La nanoquímica es una subdisciplina emergente de las ciencias químicas y de materiales que se ocupa del desarrollo de nuevos métodos para crear materiales a nanoescala. [1] El término "nanoquímica" fue utilizado por primera vez por Ozin en 1992 como "los usos de la síntesis química para producir nanomateriales de manera reproducible desde el átomo "hacia arriba", contrario al enfoque de nanoingeniería y nanofísica que opera desde el grueso "hacia abajo"". [2] La nanoquímica se centra en la química del estado sólido que enfatiza la síntesis de bloques de construcción que dependen del tamaño, la superficie, la forma y las propiedades de los defectos, en lugar de la producción real de materia. Las propiedades atómicas y moleculares tienen que ver principalmente con los grados de libertad de los átomos en la tabla periódica. Sin embargo, la nanoquímica introdujo otros grados de libertad que controlan el comportamiento de los materiales mediante su transformación en soluciones. [3] Los objetos a nanoescala exhiben propiedades materiales novedosas, en gran parte como consecuencia de su pequeño tamaño finito. Varias modificaciones químicas en estructuras a escala nanométrica confirman efectos dependientes del tamaño. [2]
La nanoquímica se utiliza en ciencias químicas, de materiales y físicas, así como en aplicaciones de ingeniería, biológicas y médicas. Sílice , oro , polidimetilsiloxano , seleniuro de cadmio , óxido de hierro y carbono son materiales que muestran su poder transformador. La nanoquímica puede crear el agente de contraste más eficaz para la resonancia magnética a partir del óxido de hierro (óxido), que puede detectar cánceres y matarlos en sus etapas iniciales. [4] La sílice (vidrio) se puede utilizar para doblar o detener las luces. [5] Los países en desarrollo también utilizan silicona para fabricar circuitos para los fluidos utilizados en la detección de patógenos . [6] La síntesis de nanoconstrucciones conduce al autoensamblaje de los bloques de construcción en estructuras funcionales que pueden ser útiles para problemas electrónicos, fotónicos , médicos o bioanalíticos . Se pueden utilizar métodos nanoquímicos para crear nanomateriales de carbono, como nanotubos de carbono , grafeno y fullerenos , que han llamado la atención en los últimos años debido a sus notables propiedades mecánicas y eléctricas. [7]
Uno de los primeros informes científicos son las partículas de oro coloidal sintetizadas por Michael Faraday ya en 1857. A principios de la década de 1940, las nanopartículas de sílice precipitada y ahumada se fabricaban y vendían en EE. UU. y Alemania como sustitutos del negro de humo ultrafino para refuerzos de caucho. [8]
En las últimas dos décadas, las nanopartículas de óxido de hierro para uso biomédico han aumentado dramáticamente, en gran parte debido a su capacidad de obtener imágenes no invasivas, apuntar y desencadenar la liberación de fármacos o terapia contra el cáncer. Las células madre o inmunes podrían marcarse con nanopartículas de óxido de hierro para ser detectadas mediante imágenes por resonancia magnética (MDR). Sin embargo, la concentración de nanopartículas de óxido de hierro debe ser lo suficientemente alta como para permitir una detección significativa mediante MDR. [4] Debido a la comprensión limitada de la naturaleza fisicoquímica de las nanopartículas de óxido de iro en sistemas biológicos, se necesita más investigación para garantizar que las nanopartículas puedan controlarse bajo ciertas condiciones para uso médico sin representar daño a los humanos. [9]
Los métodos emergentes de administración de fármacos que implican métodos nanotecnológicos pueden resultar útiles al mejorar la respuesta corporal, la focalización específica y el metabolismo no tóxico. Muchos métodos y materiales nanotecnológicos pueden funcionalizarse para la administración de fármacos. Los materiales ideales emplean un nanomaterial de activación controlada para transportar una carga de fármaco al cuerpo. Las nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN) han aumentado su popularidad en la investigación debido a su gran superficie y flexibilidad para diversas modificaciones individuales, al tiempo que mantienen un rendimiento de alta resolución en técnicas de imágenes. [10] Los métodos de activación varían mucho según las moléculas de administración de fármacos a nanoescala, pero el método de activación más utilizado utiliza longitudes de onda de luz específicas para liberar la carga. La liberación de carga controlada por nanoválvulas utiliza luz de baja intensidad y calentamiento plasmónico para liberar la carga en una variación del MSN que contiene moléculas de oro. [11] El fototransductor activado por dos fotones (2-NPT) utiliza longitudes de onda de luz infrarrojas cercanas para inducir la ruptura de un enlace disulfuro para liberar la carga. [12] Recientemente, los nanodiamantes han demostrado potencial en la administración de fármacos debido a su no toxicidad, su absorción espontánea a través de la piel y su capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica .
La estructura única de los nanotubos de carbono también da lugar a muchos inventos innovadores de nuevos métodos médicos. A medida que se fabrican más medicamentos a nivel nano para revolucionar las formas en que los humanos detectan y tratan enfermedades, los nanotubos de carbono se convierten en un candidato más fuerte en nuevos métodos de detección [13] y estrategias terapéuticas. [14] Especialmente, los nanotubos de carbono pueden transformarse en biomoléculas sofisticadas y permitir su detección a través de cambios en los espectros de fluorescencia de los nanotubos de carbono. [15] Además, los nanotubos de carbono pueden diseñarse para que coincidan con el tamaño de un fármaco pequeño y ser endocitozados por una célula objetivo, convirtiéndose así en un agente de administración. [dieciséis]
Las células son muy sensibles a las características nanotopográficas, por lo que la optimización de las superficies en la ingeniería de tejidos ha impulsado la implantación. En condiciones apropiadas, se utiliza un andamio tridimensional cuidadosamente elaborado para dirigir semillas de células hacia el crecimiento de órganos artificiales. El andamio 3-D incorpora varios factores a nanoescala que controlan el entorno para una funcionalidad óptima y apropiada. [17] El andamio es un análogo de la matriz extracelular in vivo in vitro , que permite el crecimiento exitoso de órganos artificiales al proporcionar los factores biológicos complejos y necesarios in vitro .
Para abrasiones y heridas, la nanoquímica ha demostrado aplicaciones para mejorar el proceso de curación. El electrohilado es un método de polimerización utilizado biológicamente en la ingeniería de tejidos, pero también se puede utilizar para vendajes de heridas y administración de fármacos. Esto produce nanofibras que fomentan la proliferación celular , propiedades antibacterianas , en un ambiente controlado. [18] Estas propiedades aparecen macroscópicamente; sin embargo, las versiones a nanoescala pueden mostrar una eficiencia mejorada debido a las características nanotopográficas. Las interfaces específicas entre las nanofibras y las heridas tienen interacciones de mayor área de superficie y son ventajosas in vivo . [19] Existe evidencia de que ciertas nanopartículas de plata son útiles para inhibir algunos virus y bacterias . [20]
Los materiales de ciertos cosméticos, como cremas solares, humectantes y desodorantes, pueden tener beneficios potenciales del uso de la nanoquímica. Los fabricantes están trabajando para aumentar la eficacia de diversos cosméticos facilitando la nanoemulsión de aceite. [21] Estas partículas han ampliado los límites en el manejo de la piel arrugada, deshidratada e inelástica asociada con el envejecimiento. En los protectores solares , las nanopartículas de dióxido de titanio y óxido de zinc resultan ser filtros UV eficaces, pero también pueden penetrar a través de la piel. [22] Estos productos químicos protegen la piel contra la dañina luz ultravioleta absorbiendo o reflejando la luz y evitan que la piel retenga el daño total mediante la fotoexcitación de los electrones en la nanopartícula. [23]
Los científicos han ideado una gran cantidad de composiciones de nanocables con longitud, diámetro, dopaje y estructura superficial controlados mediante estrategias de fase de vapor y solución. Estos monocristales orientados se utilizan en dispositivos semiconductores de nanocables, como diodos , transistores , circuitos lógicos , láseres y sensores. Dado que los nanocables tienen una estructura unidimensional, es decir, una gran relación superficie-volumen, la resistencia a la difusión disminuye. Además, su eficiencia en el transporte de electrones debida al efecto de confinamiento cuántico, hace que sus propiedades eléctricas se vean influenciadas por perturbaciones menores. [24] Por lo tanto, el uso de estos nanocables en elementos nanosensores aumenta la sensibilidad en la respuesta del electrodo. Como se mencionó anteriormente, la unidimensionalidad y la flexibilidad química de los nanocables semiconductores los hacen aplicables en nanoláseres. Peidong Yang y sus compañeros de trabajo han realizado algunas investigaciones sobre los nanocables ultravioleta a temperatura ambiente utilizados en los nanoláseres. Han concluido que el uso de nanoláseres de longitud de onda corta tiene aplicaciones en diferentes campos como la informática óptica, el almacenamiento de información y el microanálisis. [25]
El pequeño tamaño de las nanoenzimas (o nanozimas) (1 a 100 nm) les ha proporcionado propiedades ópticas, magnéticas, electrónicas y catalíticas únicas. [26] Además, el control de la funcionalidad de la superficie de las nanopartículas y la nanoestructura predecible de estas enzimas de pequeño tamaño les han permitido crear una estructura compleja en su superficie que puede satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas [27]
Las nanopartículas fluorescentes son muy buscadas. Tienen amplias aplicaciones, pero su uso en conjuntos macroscópicos les permite ser eficientes en aplicaciones de plasmónica , fotónica y comunicaciones cuánticas . Si bien existen muchos métodos para ensamblar matrices de nanopartículas, especialmente nanopartículas de oro , tienden a estar débilmente unidas a su sustrato, por lo que no pueden usarse para pasos de procesamiento de química húmeda o litografía . Los nanodiamantes permiten una mayor variabilidad en el acceso que posteriormente puede usarse para acoplar guías de ondas plasmónicas para realizar circuitos plasmónicos cuánticos .
Los nanodiamantes se pueden sintetizar empleando semillas carbonosas a nanoescala creadas en un solo paso mediante el uso de una técnica de posición inducida por haz de electrones sin máscara para agregar grupos amina. Esto ensambla nanodiamantes en una matriz. La presencia de enlaces colgantes en la superficie de los nanodiamantes permite funcionalizarlos con una variedad de ligandos . Las superficies de estos nanodiamantes están terminadas con grupos de ácido carboxílico , lo que permite su unión a superficies terminadas en amina mediante la química de acoplamiento de carbodiimida. [28] Este proceso proporciona un alto rendimiento que se basa en enlaces covalentes entre los grupos funcionales amina y carboxilo en superficies de carbono amorfo y nanodiamantes en presencia de EDC. Por lo tanto, a diferencia de las nanopartículas de oro, pueden resistir el procesamiento y el tratamiento para muchas aplicaciones de dispositivos.
Las propiedades fluorescentes de los nanodiamantes surgen de la presencia de centros de nitrógeno vacante (NV), átomos de nitrógeno junto a un vacante. El nanodiamante fluorescente (FND) se inventó en 2005 y desde entonces se ha utilizado en diversos campos de estudio. [29] La invención recibió una patente estadounidense en 2008 Estados 7326837 B2 Estados Unidos 7326837 B2, Chau-Chung Han; Huan-Cheng Chang & Shen-Chung Lee et al., "Aplicaciones clínicas de partículas cristalinas de diamante", expedido el 5 de febrero de 2008, asignado a la Academia Sinica, Taipei (TW) , y una patente posterior en 2012 Estados 8168413 B2 Estados Unidos 8168413 B2 , Huan-Cheng Chang; Wunshian Fann y Chau-Chung Han, "Luminescent Diamond Particles", publicado el 1 de mayo de 2012, asignado a la Academia Sínica, Taipei (TW) . Los centros NV se pueden crear irradiando nanodiamantes con partículas de alta energía (electrones, protones, iones de helio), seguido de recocido al vacío a 600-800°C. La irradiación forma vacunas en la estructura del diamante, mientras que el recocido al vacío migra estas vacantes, que quedarán atrapadas por los átomos de nitrógeno dentro del nanodiamante. Este proceso produce dos tipos de centros NV. Se forman dos tipos de centros NV: neutros (NV0) y con carga negativa (NV–), y estos tienen diferentes espectros de emisión. El centro NV es de particular interés porque tiene un estado fundamental de espín S = 1 que puede polarizarse por espín mediante bombeo óptico y manipularse mediante resonancia paramagnética de electrones. [30] Los nanodiamantes fluorescentes combinan las ventajas de los puntos cuánticos semiconductores (tamaño pequeño, alta fotoestabilidad, fluorescencia multicolor brillante) con biocompatibilidad, no toxicidad y una rica química de superficie, lo que significa que tienen el potencial de revolucionar las aplicaciones de imágenes de Vivo . [31]
Los nanodiamantes pueden autoensamblarse y una amplia gama de moléculas pequeñas, proteínas, anticuerpos, productos terapéuticos y ácidos nucleicos pueden unirse a su superficie, lo que permite la administración de fármacos, la imitación de proteínas y los implantes quirúrgicos. Otras posibles aplicaciones biomédicas son el uso de nanodiamantes como soporte para la síntesis de péptidos en fase sólida y como sorbentes para la desintoxicación y separación, y nanodiamantes fluorescentes para imágenes biomédicas. Los nanodiamantes son capaces de biocompatibilidad, capacidad de transportar una amplia gama de terapias, dispersabilidad en agua y escalabilidad, y potencial para terapia dirigida, todas las propiedades necesarias para una plataforma de administración de medicamentos. El tamaño pequeño, el núcleo estable, la rica química de la superficie, la capacidad de autoensamblarse y la baja citotoxicidad de los nanodiamantes han llevado a sugerir que podrían usarse para imitar proteínas globulares . Los nanodiamantes se han estudiado principalmente como posibles agentes terapéuticos inyectables para la administración generalizada de fármacos, pero también se ha demostrado que las películas de compuestos de nanodiamantes de parileno se pueden utilizar para la liberación sostenida localizada de fármacos durante períodos que van desde dos días a un mes. [32]
La nanolitografía es la técnica para modelar materiales y construir dispositivos a nanoescala. La nanolitografía se utiliza a menudo junto con técnicas de deposición de películas finas, autoensamblaje y autoorganización para diversos fines de nanofabricación. Muchas aplicaciones prácticas utilizan la nanolitografía, incluidos los chips semiconductores en las computadoras. Existen muchos tipos de nanolitografía, que incluyen:
Cada técnica de nanolitografía tiene diferentes factores de resolución, consumo de tiempo y costo. Hay tres métodos básicos utilizados por la nanolitografía. Uno implica el uso de un material resistente que actúa como una "máscara", conocido como fotorresistente, para cubrir y proteger las áreas de la superficie que se pretende que sean lisas. Las partes descubiertas ahora se pueden grabar, con el material protector actuando como plantilla. El segundo método consiste en tallar directamente el patrón deseado. El grabado puede implicar el uso de un haz de partículas cuánticas , como electrones o luz, o métodos químicos como la oxidación o monocapas autoensambladas . El tercer método coloca el patrón deseado directamente sobre la superficie, produciendo un producto final que en última instancia es unos pocos nanómetros más grueso que la superficie original. Para visualizar la superficie que se va a fabricar, la superficie debe visualizarse mediante un microscopio de nanoresolución, que incluye la microscopía de sonda de barrido y el microscopio de fuerza atómica . Ambos microscopios también pueden utilizarse para procesar el producto final.
Los fotorresistentes son materiales sensibles a la luz, compuestos de un polímero, un sensibilizador y un disolvente. Cada elemento tiene una función particular. El polímero cambia su estructura cuando se expone a la radiación. El disolvente permite que el fotoprotector se hile y forme capas finas sobre la superficie de la oblea. Finalmente, el sensibilizador o inhibidor controla la reacción fotoquímica en la fase polimérica. [33]
Los fotorresistentes se pueden clasificar en positivos o negativos. En los fotoprotectores positivos, la reacción fotoquímica que ocurre durante la exposición debilita el polímero, haciéndolo más soluble para el revelador, de modo que se logra el patrón positivo. Por lo tanto, la máscara contiene una copia exacta del patrón, que debe permanecer en la oblea como plantilla para su posterior procesamiento. En el caso de los fotoprotectores negativos, la exposición a la luz provoca la polimerización del fotoprotector, por lo que el protector negativo permanece en la superficie del sustrato donde está expuesto y la solución reveladora elimina solo las áreas no expuestas. Las máscaras utilizadas para fotorresistentes negativos contienen el “negativo” fotográfico o inverso del patrón que se va a transferir. Tanto los fotorresistentes negativos como los positivos tienen sus propias ventajas. Las ventajas de los fotoprotectores negativos son una buena adhesión al silicio, un menor costo y un tiempo de procesamiento más corto. Las ventajas de los fotoprotectores positivos son una mejor resolución y estabilidad térmica. [33]
Los grupos monodispersos de tamaño nanométrico (también conocidos como nanoclusters ) son cristales cultivados sintéticamente cuyo tamaño y estructura influyen en sus propiedades a través de los efectos del confinamiento cuántico . Un método para hacer crecer estos cristales es a través de jaulas micelares inversas en disolventes no acuosos. [34] La investigación realizada sobre las propiedades ópticas de los nanoclusters de MoS 2 los comparó con sus homólogos de cristal en masa y analizó sus espectros de absorbancia. El análisis revela que la dependencia del tamaño del espectro de absorbancia de los cristales en masa es continua, mientras que el espectro de absorbancia de los nanoclusters adquiere niveles de energía discretos. Esto indica un cambio de un comportamiento sólido a un comportamiento molecular que se produce en un grupo informado de un tamaño de 4,5 a 3,0 nm. [34]
Existe interés en las propiedades magnéticas de los nanoclusters debido a su uso potencial en grabación magnética , fluidos magnéticos, imanes permanentes y catálisis . El análisis de los cúmulos de Fe muestra un comportamiento consistente con un comportamiento ferromagnético o superparamagnético debido a fuertes interacciones magnéticas dentro de los cúmulos. [34]
Las propiedades dieléctricas de los nanoclusters también son un tema de interés debido a sus posibles aplicaciones en catálisis, fotocatálisis , microcondensadores, microelectrónica y óptica no lineal . [35]
La idea de la nanotermodinámica fue propuesta inicialmente por TL Hill en 1960, teorizando las diferencias entre las formas diferenciales e integrales de propiedades debidas a tamaños pequeños. El tamaño, la forma y el entorno de una nanopartícula afectan la ley de potencia , o su proporcionalidad, entre las propiedades nano y macroscópicas. La transición de macro a nano cambia la proporcionalidad de exponencial a potencia. [36] Por lo tanto, la nanotermodinámica y la teoría de la mecánica estadística están relacionadas conceptualmente. [37]
Hay varios investigadores en nanoquímica a quienes se les atribuye el desarrollo de este campo. Geoffrey A. Ozin , de la Universidad de Toronto, es conocido como uno de los "padres fundadores de la Nanoquímica" debido a sus cuatro décadas y media de investigación sobre este tema. [38] Esta investigación incluye el estudio de la espectroscopia Raman con láser de aislamiento de matriz, la química y fotoquímica de grupos de metales desnudos, los materiales nanoporosos, los nanomateriales híbridos , los materiales mesoscópicos y los nanocables inorgánicos ultrafinos . [39]
Otro químico que también es considerado uno de los pioneros de la nanoquímica es Charles M. Lieber de la Universidad de Harvard . Es conocido por sus contribuciones al desarrollo de tecnologías a nanoescala, particularmente en el campo de la biología y la medicina. [40] Las tecnologías incluyen nanocables, una nueva clase de materiales casi unidimensionales que han demostrado propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas y térmicas superiores y que pueden usarse potencialmente como sensores biológicos. La investigación de Lieber ha profundizado en el uso de nanocables que mapean la actividad cerebral. [41]
Shimon Weiss, profesor de la Universidad de California en Los Ángeles , es conocido por su investigación de nanocristales semiconductores fluorescentes, una subclase de puntos cuánticos , para el etiquetado biológico. [42]
Paul Alivisatos , de la Universidad de California, Berkeley , también destaca por sus investigaciones sobre la fabricación y uso de nanocristales. Esta investigación tiene el potencial de desarrollar conocimientos sobre los mecanismos de partículas de pequeña escala, como el proceso de nucleación, intercambio catiónico y ramificación. Una aplicación notable de estos cristales es el desarrollo de puntos cuánticos. [43]
Peidong Yang , otro investigador de la Universidad de California, Berkeley , también destaca por sus contribuciones al desarrollo de nanoestructuras unidimensionales. El grupo Yang tiene proyectos de investigación activos en las áreas de fotónica de nanocables, células solares basadas en nanocables, nanocables para la conversión de energía solar en combustible, termoeléctricos de nanocables, interfaz de nanocables-célula, catálisis de nanocristales, nanofluidos de nanotubos y plasmónicos . [44]
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