Los nanodiamantes , o nanopartículas de diamante , son diamantes con un tamaño inferior a los 100 nanómetros . [2] Pueden producirse mediante eventos de impacto como una explosión o impactos de meteoritos. Debido a su síntesis económica y a gran escala, su potencial de funcionalización de superficies y su alta biocompatibilidad , los nanodiamantes se investigan ampliamente como un 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 observaron que los nanodiamantes se creaban mediante explosiones nucleares que utilizaban explosivos detonantes a base de carbono. [3] [5]
Hay tres aspectos principales a tener en cuenta en la estructura de las nanopartículas de diamante : la forma general, el núcleo y la superficie. A través de 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, que está compuesta principalmente de carbonos. [6] Mientras que el núcleo se asemeja mucho a la estructura de un diamante, la superficie de las nanopartículas de diamante en realidad se asemeja a la estructura del grafito. Un estudio reciente muestra que la superficie se compone principalmente de carbonos, con altas cantidades de fenoles, pironas y ácido sulfónico, así como grupos de ácido carboxílico, grupos hidroxilo y grupos epóxido, aunque en cantidades menores. [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]
La síntesis por detonación de nanodiamantes no fluorescentes o débilmente fluorescentes se ha convertido en el estándar de la industria en la producción comercial de nanodiamantes: los explosivos más comúnmente utilizados son mezclas de trinitrotolueno y hexógeno u octógeno . La detonación se realiza a menudo 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. [10] 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. [10] El enfriamiento rápido del sistema aumenta los rendimientos de 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 líquido como argón y agua, espumas a base de agua y hielo. [10] 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. [10]
Además de las explosiones, los métodos de producción incluyen síntesis hidrotermal, bombardeo de iones, calentamiento por láser, técnicas de deposición química en fase de vapor por plasma de microondas, síntesis por ultrasonidos [11] y síntesis electroquímica [12] . Además, la síntesis de alto rendimiento de nanodiamantes fluorescentes se puede lograr moliendo diamante cristalino cúbico irradiado con electrones obtenido a partir de precursores de carbono que contienen nitrógeno o que no lo contienen [13]. Otro método es la descomposición de C3N4 grafítico a alta presión y alta temperatura que produce grandes cantidades de nanopartículas de diamante de alta pureza [14] . Los nanodiamantes también se forman por disociación de vapor de etanol [15] y mediante filamentación láser ultrarrápida en etanol [16] .
El defecto central 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. [17] Los avances recientes (hasta 2019) en el campo de los nanodiamantes en aplicaciones de detección cuántica utilizando NV se han resumido en la siguiente revisión. [18]
La aplicación de un pulso de microondas a un defecto de este tipo cambia la dirección del espín del electrón . La aplicación de una serie de pulsos de este tipo (secuencias de desacoplamiento de Walsh) hace que actúen como filtros. La variación del número de pulsos en una serie cambia la dirección del espín un número diferente de veces. [17] Extraen de manera eficiente los coeficientes espectrales mientras suprimen la decoherencia, mejorando así la sensibilidad. [19] Se utilizaron técnicas de procesamiento de señales para reconstruir todo el campo magnético. [17]
El prototipo utilizó un diamante cuadrado de 3 mm de diámetro, pero la técnica puede reducirse a decenas de nanómetros. [17]
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 mejorar la lubricación . [3]
Las nanopartículas de diamante tienen el potencial de ser utilizadas en una gran variedad de 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. [20] La baja citotoxicidad de las nanopartículas de diamante confirma su utilización como materiales biológicamente compatibles. [20]
Estudios in vitro que exploran la dispersión de nanopartículas de diamante en células han revelado que la mayoría de las nanopartículas de diamante exhiben fluorescencia y están distribuidas uniformemente. [21] Las partículas de nanodiamante fluorescentes se pueden producir en masa mediante la irradiación de nanocristalitos de diamante con iones de helio. [22] 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. [23] 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. [24]
Los nanodiamantes que contienen defectos de vacancia de nitrógeno se han utilizado como una etiqueta ultrasensible para diagnósticos in vitro, utilizando un campo de microondas para modular la intensidad de emisión y el análisis del dominio de frecuencia para separar la señal de la autofluorescencia de fondo. [25] 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 un tamaño de ~5 nm ofrecen una gran superficie accesible y una química superficial adaptable. Tienen propiedades ópticas, mecánicas y térmicas únicas y no son tóxicas. Se ha demostrado el potencial del nanodiamante en la administración de fármacos , pero los mecanismos fundamentales, la termodinámica y la cinética de la adsorción de fármacos en el nanodiamante son poco conocidos. Los factores importantes incluyen la pureza, la química de la superficie , la calidad de la dispersión, la temperatura y la 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 adhirieron moléculas de doxorrubicina (un fármaco popular contra el cáncer) a superficies de nanodiamantes, creando el fármaco ND-DOX. Las pruebas demostraron que los tumores no podían expulsar el compuesto, lo que aumentó la capacidad del fármaco para impactar en el tumor y redujo los efectos secundarios. [3]
Los nanodiamantes de mayor tamaño, debido a su "alta eficiencia de absorción", tienen el potencial de servir como marcadores celulares. [24] Los estudios han concluido que las nanopartículas de diamante son similares a los nanotubos de carbono y, al ser tratadas con surfactantes, la estabilidad y biocompatibilidad tanto de los nanotubos de carbono como de los nanodiamantes en solución aumentan considerablemente. [21] Además, la capacidad de funcionalizar la superficie de los nanodiamantes de diámetros pequeños ofrece varias posibilidades para que las nanopartículas de diamante se utilicen como biomarcadores con una citotoxicidad potencialmente baja. [21]
La disminución del tamaño de las partículas y la funcionalización de sus superficies [21] pueden permitir que dichas nanopartículas de diamante modificadas en la superficie suministren proteínas, que luego pueden proporcionar una alternativa a los catalizadores tradicionales. [26]
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 que hacen que más 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 mandíbula y dientes, los médicos normalmente utilizan una cirugía invasiva para pegar una esponja que contiene proteínas que estimulan el 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 , que estimulan la reconstrucción del hueso y el cartílago y pueden administrarse por vía oral. [3] Los nanodiamantes también se han incorporado con éxito a la gutapercha en la terapia del conducto radicular. [27]
Los nanodiamantes defectuosos pueden medir la orientación de los espines de los electrones en campos externos y, por lo tanto, medir su fuerza. Pueden absorber electrostáticamente las proteínas de ferritina en la superficie del diamante, donde se puede medir directamente su cantidad, así como la cantidad de átomos de hierro (hasta 4500) que componen la proteína. [3]
Los defectos naturales que se producen en los nanodiamantes, llamados centros de nitrógeno-vacante (NV) , se han utilizado para medir los cambios a lo largo del tiempo en campos magnéticos débiles , de forma muy similar a como lo hace una brújula con el campo magnético de la Tierra. Los sensores se pueden utilizar a temperatura ambiente y, dado que consisten completamente en carbono, se podrían inyectar en células vivas sin causarles ningún daño, dice Paola Cappellaro . [17] Además, el nanodiamante se puede explotar como sensor para algunos analitos específicos. El diamante dopado con boro (BDD) producido por procesos de deposición química en fase de vapor (CVD) asistidos por energía (plasma o filamento caliente, HF) es un buen candidato para la detección de dopamina, sin embargo, no es selectivo hacia algunos interferentes. Este problema se puede superar mediante tratamientos posteriores a la síntesis para modificaciones de la superficie del BDD, incluyendo anodización, plasma de hidrógeno, grabado en formas porosas, nanomateriales a base de carbono, películas de polímeros y nanopartículas. Estudios recientes [28] proponen un nuevo enfoque para la realización de electrodos basados en diamante dopado con titanio con una selectividad nativa hacia la dopamina, a través de pretratamientos del sustrato (pulido electrolítico 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 [29] . Esas modificaciones, que se pueden resumir como un aumento de la conductividad iónica del sistema y, por lo tanto, una disminución de la impedancia, probablemente se deban a la presencia de grupos funcionales en la superficie de la partícula de nanodiamante. Esos grupos pueden interactuar con las 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%, [30] con una tensión de tracción máxima correspondiente de ~100 gigapascales, lo que los hace ideales para sensores nanomecánicos de alto rendimiento y aplicaciones NEMS.
Los nanodiamantes ofrecen una alternativa a los metamateriales fotónicos para la computación óptica . Los mismos nanodiamantes con un solo defecto que se pueden utilizar para detectar campos magnéticos también pueden utilizar combinaciones de luz verde e infrarroja para habilitar o interrumpir la transmisión de luz, lo que permite 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 de fluorescencia y multiarmónicos. [31]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de septiembre de 2024 ( enlace )