Los nanorreactores son un tipo de reactor químico que se aplica particularmente en las disciplinas de la nanotecnología y la nanobiotecnología . Estos reactores especiales son cruciales para mantener en funcionamiento una nanofundición , que es esencialmente una fundición que fabrica productos a escala nanotecnológica.
El término nanorreactor se refiere a un sistema aislado a escala nanométrica que se utiliza para llevar a cabo reacciones químicas en un entorno que difiere drásticamente de una reacción en solución a granel. La síntesis y el análisis de estos nanorreactores es un tema altamente interdisciplinario, que abarca desde la química y la física hasta la biología y la ciencia de los materiales. Estos sistemas pueden ser sintéticos, como los nanoporos y las nanopartículas huecas, o pueden ser sistemas biológicos, incluidos los poros y canales de proteínas. [1] En general, el efecto de confinamiento proporcionado por estos nanorreactores da como resultado una química novedosa. Este campo solo ha comenzado a recibir una atención significativa en las últimas dos décadas, y se publican constantemente más trabajos a medida que los nanorreactores se vuelven más sofisticados y comienzan a mostrar promesas para aplicaciones industriales.
Investigadores de los Países Bajos han logrado construir nanorreactores que pueden realizar reacciones de varios pasos en un solo recipiente, el siguiente paso hacia dispositivos similares a células artificiales , además de aplicaciones que involucran la detección y el diagnóstico de una enfermedad o dolencia. [2] Un nanorreactor bioquímico se crea simplemente desenvolviendo un virus biológico a través de métodos científicos, eliminando sus contenidos dañinos y reensamblando su capa proteica alrededor de una sola molécula de enzima. [3] El efecto isotópico cinético está atrapado en una sola molécula dentro de un nanorreactor basado en membrana. [4] Este es un fenómeno que ha sido descubierto por investigadores del Reino Unido durante experimentos realizados en septiembre de 2010. [4] El efecto isotópico cinético, donde la velocidad de una reacción está influenciada por la presencia de un átomo isotópico en solución, es un principio importante para dilucidar los mecanismos de reacción. [4] Este hallazgo reciente podría abrir nuevos métodos para estudiar las reacciones químicas. [4] Incluso pueden ayudar en el proceso de creación de nuevos (e incluso más poderosos) nanorreactores. [4]
El uso de nanocristales, un proceso escalable y económico, puede en última instancia crear nanorreactores. [5] Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley tienen la capacidad de aprovechar la gran diferencia en los componentes seleccionados para crear estos nanocristales y nanorreactores. [5] Los nanocristales son más fáciles de usar y menos costosos que los métodos que emplean plantillas de sacrificio en el proceso de creación de partículas huecas. [5] Las partículas del catalizador se separan en capas para evitar la agregación de partículas . [5] La entrada selectiva a la cámara de catálisis reduce la probabilidad de que los productos deseados experimenten reacciones secundarias . [5]
Los nanorreactores también pueden construirse controlando la posición de dos enzimas diferentes en el depósito central de agua o la membrana plástica de burbujas nanoscópicas sintéticas. [6] Una vez que se añade la tercera enzima a la solución circundante, es posible que se produzcan tres reacciones enzimáticas diferentes a la vez sin interferir entre sí (lo que da como resultado una reacción de "una sola olla"). [6] El potencial de los nanorreactores puede demostrarse uniendo la enzima peroxidasa de rábano picante a la propia membrana; atrapando la enzima glucosa oxidasa . [6] La solución circundante terminaría conteniendo la enzima lipasa B con las moléculas de glucosa que contienen cuatro grupos acetilo como sustrato. [6] La glucosa resultante atravesaría la membrana, se oxidaría y la peroxidasa de rábano picante convertiría el sustrato de muestra ABTS (ácido 2,2'-azinobis(3-etilbenztiazolina-6-sulfónico)) en su catión radical. [6]
Los nanorreactores también se pueden utilizar para emulsionar agua, crear hidrocombustibles (que esencialmente mezclan un 15% de agua en el producto diésel refinado), desempeñar un papel útil en la industria química al permitir que existan múltiples corrientes de materias primas en un solo nanorreactor, fabricar productos de cuidado personal (es decir, lociones , cremas farmacéuticas , champús , acondicionadores , geles de ducha , desodorantes ) y mejorar las industrias de alimentos y bebidas (mediante el procesamiento de salsas , purés , bases de cocción para sopas, emulsionando bebidas no alcohólicas y aderezos para ensaladas ). [7]
Los productos de cuidado personal pueden mejorarse si las empresas introducen múltiples fases de material, utilizan un dispositivo mezclador con agua y crean emulsiones instantáneas . [7] Estas emulsiones vendrían con partículas más pequeñas, se espera que tengan una vida útil más larga y den una apariencia mejorada cuando se vendan en los minoristas. [7] Las necesidades de la industria de alimentos y bebidas pueden resultar en menores costos de procesamiento, más espacio, mejor eficiencia y menores costos de equipo. [7] Esto puede reducir el costo de los alimentos y bebidas para los consumidores; incluso las bebidas alcohólicas que están sujetas a impuestos ocultos .
El hidrocombustible se puede utilizar para mover transportes pesados , trenes , equipos de movimiento de tierras (incluidas las excavadoras ), además de proporcionar combustible a la mayoría de los barcos y buques . [7] La reducción de la contaminación y el aumento de la eficiencia del combustible pueden resultar del hidrocombustible producido por nanorreactores. [7] El mayor uso de energía renovable también puede ayudar a mejorar el medio ambiente mundial gracias a los nanorreactores. [7]
Roy, Skinner, et al. estudiaron la dinámica del agua en surfactantes gemini autoensamblados en 2014. [8] Este trabajo ilustra no solo la utilidad de los materiales a escala nanométrica para las reacciones químicas, sino también la complejidad que se requiere para estudiar los efectos. El equipo utilizó técnicas espectroscópicas y simulaciones de dinámica molecular para determinar que dentro de las estructuras nanoporosas, la dinámica del agua en la fase giroide es un orden de magnitud más lenta que en el agua a granel. Este resultado surge de la diferencia de curvatura en las interfaces del giroide normal. En comparación con el agua confinada en una micela esférica inversa de un surfactante de sulfonato, el agua exhibió una dinámica más rápida. Se postuló que este comportamiento complejo tendría implicaciones para el trabajo futuro en el transporte de iones.
Los nanotubos de carbono han sido un área popular de investigación y, específicamente, los nanotubos de carbono de pared simple proporcionan superficies únicas para la química. Li, G y Fu, C et al. informan sobre grandes cambios en los espectros Raman al encapsular azufre en estos nanotubos de carbono de pared simple. En un ejemplo de cómo el confinamiento en espacios tan pequeños influye en la química, los autores teorizan que los cambios en los espectros Raman pueden atribuirse a las interacciones de van der Waals del azufre con las paredes de los nanotubos. Estos efectos son altamente sensibles al tamaño de la cámara de confinamiento, ya que las interacciones de van der Waals no fueron significativas para nanotubos de pared simple de mayor diámetro. Los autores sugieren que el confinamiento dentro de los nanotubos de pared simple permite que las moléculas S 2 experimenten polimerización a dirradicales lineales. [9]
Los nanorreactores también se están aplicando a los espacios biológicos. En un estudio de Tagliazucchi y Szleifer, se estudia la unión de proteínas a ligandos dentro de nanocanales largos y nanoporos cortos. Dentro de estos espacios confinados, los ligandos están unidos a las paredes mediante ataduras poliméricas. Esta tecnología ya ha encontrado aplicaciones como sensores que miden las concentraciones de proteínas en solución. Este estudio desarrolló una teoría para modelar cómo se unen las proteínas en estas condiciones altamente confinadas para informar el diseño de estos sensores. [10]