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Partículas de Jano

Una vista esquemática de una partícula de Jano esférica básica con dos caras distintas: los lados A y B representan dos superficies con diferentes propiedades físicas o químicas.

Las partículas de Janus son tipos especiales de nanopartículas o micropartículas cuyas superficies tienen dos o más propiedades físicas distintas . [1] [2] Esta superficie única de las partículas de Jano permite que se produzcan dos tipos diferentes de química en la misma partícula. El caso más simple de una partícula de Jano se logra dividiendo la partícula en dos partes distintas, cada una de ellas hecha de un material diferente o con diferentes grupos funcionales. [3] Por ejemplo, una partícula de Janus puede tener la mitad de su superficie compuesta por grupos hidrofílicos y la otra mitad por grupos hidrofóbicos , [4] las partículas pueden tener dos superficies de diferente color, [5] fluorescencia o propiedades magnéticas. [6] Esto confiere a estas partículas propiedades únicas relacionadas con su estructura asimétrica y/o funcionalización. [7]

Historia

El término "partícula de Janus" fue acuñado por el autor Leonard Wibberley en su novela de 1962 El ratón en la luna como un dispositivo de ciencia ficción para viajes espaciales.

El término fue utilizado por primera vez en un contexto científico del mundo real por C. Casagrande et al. en 1988 [8] para describir partículas de vidrio esféricas con uno de los hemisferios hidrófilo y el otro hidrófobo. En ese trabajo, las perlas anfifílicas se sintetizaron protegiendo un hemisferio con barniz y tratando químicamente el otro hemisferio con un reactivo de silano. Este método dio como resultado una partícula con áreas hidrofílicas e hidrofóbicas iguales. [9] En 1991, Pierre-Gilles de Gennes mencionó el término partícula "Janus" en su conferencia Nobel . Las partículas de Jano llevan el nombre del dios romano de dos caras Jano porque se puede decir que estas partículas tienen "dos caras", ya que poseen dos tipos distintos de propiedades. [10] de Gennes impulsó el avance de las partículas de Janus señalando que estos "granos de Janus" tienen la propiedad única de autoensamblarse densamente en las interfaces líquido-líquido, al tiempo que permiten que se produzca el transporte de material a través de los espacios entre las partículas anfifílicas sólidas . [11]

En 1976, Nick Sheridon de Xerox Corporation patentó una pantalla de panel con bola giratoria, donde se refiere a una "pluralidad de partículas que tienen una anisotropía eléctrica". [12] Aunque el término "partículas de Janus" aún no se utilizaba, Lee y sus compañeros de trabajo también informaron sobre partículas que coincidían con esta descripción en 1985. [13] Introdujeron redes asimétricas de poliestireno / polimetilmetacrilato a partir de polimerización en emulsión sembrada . Un año después, Casagrande y Veyssie informaron sobre la síntesis de cuentas de vidrio que se hicieron hidrófobas en un solo hemisferio usando octadeciltriclorosilano, mientras que el otro hemisferio se protegía con un barniz de celulosa. [9] Las perlas de vidrio fueron estudiadas por su potencial para estabilizar los procesos de emulsificación. Luego, varios años más tarde, Binks y Fletcher investigaron la humectabilidad de las perlas de Janus en la interfaz entre el petróleo y el agua. [14] Concluyeron que las partículas de Janus son tensioactivas y anfifílicas, mientras que las partículas homogéneas son sólo tensioactivas. Veinte años después, se ha informado de una gran cantidad de partículas de Janus de diferentes tamaños, formas y propiedades, con aplicaciones en textiles, [15] sensores , [16] estabilización de emulsiones , [17] e imágenes de campos magnéticos [18] . Actualmente, Cospheric, [19] que posee una patente sobre el método de recubrimiento hemisférico para microelementos, comercializa una variedad de partículas de Janus en tamaños de 10 μm a 53 μm de diámetro. [20]

Síntesis

La síntesis de nanopartículas de Janus requiere la capacidad de crear selectivamente cada lado de una partícula de tamaño nanométrico con diferentes propiedades químicas de una manera rentable y confiable que produzca la partícula de interés con un alto rendimiento. Inicialmente, esta fue una tarea difícil, pero en los últimos 10 años, se han perfeccionado métodos para hacerla más fácil. Actualmente, se utilizan tres métodos principales en la síntesis de nanopartículas de Janus. [3]

enmascaramiento

Vista esquemática de la síntesis de nanopartículas de Janus mediante enmascaramiento. 1) Se colocan nanopartículas homogéneas dentro o sobre una superficie de tal manera que solo queda expuesto un hemisferio. 2) La superficie expuesta está expuesta a una sustancia química 3) que cambia sus propiedades. 4) Luego se retira el agente enmascarante, liberando las nanopartículas de Janus.
Ejemplo de nanopartículas de Janus fabricadas mediante un proceso de enmascaramiento.
(a) Representación esquemática de un proceso de microfabricación de enmascaramiento. Después de crear una monocapa de partículas fluorescentes, se depositan bicapas de 1:10 Ti/Au en la mitad superior de las partículas. Luego se coloca la oblea en un vaso de precipitados con 2 ml de agua desionizada y se sonica durante 2 h para resuspenderlos. (b) Las micrografías SEM muestran los tres tipos de JP fabricados. La barra de escala representa 500 nm. [21]

El enmascaramiento fue una de las primeras técnicas desarrolladas para la síntesis de nanopartículas de Janus. [22] Esta técnica se desarrolló simplemente tomando técnicas de síntesis de partículas de Janus más grandes y reduciéndolas a la nanoescala. [22] [23] [24] El enmascaramiento, como su nombre indica, implica la protección de un lado de una nanopartícula seguida de la modificación del lado desprotegido y la eliminación de la protección. Son comunes dos técnicas de enmascaramiento para producir partículas de Janus: la deposición evaporativa [25] [26] y una técnica en la que la nanopartícula se suspende en la interfaz de dos fases. Sin embargo, sólo la técnica de separación de fases se adapta bien a la nanoescala. [27]

El método de interfaz de fases implica atrapar nanopartículas homogéneas en la interfaz de dos fases inmiscibles. Estos métodos suelen implicar las interfaces líquido-líquido y líquido-sólido, pero se ha descrito un método de interfaz gas-líquido. [28] [29]

El mejor ejemplo del método de interfaz líquido-líquido es Gu et al. , que hizo una emulsión a partir de agua y un aceite y añadió nanopartículas de magnetita . Las nanopartículas de magnetita se agregaron en la interfaz de la mezcla de agua y aceite, formando una emulsión de Pickering . Luego, se añadió nitrato de plata a la mezcla, lo que provocó la deposición de nanopartículas de plata en la superficie de las nanopartículas de magnetita. Luego, estas nanopartículas de Janus se funcionalizaron mediante la adición de varios ligandos con afinidad específica por el hierro o la plata. [30] Este método también puede utilizar oro o hierro-platino en lugar de magnetita. [3]

Un método similar es el método de interfaz gas-líquido desarrollado por Pradhan et al. En este método, se colocaron nanopartículas de oro de tiolato de alcano hidrofóbico en agua, provocando la formación de una monocapa de nanopartículas de oro hidrofóbicas en la superficie. Luego se aumentó la presión del aire, lo que obligó a que la capa hidrófoba fuera empujada hacia el agua, disminuyendo el ángulo de contacto . Cuando el ángulo de contacto estaba en el nivel deseado, se añadió al agua un tiol hidrófilo, 3-mercaptopropano-1,2-diol, lo que provocó que el tiol hidrófilo reemplazara competitivamente a los tioles hidrófobos, lo que resultó en la formación de nanopartículas anfifílicas de Janus. [29]

Los métodos de interfaz líquido-líquido y gas-líquido tienen un problema en el que las nanopartículas pueden girar en solución, provocando la deposición de plata en más de una cara. [31] Granick et al. introdujeron por primera vez un método de interfaz híbrida líquido-líquido/líquido-sólido . como solución a este problema del método líquido-líquido. En este método, se sustituyó el aceite por cera de parafina fundida y la magnetita por nanopartículas de sílice. Cuando se enfrió la solución, la cera se solidificó, atrapando la mitad de cada nanopartícula de sílice en la superficie de la cera, dejando la otra mitad de la sílice expuesta. Luego se filtró el agua y las nanopartículas de sílice atrapadas en cera se expusieron a una solución de metanol que contenía (aminopropil)trietoxisilano, que reaccionó con las superficies de sílice expuestas de las nanopartículas. Luego se filtró la solución de metanol y se disolvió la cera con cloroformo , liberando las partículas de Janus recién formadas. Liu y cols. informaron la síntesis de nanopartículas de sílice-aminopropil-trimetoxisilano Janus en forma de bellota y hongo utilizando el método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido desarrollado por Granick et al. Expusieron nanopartículas homogéneas de sílice funcionalizadas con aminopropil-trimetoxisilano incrustadas en cera a una solución de fluoruro de amonio , que grabó la superficie expuesta. El método híbrido líquido-líquido/líquido-sólido también tiene algunos inconvenientes; cuando se exponen al segundo disolvente para la funcionalización, algunas de las nanopartículas pueden liberarse de la cera, lo que da como resultado nanopartículas homogéneas en lugar de Janus. Esto se puede corregir parcialmente utilizando ceras con puntos de fusión más altos o realizando una funcionalización a temperaturas más bajas. Sin embargo, estas modificaciones todavía resultan en pérdidas significativas. Cui et al. diseñó una máscara más duradera hecha de una película de polímero de polidimetilsiloxano (PDMS) para crear una interfaz líquido-líquido/líquido-sólido. La porción expuesta a ser modificada de la superficie de la partícula se puede ajustar controlando la temperatura y el tiempo de curado del PDMS y, por lo tanto, la profundidad de incrustación de las partículas. La ventaja de este método de fabricación es que el PDMS es inerte y duradero en muchas soluciones químicas húmedas, y varios metales, óxidos o aleaciones como plata, oro, níquel y titania pueden modificar la superficie expuesta. [32] Granick et al. , en otro artículo, demostró una posible solución mediante el uso de un método híbrido en fase líquido-líquido/gas-sólido inmovilizando primeronanopartículas de sílice en cera de parafina utilizando el método de interfaz de fase líquida-sólida discutido anteriormente y luego filtrando el agua. Las nanopartículas inmovilizadas resultantes se expusieron luego al vapor de silanol producido al burbujear nitrógeno o gas argón a través de silanol líquido, provocando la formación de una cara hidrófila. Luego, la cera se disolvió en cloroformo, liberando las nanopartículas de Janus. [28]

Sardar et al. han descrito un ejemplo de una técnica líquido-sólido más tradicional . comenzando con la inmovilización de nanopartículas de oro sobre una superficie de vidrio silanizado. Luego, la superficie del vidrio se expuso a 11-mercapto-1-undecanol, que se unió a los hemisferios expuestos de las nanopartículas de oro. Luego, las nanopartículas se retiraron del portaobjetos utilizando etanol que contenía ácido 16-mercaptohexadecanoico, que funcionalizó los hemisferios de las nanopartículas previamente enmascarados. [33]

Autoensamblaje

Copolímeros en bloque

Representación esquemática de la síntesis de nanopartículas de Janus mediante el método de autoensamblaje de copolímeros en bloque.

Este método utiliza métodos bien estudiados para producir copolímeros en bloque con geometrías y composiciones bien definidas en una gran variedad de sustratos. [3] [34] La síntesis de partículas de Janus mediante autoensamblaje mediante copolímeros de bloque fue descrita por primera vez en 2001 por Erhardt et al. Produjeron un polímero tribloque a partir de polimetilacrilato , poliestireno y polibutadieno de bajo peso molecular . El poliestireno y el polimetilacrilato formaron capas alternas entre las cuales se encontraba el polibutadieno en esferas de tamaño nanométrico. Luego, los bloques se reticularon y se disolvieron en THF , y después de varios pasos de lavado, produjeron partículas esféricas de Janus con poliestireno en una cara y polimetilacrilato en la otra, con un núcleo de polibutadieno. [35] La producción de esferas , cilindros , láminas y cintas de Janus es posible utilizando este método ajustando los pesos moleculares de los bloques en el polímero inicial y también el grado de reticulación. [3] [36]

Adsorción competitiva

El aspecto clave de la absorción competitiva involucra dos sustratos que se separan en fases debido a una o más propiedades físicas o químicas opuestas. Cuando estos sustratos se mezclan con una nanopartícula, normalmente de oro, mantienen su separación y forman dos caras. [3] [37] Un buen ejemplo de esta técnica ha sido demostrado por Vilain et al. , donde las nanopartículas de oro recubiertas de fosfinina se expusieron a tioles de cadena larga, lo que resultó en la sustitución de los ligandos de fosfinina de manera separada en fases para producir nanopartículas de Janus. La separación de fases se demostró mostrando que los tioles formaban un dominio localmente puro en la nanopartícula utilizando FT-IR . [37] Jakobs et al. demostraron un problema importante con el método de adsorción competitiva cuando intentaron sintetizar nanopartículas de oro anfifílicas de Janus utilizando la adsorción competitiva de tioles hidrófobos e hidrófilos . [38] La síntesis demostrada fue bastante simple y solo implicó dos pasos. Se produjeron las primeras nanopartículas de oro recubiertas con bromuro de tetra -n-octilamonio . Luego se eliminó el agente de protección seguido de la adición de diversas proporciones de óxido de etileno funcionalizado con disulfuro hidrófilo y oligo(p-fenilenvinileno) funcionalizado con disulfuro hidrófobo. Luego intentaron demostrar que la separación de fases en la superficie de las partículas se producía comparando los ángulos de contacto del agua en la superficie de una monocapa de partículas de Janus con nanopartículas fabricadas únicamente con ligandos hidrófobos o hidrófobos. En cambio, los resultados de este experimento mostraron que, si bien hubo cierta separación de fases, no fue completa. [38] Este resultado resalta que la elección del ligando es extremadamente importante y cualquier cambio puede resultar en una separación de fases incompleta. [3] [38]

Separación de fases

Esquema del principio básico del método de separación de fases para producir nanopartículas de Janus: se mezclaron dos sustancias incompatibles (A y B) para formar una nanopartícula. Luego, A y B se separan en sus propios dominios mientras siguen siendo parte de una única nanopartícula.

Este método implica la mezcla de dos o más sustancias incompatibles que luego se separan en sus propios dominios sin dejar de formar parte de una única nanopartícula. Estos métodos pueden implicar la producción de nanopartículas de Janus de dos sustancias inorgánicas y dos orgánicas . [3]

Los métodos típicos de separación de fases orgánicas utilizan la inyección conjunta de polímeros para producir nanopartículas de Janus. Esta técnica está ejemplificada por el trabajo de Yoshid et al. para producir nanopartículas de Janus donde un hemisferio tiene afinidad por las células humanas , mientras que el otro hemisferio no tiene afinidad por las células humanas. Esto se logró inyectando copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico) que no tienen afinidad por las células humanas con copolímeros de poliacrilamida/poli(ácido acrílico) biotinilados , que cuando se exponen a anticuerpos modificados con estreptavidina , obtienen afinidad por las células humanas. [dieciséis]

Los métodos de separación de fases inorgánicas son diversos y varían mucho según la aplicación. [3] El método más común utiliza el crecimiento de un cristal de una sustancia inorgánica sobre o desde otra nanopartícula inorgánica. [3] [39] Gu et al. han desarrollado un método único . , donde las nanopartículas de hierro- platino se recubrieron con azufre que reaccionó con acetilacetonato de cadmio , fosfinoóxido de trioctilo y hexadecano-1,2- diol a 100 °C para producir nanopartículas con un núcleo de hierro-platino y una cubierta amorfa de cadmio-azufre. Luego, la mezcla se calentó a 280 °C, lo que dio como resultado una transición de fase y una erupción parcial del Fe-Pt del núcleo, creando una esfera pura de Fe-Pt unida a la nanopartícula recubierta de CdS. [39] Zhao y Gao han desarrollado recientemente un nuevo método para sintetizar nanopartículas inorgánicas de Janus mediante separación de fases. En este método, exploraron el uso del método común de síntesis de llama de nanopartículas homogéneas. Descubrieron que cuando se quemaba una solución de metanol que contenía triacetilacetonato férrico y tetraetilortosilicato , los componentes de hierro y silicio formaban un sólido entremezclado, que sufre una separación de fases cuando se calienta a aproximadamente 1100 °C para producir nanopartículas de maghemita y sílice Janus. Además, descubrieron que era posible modificar la sílice después de producir las nanopartículas de Janus, haciéndola hidrófoba al hacerla reaccionar con oleilamina . [40]

Propiedades y aplicaciones

Materiales Janus específicos para tareas

El término "materiales Janus para tareas específicas" se refiere a las funciones no emulsionantes de las partículas Janus. [41]

Comportamiento de autoensamblaje de nanopartículas de Janus.

Las dos o más caras distintas de las partículas de Janus les confieren propiedades especiales en solución. En particular, se ha observado que se autoensamblan de una manera específica en soluciones acuosas u orgánicas. En el caso de micelas esféricas de Janus que tienen hemisferios de poliestireno (PS) y poli(metacrilato de metilo) (PMMA), se ha observado agregación en grupos en varios disolventes orgánicos, como el tetrahidrofurano . De manera similar, los discos Janus compuestos por lados de PS y poli (metacrilato de terc-butilo) (PtBMA) pueden apilarse espalda con espalda en superestructuras cuando están en una solución orgánica. [22] Estas partículas de Janus particulares forman agregados en solventes orgánicos considerando que ambos lados de estas partículas son solubles en el solvente orgánico. Parece que la ligera selectividad del disolvente es capaz de inducir el autoensamblaje de las partículas en grupos discretos de partículas de Janus. Este tipo de agregación no se produce ni en los copolímeros de bloques estándar ni en las partículas homogéneas y, por tanto, es una característica específica de las partículas de Janus. [22]

En soluciones acuosas se pueden distinguir dos tipos de partículas bifásicas . El primer tipo son partículas que son verdaderamente anfifílicas y poseen un lado hidrófobo y otro hidrófilo. El segundo tipo tiene dos lados solubles en agua, pero químicamente distintos. Para ilustrar el primer caso, se han llevado a cabo extensos estudios con partículas esféricas de Janus compuestas por un hemisferio de PMAA soluble en agua y el otro lado de poliestireno insoluble en agua. En estos estudios, se descubrió que las partículas de Jano se agregaban en dos niveles jerárquicos . El primer tipo de agregados autoensamblados parecen pequeños grupos, similar a lo que se encuentra en el caso de las partículas de Jano en una solución orgánica. El segundo tipo es notablemente más grande que el primero y se le ha denominado "súper micelas". Desafortunadamente, hasta el momento se desconoce la estructura de las supermicelas ; sin embargo, pueden ser similares a vesículas multilamelares . [22]

Para el segundo caso de partículas de Jano que contienen dos lados distintos, pero aún solubles en agua, el trabajo del grupo de Granick proporciona algunas ideas. Su investigación se ocupa de la agrupación de partículas dipolares ( zwitteriónicas ) de tamaño micrométrico de Janus, cuyos dos lados son totalmente solubles en agua. [42] Las partículas zwitteriónicas de Jano no se comportan como los dipolos clásicos , ya que su tamaño es mucho mayor que la distancia a la que se sienten fuertemente las atracciones electrostáticas. El estudio de las partículas zwitteriónicas de Jano demuestra una vez más su capacidad para formar grupos definidos. Sin embargo, este tipo particular de partícula de Jano prefiere agregarse en cúmulos más grandes, ya que esto es más favorable energéticamente porque cada cúmulo lleva un dipolo macroscópico que permite la agregación de cúmulos ya formados en conjuntos más grandes. En comparación con los agregados formados mediante interacciones de van der Waals para partículas homogéneas, las formas de los nanoclusters zwitteriónicos de Janus son diferentes y los clusters de Janus son menos densos y más asimétricos. [22]

Modificación del autoensamblaje mediante pH.

El autoensamblaje de ciertos tipos de partículas de Janus se puede controlar modificando el pH de su solución. Lattuada et al. nanopartículas preparadas con un lado recubierto con un polímero sensible al pH (ácido poliacrílico, PAA) y el otro con un polímero cargado positivamente (metacrilato de polidimetilaminoetilo, PDMAEMA), un polímero insensible al pH cargado negativamente o un polímero sensible a la temperatura. polímero (poli-N-isopropilacrilamida, PNIPAm). [3] Al cambiar el pH de su solución, notaron un cambio en la agrupación de sus nanopartículas Janus. A valores de pH muy altos, donde PDMAEMA no tiene carga mientras que PAA está muy cargada, las nanopartículas de Janus eran muy estables en solución. Sin embargo, por debajo de un pH de 4, cuando el PAA no está cargado y el PDMAEMA está cargado positivamente, formaron grupos finitos. En valores de pH intermedios, descubrieron que las nanopartículas de Janus eran inestables debido a la interacción dipolar entre los hemisferios cargados positiva y negativamente. [3]

Reversibilidad de la formación de conglomerados y control del tamaño de los conglomerados.

También se ha demostrado el control del tamaño de los grupos en la agregación de nanopartículas de Janus. Lattuada et al. logró el control del tamaño del grupo de partículas de Janus con una cara de PAA y la otra PDMAEMA o PNIPAm mezclando pequeñas cantidades de estas nanopartículas de Janus con partículas recubiertas de PAA. [3] Una característica única de estos grupos era que las partículas estables podían recuperarse de forma reversible cuando se restablecían las condiciones de pH alto. Además, las nanopartículas de Janus funcionalizadas con PNIPAm mostraron que se podía lograr una agregación controlada y reversible aumentando la temperatura por encima de la temperatura crítica más baja de solubilidad de PNIPAm.

Propiedades anfifílicas

Una característica importante de las nanopartículas Janus es la capacidad de tener partes tanto hidrófilas como hidrófobas. Muchos grupos de investigación han investigado las actividades superficiales de nanopartículas con propiedades anfifílicas. En 2006, las nanopartículas de Janus, hechas de óxidos de oro y hierro , se compararon con sus contrapartes homogéneas midiendo la capacidad de las partículas para reducir la tensión interfacial entre el agua y el n-hexano . [43] Los resultados experimentales indicaron que las nanopartículas de Janus son considerablemente más tensioactivas que las partículas homogéneas de tamaño y naturaleza química comparables. Además, aumentar el carácter anfifílico de las partículas puede aumentar la actividad interfacial. La capacidad de las nanopartículas de Janus para reducir la tensión interfacial entre el agua y el n-hexano confirmó predicciones teóricas previas sobre su capacidad para estabilizar las emulsiones de Pickering .

En 2007, se examinó la naturaleza anfifílica de las nanopartículas de Janus midiendo la fuerza de adhesión entre la punta del microscopía de fuerza atómica (AFM) y la superficie de la partícula. [44] Las interacciones más fuertes entre la punta hidrófila del AFM y el lado hidrófilo de las nanopartículas de Janus se reflejaron en una mayor fuerza de adhesión . Las nanopartículas de Janus se lanzaron sobre sustratos modificados hidrofóbica e hidrofílicamente. El hemisferio hidrofóbico de las partículas de Janus quedó expuesto cuando se utilizó una superficie de sustrato hidrofílica, lo que provocó disparidades en las mediciones de la fuerza de adhesión. Así, las nanopartículas de Janus adoptaron una conformación que maximizó las interacciones con la superficie del sustrato.

Es bien conocida la naturaleza de las nanopartículas anfifílicas de Janus para orientarse espontáneamente en la interfaz entre el petróleo y el agua. [45] [46] [47] Este comportamiento permite considerar las nanopartículas anfifílicas de Janus como análogos de los tensioactivos moleculares para la estabilización de emulsiones. En 2005, se prepararon partículas esféricas de sílice con propiedades anfifílicas mediante modificación parcial de la superficie externa con un agente alquilsilano. Estas partículas forman conjuntos esféricos que encapsulan compuestos orgánicos inmiscibles en agua en medios acuosos al enfrentar su lado alquilsililado hidrófobo con la fase orgánica interna y su lado hidrófilo con la fase acuosa externa, estabilizando así las gotas de aceite en agua. [48] ​​En 2009, la superficie hidrófila de las partículas de sílice se volvió parcialmente hidrófoba mediante la adsorción de bromuro de cetiltrimetilamonio . Estas nanopartículas anfifílicas se ensamblaron espontáneamente en la interfaz agua- diclorometano . [49] En 2010, se utilizaron partículas de Janus compuestas de sílice y poliestireno, con la porción de poliestireno cargada con partículas de magnetita de tamaño nanométrico , para formar emulsiones de aceite en agua cinéticamente estables que pueden romperse espontáneamente con la aplicación de un campo magnético externo. [50] Estos materiales Janus encontrarán aplicaciones en interruptores ópticos controlados magnéticamente y otras áreas relacionadas. Las primeras aplicaciones reales de las nanopartículas de Janus fueron en la síntesis de polímeros . En 2008, las nanopartículas esféricas anfifílicas de Janus, que tienen un lado de poliestireno y un lado de poli(metacrilato de metilo) , demostraron ser eficaces como agentes compatibilizadores de compatibilización a escala de multigramos de dos mezclas de polímeros inmiscibles, poliestireno y poli(metacrilato de metilo). [17] Las nanopartículas de Janus se orientaron en la interfaz de las dos fases poliméricas, incluso en condiciones de alta temperatura y cizallamiento, permitiendo la formación de dominios mucho más pequeños de poli(metacrilato de metilo) en una fase de poliestireno. El rendimiento de las nanopartículas de Janus como agentes compatibilizantes fue significativamente superior al de otros compatibilizadores de última generación, como los copolímeros de bloques lineales .

Estabilizadores en emulsiones.

Se demostró una aplicación similar de las nanopartículas de Janus como estabilizadores en la polimerización en emulsión . En 2008, se aplicaron por primera vez nanopartículas esféricas anfifílicas de Janus a la polimerización en emulsión de estireno y acrilato de n-butilo. [51] La polimerización no requirió aditivos ni técnicas de polimerización en miniemulsión, como lo hacen otras polimerizaciones en emulsión de Pickering. Además, al aplicar nanopartículas de Janus, la polimerización en emulsión produjo tamaños de partículas muy bien controlados con bajas polidispersidades.

Catalizador de interfase de Janus

El catalizador de interfase Janus es una nueva generación de catalizadores heterogéneos, que es capaz de realizar reacciones orgánicas en la interfaz de dos fases mediante la formación de una emulsión de Pickering. [52]

Catalizador en la descomposición del peróxido de hidrógeno.

En 2007, se utilizaron por primera vez nanopartículas esféricas de poliestireno Janus con un lado recubierto de platino para catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ). [53] [54] La partícula de platino cataliza la reacción química de la superficie: 2H 2 O 2 → O 2 + 2H 2 O. La descomposición del peróxido de hidrógeno creó los nanomotores catalíticos Janus, cuyo movimiento se analizó experimental y teóricamente mediante análisis. Técnicas y simulaciones por ordenador. Se descubrió que el movimiento de las nanopartículas esféricas de Jano concuerda con las predicciones de los hallazgos teóricos. En última instancia, los nanomotores catalíticos tienen aplicaciones prácticas para entregar cargas químicas en chips de microfluidos , eliminar la contaminación en medios acuáticos, eliminar sustancias químicas tóxicas dentro de sistemas biológicos y realizar procedimientos médicos.

En 2013, basándose en los resultados de una simulación por computadora, se demostró que las partículas de Janus autopropulsadas se pueden utilizar para la demostración directa del fenómeno de desequilibrio, el efecto trinquete . El trinquete de partículas de Janus puede ser órdenes de magnitud más fuerte que el de los trinquetes de potencial térmico ordinario y, por lo tanto, fácilmente accesible experimentalmente. En particular, se puede inducir el bombeo autónomo de una gran mezcla de partículas pasivas simplemente añadiendo una pequeña fracción de partículas de Janus. [55]

Fibras repelentes al agua

En 2011, se demostró que las nanopartículas de Janus eran aplicables en textiles. Las fibras repelentes al agua se pueden preparar recubriendo tela de tereftalato de polietileno con nanopartículas esféricas anfifílicas de Janus. [15] Las partículas de Janus se unen al lado reactivo hidrófilo de la superficie textil, mientras que el lado hidrófobo está expuesto al medio ambiente, proporcionando así un comportamiento repelente al agua. Se descubrió que un tamaño de partícula Janus de 200 nm se depositaba en la superficie de las fibras y era muy eficaz para el diseño de textiles repelentes al agua.

Aplicaciones en ciencias biológicas

Los avances revolucionarios en las ciencias biológicas han llevado a un impulso hacia materiales hechos a medida con propiedades físicas y químicas diseñadas con precisión a nivel de nanoescala. Intrínsecamente, las nanopartículas de Janus desempeñan un papel crucial en tales aplicaciones. En 2009, se informó sobre un nuevo tipo de material biohíbrido compuesto de nanopartículas de Janus con afinidad espacialmente controlada hacia las células endoteliales humanas. [16] Estas nanopartículas se sintetizaron mediante modificación selectiva de la superficie con un hemisferio que exhibe una alta afinidad de unión por las células endoteliales humanas y el otro hemisferio es resistente a la unión celular. Las nanopartículas de Janus se fabricaron mediante chorro electrohidrodinámico de dos soluciones líquidas de polímeros. Cuando se incubaron con células endoteliales humanas, estas nanopartículas de Janus mostraron el comportamiento esperado, donde una cara se une a las células endoteliales humanas, mientras que la otra cara no se une. Estas nanopartículas de Janus no sólo se unen a la parte superior de las células endoteliales humanas, sino que también se asocian alrededor de todo el perímetro de las células formando un revestimiento de una sola partícula. La biocompatibilidad entre las nanopartículas de Janus y las células fue excelente. El concepto es diseñar eventualmente sondas basadas en nanopartículas de Janus para obtener información direccional sobre las interacciones célula-partícula.

Nanocorales

En 2010, se presentó un nuevo tipo de sonda celular sintetizada a partir de nanopartículas de Janus llamada nanocoral, que combina la focalización celular específica y la detección biomolecular. [56] El nanocoral está compuesto de poliestireno y hemisferios de oro. El hemisferio de poliestireno del nanocoral se funcionalizó selectivamente con anticuerpos para apuntar a receptores de células específicas. Esto se demostró funcionalizando la región de poliestireno con anticuerpos que se unían específicamente a las células de cáncer de mama. La región dorada de la superficie del nanocoral se utilizó para la detección y la obtención de imágenes. Por lo tanto, los mecanismos de orientación y detección se desacoplaron y pudieron diseñarse por separado para un experimento en particular. Además, la región de poliestireno también se puede utilizar como portador de fármacos y otros productos químicos mediante adsorción o encapsulación hidrófoba de superficie, lo que convierte al nanocoral en un posible nanosensor multifuncional .

Terapia de imagen y magnetolítica.

También en 2010, las nanopartículas de Janus sintetizadas a partir de nanopartículas magnéticas hidrófobas en un lado y poli (alcohol alílico en bloque de estireno) en el otro lado se utilizaron para terapia magnetolítica y de imágenes. [18] El lado magnético de las nanopartículas de Janus respondió bien a los estímulos magnéticos externos. Las nanopartículas se adhirieron rápidamente a las superficies de las células mediante un campo magnético. La terapia magnetolítica se logró mediante daño de la membrana celular modulado por un campo magnético. Primero, las nanopartículas se pusieron en contacto con las células tumorales y luego se aplicó un campo magnético giratorio. Después de 15 minutos, la mayoría de las células tumorales fueron destruidas. Las nanopartículas magnéticas de Janus podrían servir como base para posibles aplicaciones en medicina y electrónica. Las respuestas rápidas a los campos magnéticos externos podrían convertirse en un enfoque eficaz para la obtención de imágenes dirigidas, la terapia in vitro e in vivo y el tratamiento del cáncer. Del mismo modo, también es deseable una respuesta rápida a los campos magnéticos para fabricar pantallas inteligentes, lo que abre nuevas oportunidades en la electrónica y la espintrónica .

En 2011, se prepararon en un solo paso nanopartículas de Janus recubiertas de sílice, compuestas de óxido de plata y óxido de hierro (Fe 2 O 3 ), con tecnología de aerosol de llama escalable. [57] Estas nanopartículas híbridas plasmónico-magnéticas tienen propiedades que son aplicables en bioimagen, administración dirigida de fármacos, diagnóstico in vivo y terapia. El propósito de la capa nanofina de SiO 2 era reducir la liberación de iones Ag + tóxicos desde la superficie de las nanopartículas a las células vivas. Como resultado, estas nanopartículas híbridas no mostraron citotoxicidad durante la bioimagen y permanecieron estables en suspensión sin signos de aglomeración o sedimentación, lo que permitió que estas nanopartículas se convirtieran en sondas multifuncionales biocompatibles para la bioimagen. A continuación, al etiquetar sus superficies y unirlas selectivamente a la membrana de células Raji y HeLa marcadas vivas , se demostró que las nanopartículas son biomarcadores y se logró su detección bajo iluminación de campo oscuro. Estas nuevas nanopartículas híbridas de Janus superaron las limitaciones individuales de las nanopartículas de Fe 2 O 3 (mala estabilidad de las partículas en suspensión) y de Ag (toxicidad), conservando al mismo tiempo las propiedades magnéticas deseadas del Fe 2 O 3 y las propiedades ópticas plasmónicas de la Ag .

Aplicaciones en electrónica

La posible aplicación de las partículas de Janus fue demostrada por primera vez por Nisisako et al. , quien aprovechó la anisotropía eléctrica de partículas de Jano llenas de pigmentos blancos y negros en ambos hemisferios. [58] Estas partículas se utilizaron para hacer pantallas conmutables colocando una capa delgada de estas esferas entre dos electrodos . Al cambiar el campo eléctrico aplicado , las partículas orientan sus lados negros hacia el ánodo y sus lados blancos hacia el cátodo . De este modo, la orientación y el color de la pantalla se pueden cambiar simplemente invirtiendo el campo eléctrico. Con este método, es posible fabricar pantallas muy delgadas y respetuosas con el medio ambiente.

Las partículas de grafeno Janus se han utilizado en baterías experimentales de iones de sodio para aumentar la densidad de energía . Un lado proporciona sitios de interacción mientras que el otro proporciona separación entre capas. La densidad de energía alcanzó los 337 mAh/g. [59]

Ver también

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