Los micromotores son partículas muy pequeñas (medidas en micrones ) que pueden moverse por sí mismas. [1] El término se usa a menudo indistintamente con " nanomotor ", a pesar de la diferencia de tamaño implícita. Estos micromotores en realidad se impulsan a sí mismos en una dirección específica de forma autónoma cuando se colocan en una solución química. Hay muchos tipos diferentes de micromotores que funcionan bajo una serie de mecanismos. Fácilmente los ejemplos más importantes son los motores biológicos como las bacterias y cualquier otra célula autopropulsada. Sintéticamente, los investigadores han explotado las reacciones de oxidación-reducción para producir gradientes químicos, flujos de fluidos locales o corrientes de burbujas que luego impulsan estos micromotores a través de medios químicos. [2] Se pueden utilizar diferentes estímulos, tanto externos (luz, [3] magnetismo [4] ) como internos (concentración de combustible, composición del material, [5] asimetría de partículas [6] ) para controlar el comportamiento de estos micromotores.
Los micromotores pueden tener aplicaciones en medicina, ya que se ha demostrado que pueden suministrar materiales a las células vivas de un organismo. También se ha demostrado que son eficaces para degradar ciertos agentes de guerra química y biológica.
Los micromotores de partículas Janus constan de dos o más componentes con propiedades físicas distintas, como una partícula de dióxido de titanio cubierta con oro [7] o una perla de poliestireno recubierta en un lado con una capa de platino [8] [9], que muestran una diferencia en la actividad catalítica entre las mitades. Cuando estos motores se colocan en un combustible, como peróxido de hidrógeno, se produce una semirreacción redox en cada polo según la actividad catalítica. Como la reacción de oxidación produce electrones y protones, la reacción de reducción los consume como reactivos en el polo opuesto de la partícula; este movimiento de moléculas genera un flujo de fluido a través de la superficie del motor y esto impulsa la partícula hacia adelante. La diferencia catalítica entre cada polo del motor Janus puede ser característica del material [10], como los metales que catalizan a diferentes velocidades, o inducida por estímulos externos como la luz ultravioleta [7], que puede ser absorbida por materiales semiconductores como el dióxido de titanio para excitar electrones para la reacción redox.
La actividad catalítica no es la única forma de generar movimiento utilizando materiales Janus; se pueden crear gotitas Janus autopropulsadas utilizando una emulsión compleja de dos aceites surfactantes diferentes [11] que se mueven hacia adelante espontáneamente debido a la diferencia en la tensión superficial a medida que los dos aceites se solubilizan.
Recientemente se ha estudiado y observado más a fondo la incorporación de nanopartículas en los micromotores. En concreto, se han introducido nanopartículas de oro en la tradicional capa exterior de dióxido de titanio de la mayoría de los micromotores. [12] El tamaño de estas nanopartículas de oro se distribuye normalmente entre 3 nm y 30 nm. [13] Dado que estas nanopartículas de oro se colocan en capas sobre el núcleo interior (normalmente un agente reductor, como el magnesio), se observa una mayor corrosión macrogalvánica. [14] Técnicamente, aquí es donde el cátodo y el ánodo están en contacto entre sí, creando un circuito. El cátodo, como resultado del circuito, se corroe. El agotamiento de este núcleo interior conduce a la reducción del entorno químico como fuente de combustible. Por ejemplo, en un micromotor de TiO2 / Au/Mg en un entorno de agua de mar, el núcleo interior de magnesio experimentaría corrosión y reduciría el agua para iniciar una cadena de reacciones que da como resultado gas hidrógeno como fuente de combustible. La reacción de reducción es la siguiente: [12]
Los investigadores esperan que los micromotores se utilicen en medicina para administrar medicamentos y realizar otras intervenciones precisas a pequeña escala. [15] Un estudio ha demostrado que los micromotores podrían entregar partículas de oro a la capa del estómago de ratones vivos. [16]
Los micromotores son capaces de degradación fotocatalítica con la composición apropiada. [17] [18] Específicamente, los micromotores con una capa externa de dióxido de titanio/nanopartículas de oro y un núcleo interno de magnesio están siendo examinados y estudiados actualmente por su eficacia de degradación contra agentes de guerra química y biológica (CBWA). Estos nuevos micromotores TiO2 / Au/Mg no producen reactivos o subproductos tóxicos de los mecanismos de propulsión y degradación. Sin embargo, son muy efectivos contra CBWA y presentan una degradación completa y rápida de ciertos CBWA. Ha habido investigaciones recientes de micromotores TiO2 / Au/Mg y su uso y eficacia de degradación contra agentes de guerra biológica, como Bacillus anthracis, y agentes de guerra química, como agentes nerviosos organofosforados , una clase de inhibidores de la acetilcolinesterasa . Por lo tanto, la aplicación de estos micromotores es una posibilidad para aplicaciones médicas y ambientales.
Estos nuevos micromotores están compuestos por una capa exterior/superficial de fotocatalizador fotoactivo que a menudo también tiene nanopartículas metálicas activas (platino, oro, plata, etc.) en la superficie. [19] Bajo la irradiación UV, el agua adsorbida produce radicales hidroxilo fuertemente oxidantes. Además, el O2 molecular adsorbido reacciona con los electrones produciendo aniones superóxido. Esos aniones superóxido también producen la producción de radicales peróxido, radicales hidroxilo y aniones hidroxilo. La transformación en dióxido de carbono y agua, también conocida como mineralización, de los CWA se ha observado como resultado de los radicales y aniones . Además, las nanopartículas metálicas activas cambian efectivamente el nivel de Fermi del fotocatalizador, mejorando la distribución de la carga de electrones. Por lo tanto, la vida útil de los radicales y aniones se extiende, por lo que la implementación de las nanopartículas metálicas activas ha mejorado enormemente la eficiencia fotocatalítica.
Los marcos metal-orgánicos (MOF) son una clase de compuestos que se componen de un grupo de iones metálicos coordinados a un enlace orgánico. Estos compuestos pueden formar estructuras 1D, 2D y 3D. Poseen una morfología porosa que se puede ajustar en términos de forma y tamaño dependiendo del ion metálico y el enlace orgánico utilizado para formar el MOF. Estos poros les otorgan grandes propiedades catalíticas, por lo que la investigación de MOF enfocada en la degradación catalítica de contaminantes para la remediación ambiental ha estado ganando cada vez más atención. La principal limitación de los MOF es que tienden a depositarse en el fondo de la solución, lo que reduce su efectividad ya que no entran en contacto con el contaminante. Por lo tanto, en los últimos años, cada vez más investigaciones centradas en MOF para la degradación catalítica han implementado micromotores. Las partículas de MOF están recubiertas a la mitad con un metal, creando una partícula de motor Janus (mitad metal, mitad MOF). El aspecto motor de la partícula mejora su difusión, aumentando la probabilidad de que el MOF y el contaminante se encuentren entre sí en la solución, aumentando así su tasa de degradación. Estos micromotores basados en MOF han demostrado ser extremadamente eficientes en la descontaminación del agua y, una vez que el combustible utilizado para la propulsión (en la mayoría de los casos, peróxido de hidrógeno) se consume por completo, se depositan en el fondo de la solución, lo que facilita la eliminación de las partículas del motor Janus de la solución. [20] [21]
