El nanocompuesto es un material sólido multifásico donde una de las fases tiene una, dos o tres dimensiones menores a 100 nanómetros (nm) o estructuras que tienen distancias de repetición a nanoescala entre las diferentes fases que componen el material.
En el sentido más amplio, esta definición puede incluir medios porosos , coloides , geles y copolímeros , pero generalmente se entiende como la combinación sólida de una matriz en masa y fases nanodimensionales que difieren en propiedades debido a diferencias en estructura y química. Las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas, electroquímicas y catalíticas del nanocompuesto diferirán notablemente de las de los materiales componentes. Se han propuesto límites de tamaño para estos efectos: [1]
Los nanocompuestos se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, en la estructura de la concha y el hueso del abulón. El uso de materiales ricos en nanopartículas es anterior a la comprensión de la naturaleza física y química de estos materiales. José-Yacamán et al. [2] investigaron el origen de la profundidad del color y la resistencia a los ácidos y la biocorrosión de la pintura azul Maya , atribuyéndolo a un mecanismo de nanopartículas . Desde mediados de la década de 1950, las organoarcillas a nanoescala se han utilizado para controlar el flujo de soluciones poliméricas (por ejemplo, como viscosificantes de pinturas) o la constitución de geles (por ejemplo, como sustancia espesante en cosméticos, manteniendo las preparaciones en forma homogénea). En la década de 1970, los compuestos de polímero/ arcilla eran el tema de los libros de texto, [3] [4] aunque el término "nanocompuestos" no era de uso común.
En términos mecánicos, los nanocompuestos se diferencian de los materiales compuestos convencionales debido a la relación superficie-volumen excepcionalmente alta de la fase de refuerzo y/o su relación de aspecto excepcionalmente alta . El material de refuerzo puede estar formado por partículas (por ejemplo, minerales), láminas (por ejemplo, pilas de arcilla exfoliada) o fibras (por ejemplo, nanotubos de carbono o fibras electrohiladas). [5] El área de la interfaz entre la matriz y las fases de refuerzo suele ser un orden de magnitud mayor que para los materiales compuestos convencionales. Las propiedades del material de la matriz se ven significativamente afectadas en la zona del refuerzo. Ajayan et al. [6] tenga en cuenta que con los nanocompuestos poliméricos, las propiedades relacionadas con la química local, el grado de curado termoestable, la movilidad de la cadena polimérica, la conformación de la cadena polimérica, el grado de ordenamiento de la cadena polimérica o la cristalinidad pueden variar significativa y continuamente desde la interfaz con el refuerzo hasta el volumen. de la matriz.
Esta gran cantidad de superficie de refuerzo significa que una cantidad relativamente pequeña de refuerzo a nanoescala puede tener un efecto observable en las propiedades a macroescala del compuesto. Por ejemplo, añadir nanotubos de carbono mejora la conductividad eléctrica y térmica . Otros tipos de nanopartículas pueden dar como resultado propiedades ópticas mejoradas , propiedades dieléctricas , resistencia al calor o propiedades mecánicas como rigidez , resistencia y resistencia al desgaste y al daño. En general, el nanorefuerzo se dispersa en la matriz durante el procesamiento. El porcentaje en peso (llamado fracción de masa ) de las nanopartículas introducidas puede permanecer muy bajo (del orden del 0,5% al 5%) debido al bajo umbral de percolación del relleno , especialmente para los rellenos no esféricos y de alta relación de aspecto más utilizados. (por ejemplo, plaquetas de un espesor nanométrico, como las arcillas, o cilindros de un diámetro nanométrico, como los nanotubos de carbono). La orientación y disposición de las nanopartículas asimétricas, la falta de coincidencia de propiedades térmicas en la interfaz, la densidad de la interfaz por unidad de volumen de nanocompuesto y la polidispersidad de las nanopartículas afectan significativamente la conductividad térmica efectiva de los nanocompuestos. [7]
Los compuestos de matriz cerámica (CMC) consisten en fibras cerámicas incrustadas en una matriz cerámica. La matriz y las fibras pueden consistir en cualquier material cerámico, incluido carbono y fibras de carbono. La cerámica que ocupa la mayor parte del volumen suele pertenecer al grupo de los óxidos, como nitruros, boruros y siliciuros, mientras que el segundo componente suele ser un metal . Idealmente, ambos componentes están finamente dispersos entre sí para obtener propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas particulares [8], así como propiedades tribológicas, de resistencia a la corrosión y otras propiedades protectoras. [9]
El diagrama de fases binario de la mezcla debe considerarse al diseñar nanocompuestos cerámico-metal y se deben tomar medidas para evitar una reacción química entre ambos componentes. El último punto es principalmente importante para el componente metálico que puede reaccionar fácilmente con la cerámica y perder así su carácter metálico. Esta no es una restricción que se cumpla fácilmente porque la preparación del componente cerámico generalmente requiere altas temperaturas de proceso. Por tanto, la medida más segura es elegir cuidadosamente fases metálicas y cerámicas inmiscibles. Un buen ejemplo de tal combinación está representado por el compuesto cerámico-metal de TiO 2 y Cu , cuyas mezclas resultaron inmiscibles en grandes áreas del triángulo de Gibbs de Cu-O-Ti. [10]
El concepto de nanocompuestos de matriz cerámica también se aplicó a películas delgadas que son capas sólidas de unos pocos nm a algunas decenas de μm de espesor depositadas sobre un sustrato subyacente y que desempeñan un papel importante en la funcionalización de superficies técnicas. La pulverización catódica con flujo de gas mediante la técnica del cátodo hueco resultó ser una técnica bastante eficaz para la preparación de capas de nanocompuestos. El proceso funciona como una técnica de deposición basada en vacío y está asociado con altas tasas de deposición de hasta algunos μm/s y el crecimiento de nanopartículas en fase gaseosa. Se prepararon capas de nanocompuestos en el rango de composición cerámica a partir de TiO 2 y Cu mediante la técnica del cátodo hueco [11] que mostraron una alta dureza mecánica , pequeños coeficientes de fricción y una alta resistencia a la corrosión .
Los nanocompuestos de matriz metálica también pueden definirse como compuestos de matriz metálica reforzados. Este tipo de compuestos se pueden clasificar en materiales reforzados continuos y no continuos. Uno de los nanocompuestos más importantes son los compuestos de matriz metálica de nanotubos de carbono , que es un nuevo material emergente que se está desarrollando para aprovechar la alta resistencia a la tracción y la conductividad eléctrica de los materiales de nanotubos de carbono. [12] Para lograr que CNT-MMC posea propiedades óptimas en estas áreas es fundamental el desarrollo de técnicas sintéticas que sean (a) económicamente producibles, (b) proporcionen una dispersión homogénea de nanotubos en la matriz metálica, y (c) conducen a una fuerte adhesión interfacial entre la matriz metálica y los nanotubos de carbono. Además de los compuestos de matriz metálica de nanotubos de carbono, los compuestos de matriz metálica reforzados con nitruro de boro y los compuestos de matriz metálica de nitruro de carbono son las nuevas áreas de investigación sobre nanocompuestos de matriz metálica. [13]
Un estudio reciente, que compara las propiedades mecánicas (módulo de Young, límite elástico de compresión, módulo de flexión y límite elástico de flexión) de nanocompuestos poliméricos reforzados de pared simple y múltiple (fumarato de polipropileno, PPF) con nanocompuestos de PPF reforzados con nanotubos de disulfuro de tungsteno sugiere que el disulfuro de tungsteno Los nanocompuestos de PPF reforzados con nanotubos poseen propiedades mecánicas significativamente más altas y los nanotubos de disulfuro de tungsteno son mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. [14] Los aumentos en las propiedades mecánicas se pueden atribuir a una dispersión uniforme de nanotubos inorgánicos en la matriz polimérica (en comparación con los nanotubos de carbono que existen como agregados de tamaño micrométrico) y a una mayor densidad de reticulación del polímero en presencia de nanotubos de disulfuro de tungsteno (aumento la densidad de reticulación conduce a un aumento de las propiedades mecánicas). Estos resultados sugieren que los nanomateriales inorgánicos , en general, pueden ser mejores agentes de refuerzo en comparación con los nanotubos de carbono.
Otro tipo de nanocompuesto es el nanocompuesto energético, generalmente como un híbrido sol-gel con base de sílice, que, cuando se combina con óxidos metálicos y polvo de aluminio a nanoescala, puede formar materiales de supertermita . [15] [16] [17] [18]
En el caso más simple, agregar adecuadamente nanopartículas a una matriz polimérica puede mejorar su desempeño, a menudo dramáticamente, simplemente aprovechando la naturaleza y las propiedades del relleno a nanoescala [19] (estos materiales se describen mejor con el término compuestos poliméricos nanorellenos [19] ). Esta estrategia es particularmente efectiva para producir compuestos de alto rendimiento, cuando se logra una dispersión uniforme del relleno y las propiedades del relleno a nanoescala son sustancialmente diferentes o mejores que las de la matriz. La uniformidad de la dispersión en todos los nanocompuestos se contrarresta mediante una separación de fases impulsada termodinámicamente. La agrupación de rellenos a nanoescala produce agregados que actúan como defectos estructurales y provocan fallas. Ensamblaje capa por capa (LbL) cuando se agregan capas de nanopartículas y polímeros a escala nanométrica una por una. Los compuestos LbL muestran parámetros de rendimiento entre 10 y 1000 veces mejores que los nanocompuestos tradicionales fabricados por extrusión o mezcla por lotes.
Nanopartículas como el grafeno, [20] nanotubos de carbono, [21] disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno se están utilizando como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente fuertes para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. La adición de estas nanopartículas en la matriz polimérica en bajas concentraciones (~0,2% en peso) provoca mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [22] [23] [24] Potencialmente, estos nanocompuestos pueden usarse como un compuesto novedoso, mecánicamente fuerte y liviano como implantes óseos. Los resultados sugieren que el refuerzo mecánico depende de la morfología de la nanoestructura, los defectos, la dispersión de los nanomateriales en la matriz polimérica y la densidad de reticulación del polímero. En general, las nanoestructuras bidimensionales pueden reforzar el polímero mejor que las nanoestructuras unidimensionales, y los nanomateriales inorgánicos son mejores agentes reforzantes que los nanomateriales a base de carbono. Además de las propiedades mecánicas, los nanocompuestos poliméricos basados en nanotubos de carbono o grafeno se han utilizado para mejorar una amplia gama de propiedades, dando lugar a materiales funcionales para una amplia gama de aplicaciones de alto valor añadido en campos como la conversión y almacenamiento de energía, la detección y ingeniería biomédica de tejidos. [25] Por ejemplo, se han utilizado nanocompuestos poliméricos basados en nanotubos de carbono de paredes múltiples para mejorar la conductividad eléctrica. [26]
Una ruta alternativa para la síntesis de nanocompuestos es la síntesis de infiltración secuencial , en la que los nanomateriales inorgánicos se cultivan dentro de sustratos poliméricos utilizando precursores en fase de vapor que se difunden en la matriz.
La dispersión a nanoescala de relleno o nanoestructuras controladas en el compuesto puede introducir nuevas propiedades físicas y comportamientos novedosos que están ausentes en las matrices sin relleno. Esto cambia efectivamente la naturaleza de la matriz original [19] (tales materiales compuestos pueden describirse mejor con el término nanocompuestos genuinos o híbridos [19] ). Algunos ejemplos de estas nuevas propiedades son la resistencia al fuego o retardante de llama [27] y la biodegradabilidad acelerada .
Se utiliza una variedad de nanocompuestos poliméricos para aplicaciones biomédicas como ingeniería de tejidos, administración de fármacos y terapias celulares. [28] [29] Debido a las interacciones únicas entre el polímero y las nanopartículas, se puede diseñar una variedad de combinaciones de propiedades para imitar la estructura y las propiedades del tejido nativo. Se utiliza una variedad de polímeros naturales y sintéticos para diseñar nanocompuestos poliméricos para aplicaciones biomédicas, incluidos almidón, celulosa, alginato, quitosano, colágeno, gelatina y fibrina, poli(alcohol vinílico) (PVA), poli(etilenglicol) (PEG), poli(caprolactona) (PCL), poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) y poli(sebacato de glicerol) (PGS). Una variedad de nanopartículas que incluyen nanomateriales cerámicos, poliméricos, de óxido metálico y a base de carbono se incorporan dentro de la red polimérica para obtener las combinaciones de propiedades deseadas. [30]
Los nanocompuestos que pueden responder a un estímulo externo son de mayor interés debido al hecho de que, debido a la gran cantidad de interacción entre las interfaces de fase, la respuesta al estímulo puede tener un efecto mayor en el compuesto en su conjunto. El estímulo externo puede adoptar muchas formas, como un campo magnético, eléctrico o mecánico. Específicamente, los nanocompuestos magnéticos son útiles para su uso en estas aplicaciones debido a la naturaleza de la capacidad del material magnético para responder a estímulos eléctricos y magnéticos. La profundidad de penetración de un campo magnético también es alta, lo que genera un área mayor que afecta al nanocompuesto y, por lo tanto, una mayor respuesta. Para responder a un campo magnético, una matriz se puede cargar fácilmente con nanopartículas o nanobarras. Las diferentes morfologías de los materiales nanocompuestos magnéticos son enormes, incluidas nanopartículas dispersas en matriz, nanopartículas núcleo-cubierta, cristales coloidales, esferas a macroescala o nanoestructuras tipo Janus. . [31] [32]
Los nanocompuestos magnéticos se pueden utilizar en una gran cantidad de aplicaciones, incluidas las catalíticas, médicas y técnicas. Por ejemplo, el paladio es un metal de transición común utilizado en reacciones de catálisis. Los complejos de paladio soportados por nanopartículas magnéticas se pueden utilizar en catálisis para aumentar la eficiencia del paladio en la reacción. [33]
Los nanocompuestos magnéticos también se pueden utilizar en el campo médico, donde las nanobarras magnéticas incrustadas en una matriz polimérica pueden ayudar a una administración y liberación de fármacos más precisa. Finalmente, los nanocompuestos magnéticos se pueden utilizar en aplicaciones de alta frecuencia y alta temperatura. Por ejemplo, se pueden fabricar estructuras multicapa para su uso en aplicaciones electrónicas. Una muestra multicapa de Fe/óxido de Fe electrodepositada puede ser un ejemplo de esta aplicación de nanocompuestos magnéticos. [34]
En aplicaciones como microinductores de potencia donde se desea una alta permeabilidad magnética a altas frecuencias de funcionamiento. [35] Los materiales de núcleo magnético microfabricados tradicionales experimentan una disminución de la permeabilidad y altas pérdidas a alta frecuencia de funcionamiento. [36] En este caso, los nanocompuestos magnéticos tienen un gran potencial para mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos de potencia al proporcionar una permeabilidad relativamente alta y bajas pérdidas. Por ejemplo, las nanopartículas de óxido de hierro incrustadas en una matriz de Ni nos permiten mitigar esas pérdidas a alta frecuencia. [37] Las nanopartículas de óxido de hierro de alta resistencia ayudan a reducir las pérdidas por corrientes parásitas, mientras que el metal Ni ayuda a lograr una alta permeabilidad. Las propiedades magnéticas de CC, como la magnetización de saturación, se encuentran entre cada una de sus partes constituyentes, lo que indica que las propiedades físicas de los materiales pueden alterarse mediante la creación de estos nanocompuestos.
En los últimos años se han diseñado nanocompuestos para resistir altas temperaturas mediante la adición de puntos de carbono (CD) en la matriz polimérica. Estos nanocompuestos se pueden utilizar en entornos en los que la resistencia a altas temperaturas es un criterio principal. [38]
