Las nanopartículas son partículas de materias cuyas dimensiones características en las tres dimensiones de espacio están comprendidas entre uno y varios cientos de nm. Pueden existir acumulaciones de átomos todavía más pequeñas, pero en este caso (< 1 nm) se les denomina clústeres. Actualmente las nanopartículas son objeto de una actividad investigadora muy intensa debido a sus posibles aplicaciones en campos como la biomedicina, la electrónica, la fabricación de dispositivos ópticos, la alimentación, la agricultura, etc. Estas aplicaciones son el resultado de las propiedades sorprendentes que presentan las nanopartículas, que a menudo son muy distintas de las que tiene el mismo material constituyente cuando se encuentra formando cristales de mayor tamaño, de escala al menos micrométrica. ¿A qué se deben entonces estas propiedades tan características? La respuesta está íntimamente ligada con el tamaño tan pequeño. Podemos analizar algunas de sus características más singulares, como pueden ser su alta área específica, su altísima resistencia mecánica o sus propiedades ópticas.
Las nanopartículas se caracterizan por presentar una enorme superficie expuesta por unidad de volumen o de masa. Esto es una consecuencia directa de su pequeñísimo tamaño y se basa en un argumento puramente geométrico. A modo de ejemplo, podemos mencionar que 1 kg de partículas de 1 mm3 tendría la misma superficie expuesta que tan solo 1 mg de nanopartículas de 1 nm3. Muchas propiedades interesantes o aplicaciones dependen directamente de la superficie expuesta de un material. Un ejemplo típico es el de la catálisis heterogénea sobre metales donde transcurren ciertas reacciones químicas que en otras condiciones no tendrían lugar. Por eso las nanopartículas de metales preciosos a menudo se comportan como excelentes catalizadores debido a la gran cantidad de centros activos que poseen en su superficie expuesta.
Las propiedades mecánicas constituyen también otro ejemplo de la importancia del tamaño de los cristales. En general, casi todas las propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción o compresión, la flexión, la fatiga, la tenacidad a la fractura, etc. (con la notable excepción de la fluencia a alta temperatura) mejoran cuanto más pequeño es el tamaño de los granos debido a que las deformaciones ocurren debido a la difusión de dislocaciones (y otros defectos puntuales) a través de la estructura cristalina. Esta difusión no ocurre entre las fronteras de grano, por lo que cuanto más pequeños son los cristales que constituyen el material mayor será su resistencia con carácter general. Así que las nanopartículas presentan unas propiedades mecánicas excepcionales debido a su tamaño tan pequeño y a que sus concentraciones de defectos son muy bajas.
Sus propiedades ópticas son realmente sorprendentes. Esto se debe a que las nanopartículas son tan pequeñas que a esa escala se empiezan a manifestar fenómenos cuánticos. Como es sabido, las leyes de la mecánica cuántica rigen el comportamiento de los objetos muy pequeños y a menudo pasan completamente desapercibidas en el mundo macroscópico. Algunas nanopartículas son tan pequeñas que pueden confinar electrones en espacios tan reducidos como para empezar a observarse efectos cuánticos claramente responsables de algunas de sus propiedades ópticas, que varían fuertemente con el tamaño y la forma como vemos en la parte superior de la figura 10.17.
Simplemente el color de una suspensión de nanopartículas de oro se ve influenciado por aspectos geométricos de las nanopartículas, como su tamaño, su relación de aspecto y otros, o incluso por la concentración. Estas variaciones son especialmente sensibles a algunos factores externos como el pH o la presencia de otras especies. En concreto, la presencia de trazas del ion Hg(II) provoca cambios de color apreciables y cuantificables en algunas suspensiones de nanopartículas de oro incluso en concentraciones de 10–7 M, como se muestra en la parte inferior de la figura 10.17.
Actualmente las nanopartículas pueden sintetizarse mediante diferentes técnicas, que pueden englobarse en rutas de tipo físico, químico o biológico[3]. Los métodos físicos incluyen procesos como la deposición de vapores, la condensación en atmósfera inerte, la molienda o diferentes técnicas que involucran el uso de láseres. Por otro lado, los métodos químicos se basan en la producción sol-gel, la síntesis hidrotermal, la microemulsión o la deposición química en fase vapor. A menudo, los métodos químicos dan como resultado una dispersión coloidal de nanopartículas en un líquido mientras que los métodos físicos suelen conducir a ordenamientos de nanopartículas en algún tipo de superficie o sustrato que hace de soporte. En cualquier caso, los métodos modernos de producción han alcanzado un alto grado de perfeccionamiento y es posible obtener nanopartículas con formas bien definidas y con una precisión asombrosa. En la figura 10.18 vemos varias microfotografías con nanopartículas de oro cristalinas de formas diversas: rombododecaedro, octaedros o cubos. Esto se controla a través de la orientación cristalográfica con la que crecen las nanopartículas en las fases iniciales del crecimiento.
Aunque las nanopartículas de oro han sido ampliamente estudiadas, se pueden producir en general nanopartículas de cualquier metal, y también de compuestos inorgánicos como óxidos, o incluso de naturaleza orgánica. De este modo pueden conseguirse nanopartículas con propiedades metálicas, semiconductoras o aislantes, y en todos los casos, en mayor o menor medida, se puede controlar la morfología.
Además, a menudo las nanopartículas no están hechas exclusivamente de un único material, sino que tienen carácter híbrido y suelen denominarse como de núcleo y corteza (core/shell, en inglés). Estas partículas constan de un núcleo de un material y una corteza de otro, muy frecuentemente de naturaleza bastante distinta. Este tipo de nanopartículas híbridas o compuestas son las preferidas para muchas aplicaciones[5]. Normalmente, la parte interior tiene una determinada funcionalidad, como presentar ciertas propiedades magnéticas o eléctricas, mientras que el revestimiento, que queda expuesto, resulta crucial para determinar algunas propiedades finales como la estabilidad, la solubilidad o la biocompatibilidad. Por ejemplo, una línea de investigación moderna consiste en encontrar nanopartículas magnéticas totalmente biocompatibles para tratar tumores malignos. A este tratamiento se le conoce como hipertermia, ya que mediante la aplicación de campos magnéticos se aumenta la temperatura de las nanopartículas una vez que han alcanzado las células dañadas por el cáncer, produciendo un incremento de la temperatura local que acabaría con la proliferación de células malignas sin afectar profundamente a las células sanas. Este procedimiento tiene también otras aplicaciones biomédicas aparte del tratamiento del cáncer. En estas aplicaciones biomédicas, las partículas se fabrican con un núcleo que suele ser de ferrita u otro material con propiedades magnéticas mientras que la corteza tiene que ser de un material biocompatible y soluble. Es más, las nanopartículas en aplicaciones como esta deben funcionalizarse con grupos químicos que se enlazan a la superficie para hacer posible una interacción selectiva y altamente específica de las nanopartículas exclusivamente con las células dañadas o de determinados tejidos y no con las partes sanas[6].
[1] E. C. Dreaden et al. Chem. Soc. Rev. 41 (2012) 2740-2779. https://doi.org/10.1039/C1CS15237H.
[2] S. Anandhakumar et al. Analyst 139 (2014) 3356-3359. https://doi.org/10.1039/C4AN00480A.
[3] Información más detallada sobre síntesis y producción de nanopartículas en C. Dhand et al. RSC Adv. 5 (2015) 105003-105037. https://doi.org/10.1039/C5RA19388E.
[4] Adaptado de W. Niu et al. J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 697-703. https://doi.org/10.1021/ja804115r.
[5] R. G. Chaudhuri y S. Paria: Chem. Rev. 112 (2012) 2373-2433. https://doi.org/10.1021/cr100449n.
[6] Más información sobre aplicaciones de nanopartículas magnéticas en hipertermia puede encontrarse en la revisión E. A. Périgo et al. Appl. Phys. Rev. 2 (2015) 041302 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4935688.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
