Los nanodiamantes , o nanopartículas de diamante , son diamantes con un tamaño inferior a 100 nanómetros . [2] Pueden producirse por eventos de impacto como una explosión o impactos de meteoritos. Debido a su síntesis económica y a gran escala, su potencial para la funcionalización de superficies y su alta biocompatibilidad , los nanodiamantes se investigan ampliamente como material potencial en aplicaciones biológicas y electrónicas y en ingeniería cuántica . [3] [4]
En 1963, los científicos soviéticos del Instituto de Investigación de Física Técnica de toda la Unión notaron que los nanodiamantes se creaban mediante explosiones nucleares que utilizaban explosivos a base de carbono. [3] [5]
Hay tres aspectos principales a considerar en la estructura de las nanopartículas de diamante: la forma general, el núcleo y la superficie. Mediante múltiples experimentos de difracción, se ha determinado que la forma general de las nanopartículas de diamante es esférica o elíptica. En el núcleo de las nanopartículas de diamante se encuentra una jaula de diamante, compuesta principalmente de carbono. [6] Si bien el núcleo se parece mucho a la estructura de un diamante, la superficie de las nanopartículas de diamante en realidad se parece a la estructura del grafito. Un estudio reciente muestra que la superficie está formada principalmente por carbonos, con altas cantidades de fenoles, pironas y ácido sulfónico, además de grupos de ácido carboxílico, grupos hidroxilo y grupos epóxido, aunque en menores cantidades. [7] Ocasionalmente, se pueden encontrar defectos como centros de nitrógeno vacante en la estructura de las nanopartículas de diamante. La investigación de RMN 15N confirma la presencia de tales defectos. [8] Un estudio reciente muestra que la frecuencia de los centros de nitrógeno vacante disminuye con el tamaño de las nanopartículas de diamante. [9]
Además de las explosiones, los métodos de síntesis incluyen la síntesis hidrotermal, el bombardeo iónico, el bombardeo láser, las técnicas de deposición química de vapor con plasma de microondas, la síntesis por ultrasonidos [10] y la síntesis electroquímica. [11] Además, la descomposición del grafito C 3 N 4 bajo alta presión y alta temperatura produce grandes cantidades de nanopartículas de diamante de alta pureza. [12] Sin embargo, la síntesis por detonación de nanodiamantes se ha convertido en el estándar de la industria en la producción comercial de nanodiamantes: los explosivos más utilizados son mezclas de trinitrotolueno y hexógeno u octógeno. La detonación a menudo se realiza en una cámara de acero inoxidable sellada y libre de oxígeno y produce una mezcla de nanodiamantes con un promedio de 5 nm y otros compuestos grafíticos. [13] En la síntesis por detonación, los nanodiamantes se forman bajo presiones superiores a 15 GPa y temperaturas superiores a 3000 K en ausencia de oxígeno para evitar la oxidación de las nanopartículas de diamante. [13] El rápido enfriamiento del sistema aumenta el rendimiento de los nanodiamantes, ya que el diamante sigue siendo la fase más estable en tales condiciones. La síntesis por detonación utiliza refrigerantes a base de gas y líquidos, como argón y agua, espumas a base de agua y hielo. [13] Debido a que la síntesis por detonación da como resultado una mezcla de partículas de nanodiamantes y otras formas de carbono grafítico, se deben emplear métodos de limpieza exhaustivos para eliminar las impurezas de la mezcla. En general, se utiliza el tratamiento con ozono gaseoso o la oxidación con ácido nítrico en fase de solución para eliminar los carbonos sp2 y las impurezas metálicas. [13] Los nanodiamantes también se forman por disociación del vapor de etanol. [14] y mediante filamentación láser ultrarrápida en etanol. [15]
El defecto del centro NV consiste en un átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono junto a una vacante (espacio vacío en lugar de un átomo) dentro de la estructura reticular del diamante. [16] Los avances recientes (hasta 2019) en el campo de los nanodiamantes en aplicaciones de detección cuántica que utilizan NV se resumen en la siguiente revisión. [17]
La aplicación de un pulso de microondas a dicho defecto cambia la dirección del espín del electrón . La aplicación de una serie de tales pulsos (secuencias de desacoplamiento de Walsh) hace que actúen como filtros. Variar el número de pulsos en una serie cambió la dirección de giro un número diferente de veces. [16] Extraen eficientemente coeficientes espectrales al tiempo que suprimen la decoherencia, mejorando así la sensibilidad. [18] Se utilizaron técnicas de procesamiento de señales para reconstruir todo el campo magnético. [dieciséis]
El prototipo utilizó un diamante cuadrado de 3 mm de diámetro, pero la técnica puede reducirse a decenas de nanómetros. [dieciséis]
Los nanodiamantes comparten la dureza y la estabilidad química de los diamantes de escala visible, lo que los convierte en candidatos para aplicaciones como pulimentos y aditivos de aceite de motor para una mejor lubricación . [3]
Las nanopartículas de diamante tienen el potencial de usarse en innumerables aplicaciones biológicas y, debido a sus propiedades únicas, como la inercia y la dureza, los nanodiamantes pueden resultar una mejor alternativa a los nanomateriales tradicionales que se utilizan actualmente para transportar medicamentos, recubrir materiales implantables y sintetizar biosensores y robots biomédicos. [19] La baja citotoxicidad de las nanopartículas de diamante afirma su utilización como materiales biológicamente compatibles. [19]
Los estudios in vitro que exploran la dispersión de nanopartículas de diamante en las células han revelado que la mayoría de las nanopartículas de diamante exhiben fluorescencia y están distribuidas uniformemente. [20] Las partículas de nanodiamantes fluorescentes se pueden producir en masa irradiando nanocristalitos de diamante con iones de helio. [21] El nanodiamante fluorescente es fotoestable, químicamente inerte y tiene una vida útil fluorescente prolongada, lo que lo convierte en un gran candidato para muchas aplicaciones biológicas. [22] Los estudios han demostrado que las pequeñas nanopartículas de diamante fotoluminiscentes que permanecen libres en el citosol son excelentes contendientes para el transporte de biomoléculas. [23]
Los nanodiamantes que contienen defectos de vacantes de nitrógeno se han utilizado como etiqueta ultrasensible para el diagnóstico in vitro, utilizando un campo de microondas para modular la intensidad de la emisión y un análisis en el dominio de la frecuencia para separar la señal de la autofluorescencia de fondo. [24] Combinados con la amplificación de la polimerasa recombinasa , los nanodiamantes permiten la detección de una sola copia del ARN del VIH-1 en un formato de prueba de flujo lateral de bajo costo .
Las nanopartículas de diamante de aproximadamente 5 nm de tamaño ofrecen una gran superficie accesible y una química de superficie adaptable. Tienen propiedades ópticas, mecánicas y térmicas únicas y no son tóxicas. Se ha demostrado el potencial de los nanodiamantes en la administración de fármacos ; los mecanismos fundamentales, la termodinámica y la cinética de la adsorción de fármacos en nanodiamantes no se conocen bien. Los factores importantes incluyen pureza, química de la superficie , calidad de la dispersión, temperatura y composición iónica.
Los nanodiamantes (con moléculas adheridas) pueden atravesar la barrera hematoencefálica que aísla al cerebro de la mayoría de las agresiones. En 2013, se unieron moléculas de doxorrubicina (un fármaco popular contra el cáncer) a superficies de nanodiamantes, creando el fármaco ND-DOX. Las pruebas mostraron que los tumores no podían expulsar el compuesto, lo que aumentaba la capacidad del fármaco para impactar el tumor y reducir los efectos secundarios. [3]
Los nanodiamantes más grandes, debido a su "alta eficiencia de absorción", tienen el potencial de servir como etiquetas celulares. [23] Los estudios han concluido que las nanopartículas de diamante son similares a los nanotubos de carbono y, al ser tratadas con tensioactivos, la estabilidad y biocompatibilidad tanto de los nanotubos de carbono como de los nanodiamantes en solución aumentan considerablemente. [20] Además, la capacidad de funcionalizar la superficie de nanodiamantes de diámetros pequeños proporciona varias posibilidades para que las nanopartículas de diamante se utilicen como bioetiquetas con una citotoxicidad potencialmente baja. [20]
Disminuir el tamaño de las partículas y funcionalizar sus superficies [20] puede permitir que dichas nanopartículas de diamante con superficie modificada entreguen proteínas, que luego pueden proporcionar una alternativa a los catalizadores tradicionales. [25]
Los nanodiamantes son bien absorbidos por la piel humana. También absorben más ingredientes de los productos para el cuidado de la piel que la propia piel. Por lo tanto, hacen que una mayor cantidad de ingredientes penetren en las capas más profundas de la piel. Los nanodiamantes también forman fuertes enlaces con el agua, lo que ayuda a hidratar la piel. [3]
Durante las operaciones de reparación de mandíbulas y dientes, los médicos normalmente utilizan una cirugía invasiva para colocar una esponja que contiene proteínas estimulantes del crecimiento óseo cerca del área afectada. Sin embargo, los nanodiamantes se unen tanto a la proteína morfogenética ósea como al factor de crecimiento de fibroblastos , los cuales estimulan la reconstrucción del hueso y el cartílago y pueden administrarse por vía oral. [3] El nanodiamante también se ha incorporado con éxito a la gutapercha en la terapia de conducto. [26]
Los nanodiamantes defectuosos pueden medir la orientación de los espines de los electrones en campos externos y así medir su fuerza. Pueden absorber electrostáticamente proteínas de ferritina en la superficie del diamante, donde se pueden medir directamente sus números, así como el número de átomos de hierro (hasta 4500) que componen la proteína. [3]
Los defectos que ocurren naturalmente en los nanodiamantes llamados centros de nitrógeno vacante (NV) , se han utilizado para medir cambios a lo largo del tiempo en campos magnéticos débiles , de manera muy similar a como lo hace una brújula con el campo magnético de la Tierra. Los sensores se pueden utilizar a temperatura ambiente y, como están compuestos enteramente de carbono, se podrían inyectar en células vivas sin causarles ningún daño, afirma Paola Cappellaro . [16] Además, los nanodiamantes pueden explotarse como sensores para algunos analitos específicos. El diamante dopado con boro (BDD) producido mediante procesos de deposición química de vapor (CVD) asistida por energía (plasma o filamento caliente, HF) es un buen candidato en la detección de dopamina, sin embargo, no es selectivo hacia algunos interferencias. Este problema se puede superar mediante tratamientos posteriores a la síntesis para modificaciones de la superficie de BDD, incluida la anodización, el plasma de hidrógeno, el grabado en formas porosas, los nanomateriales a base de carbono, las películas de polímeros y las nanopartículas. Estudios recientes [27] proponen un nuevo enfoque para la realización de electrodos a base de diamante dopados con titanio con una selectividad nativa hacia la dopamina, mediante tratamientos previos del sustrato (lapeado, electropulido y grabado químico) en lugar de tratamientos posteriores al proceso. Además, se ha demostrado que el nanodiamante modifica algunas propiedades electrónicas de la matriz basada en polímeros. [28] Esas modificaciones, que pueden resumirse como un aumento de la conductividad iónica del sistema, y por tanto de una disminución de la impedancia, probablemente se deban a la presencia de grupos funcionales en la superficie de las partículas de nanodiamante. Esos grupos pueden interactuar con cadenas de polímeros, facilitando así los intercambios iónicos.
Estudios recientes han demostrado que los diamantes a nanoescala se pueden doblar hasta una tensión elástica de tracción máxima local superior al 9 %, [29] con la tensión de tracción máxima correspondiente alcanzada ~100 gigapascales, lo que los hace ideales para aplicaciones NEMS y sensores nanomecánicos de alto rendimiento.
Los nanodiamantes ofrecen una alternativa a los metamateriales fotónicos para la computación óptica . Los mismos nanodiamantes de un solo defecto que se pueden utilizar para detectar campos magnéticos también pueden utilizar combinaciones de luz verde e infrarroja para permitir/interrumpir la transmisión de luz, permitiendo la construcción de transistores y otros elementos lógicos. [3]
Los nanodiamantes con centros NV pueden servir como una alternativa de estado sólido a los iones atrapados para la computación cuántica a temperatura ambiente . [3]
Los nanodiamantes fluorescentes ofrecen una referencia estable para fines de control de calidad en sistemas de imágenes multiarmónicas y de fluorescencia. [30]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )