuma de vidrio mediante ablación con láser de femtosegundo. Su trabajo consistió en escanear pulsos de láser de femtosegundo sobre la superficie del vidrio para producir nanoespuma de vidrio con alambres de ~70 nm de diámetro. [30]
