Hispanopedia WikiLas nanopartículas cerámicas son un tipo de nanopartícula compuesta de cerámica , que generalmente se clasifica como sólidos inorgánicos, resistentes al calor y no metálicos, que pueden estar formados por compuestos metálicos y no metálicos. Este material ofrece propiedades únicas. Las cerámicas a macroescala son frágiles y rígidas, y se rompen al impacto. Sin embargo, las nanopartículas cerámicas presentan una mayor variedad de funciones, [ 1 ] incluyendo propiedades dieléctricas , ferroeléctricas , piezoeléctricas , piroeléctricas , ferromagnéticas , magnetorresistivas , superconductoras y electroópticas .
Las nanopartículas cerámicas se descubrieron a principios de la década de 1980. Se formaron mediante un proceso llamado sol-gel , que consiste en mezclar nanopartículas en una solución y gel para formar la nanopartícula. Métodos posteriores incluyeron la sinterización (presión y calor, por ejemplo, prensado isostático en caliente ). El material es tan pequeño que prácticamente no presenta defectos. Los materiales de mayor tamaño tienen defectos que los hacen quebradizos.
En 2014, investigadores anunciaron un proceso láser que utilizaba polímeros y partículas cerámicas para formar una nanoestructura reticular. Esta estructura era capaz de recuperar su forma original tras ser aplastada repetidamente.
Las nanopartículas cerámicas se han utilizado como mecanismo de administración de fármacos en varias enfermedades, incluidas las infecciones bacterianas, el glaucoma y, más comúnmente, la administración de quimioterapia en el tratamiento experimental del cáncer . [ 2 ]
Propiedades
Las nanopartículas cerámicas poseen propiedades únicas debido a su tamaño y estructura molecular. Estas propiedades se manifiestan a menudo en diversos fenómenos de física eléctrica y magnética, entre los que se incluyen:
- Dieléctrico : Un aislante eléctrico que puede polarizarse (con los electrones alineados de manera que exista un lado negativo y un lado positivo del compuesto) mediante un campo eléctrico para acortar la distancia de transferencia de electrones en una corriente eléctrica.
- Ferroeléctricos : materiales dieléctricos que se polarizan en más de una dirección (los lados negativo y positivo se pueden invertir mediante un campo eléctrico).
- Piezoeléctricos : materiales que acumulan una carga eléctrica bajo tensión mecánica.
- Piroeléctrico : material que puede producir un voltaje temporal ante un cambio de temperatura.
- Ferromagnético : materiales que pueden mantener un campo magnético después de la magnetización.
- Magnetorresistivo : materiales que cambian su resistencia eléctrica bajo la acción de un campo magnético externo.
- Superconductores : materiales que presentan resistencia eléctrica nula cuando se enfrían a una temperatura crítica.
- Electroóptica : materiales que cambian sus propiedades ópticas bajo la acción de un campo eléctrico.
Nanotruss
La nanopartícula cerámica está compuesta en más del 85 % de aire y es muy ligera, resistente, flexible y duradera. La nanoestructura fractal es una arquitectura nanoestructural [ 3 ] hecha de alúmina u óxido de aluminio . Su compresión máxima es de aproximadamente 1 micrón desde un espesor de 50 nanómetros. Tras su compresión, puede recuperar su forma original sin sufrir daños estructurales.
Síntesis
Sol-gel
Un proceso para fabricar nanocerámicas es el proceso sol-gel , también conocido como deposición química en solución. Este proceso implica una solución química, o sol, compuesta de nanopartículas en fase líquida y un precursor , generalmente un gel o polímero, formado por moléculas inmersas en un disolvente . El sol y el gel se mezclan para producir un material de óxido, que generalmente es un tipo de cerámica. El exceso de producto (un disolvente líquido) se evapora. Las partículas deseadas se calientan en un proceso llamado densificación para producir un producto sólido. [ 4 ] Este método también se puede aplicar para producir un nanocompuesto calentando el gel sobre una película delgada para formar una capa nanocerámica sobre la película.
Litografía de dos fotones
Este proceso utiliza una técnica láser denominada litografía de dos fotones para grabar un polímero y crear una estructura tridimensional. El láser endurece las zonas que toca, dejando el resto sin endurecer. El material sin endurecer se disuelve para formar una capa protectora. Esta capa se recubre con cerámica, metales, vidrio metálico, etc. En su estado final, la nanoestructura cerámica [ 5 ] puede aplanarse y recuperar su forma original.
Sinterización
En otro enfoque, se utilizó la sinterización para consolidar polvos nanocerámicos a altas temperaturas. Esto dio como resultado un material rugoso que daña las propiedades de la cerámica y requiere más tiempo para obtener el producto final. Esta técnica también limita las posibles geometrías finales. La sinterización por microondas se desarrolló para superar estos problemas. La radiación se produce mediante un magnetrón , que genera ondas electromagnéticas para hacer vibrar y calentar el polvo. Este método permite que el calor se transfiera instantáneamente a través de todo el volumen del material en lugar de desde el exterior hacia el interior. [ 1 ]
El nanoparticulado se coloca en una caja aislante compuesta de placas de baja aislación para permitir el paso de las microondas. La caja aumenta su temperatura para facilitar la absorción. Dentro de la caja hay detectores que absorben las microondas a temperatura ambiente para iniciar el proceso de sinterización. Las microondas calientan los detectores a unos 600 °C, temperatura suficiente para que la nanocerámica absorba las microondas.
Historia
A principios de la década de 1980, se formaron las primeras nanopartículas, específicamente nanocéramicas, mediante el método sol-gel . Este proceso fue reemplazado por la sinterización a principios de la década de 2000 y posteriormente por la sinterización por microondas. Ninguna de estas técnicas resultó adecuada para la producción a gran escala.
En 2002, los investigadores intentaron aplicar ingeniería inversa a la microestructura de las conchas marinas para fortalecer la cerámica. [ 6 ] Descubrieron que la durabilidad de las conchas marinas proviene de su "microarquitectura". La investigación comenzó a centrarse en cómo la cerámica podría emplear dicha arquitectura.
En 2012, los investigadores replicaron la estructura de la esponja marina utilizando cerámica [ 7 ] y la nanoarquitectura denominada nanotruss [ 5 ] . Hasta 2015, el resultado más grande obtenido fue un cubo de 1 mm. La estructura reticular se comprime hasta un 85 % de su grosor original y puede recuperar su forma original. Estas estructuras reticulares se estabilizan en triángulos con travesaños para garantizar su integridad estructural y flexibilidad.
Aplicaciones
La tecnología médica utiliza nanopartículas cerámicas para la reparación ósea. Se ha sugerido su uso en áreas como el suministro y almacenamiento de energía, las comunicaciones, los sistemas de transporte, la construcción y la tecnología médica. Sus propiedades eléctricas podrían permitir eficiencias de transferencia de energía cercanas al 100%. Las nanoestructuras podrían aplicarse eventualmente como materiales de construcción, reemplazando el hormigón o el acero. [ 8 ] [ 9 ]
Referencias
- 1 2 Abdelrazek Khalil, Khalil (abril de 2012). "Sinterización avanzada de materiales nanocerámicos" (PDF) . Materiales cerámicos: progreso en la cerámica moderna . doi : 10.5772/38287 . ISBN 978-953-51-0476-6.
- ↑ Thomas, SC; Harshita; Mishra, PK; Talegaonkar, S (2015). "Nanopartículas cerámicas: métodos de fabricación y aplicaciones en la administración de fármacos". Current Pharmaceutical Design . 21 (42): 6165– 88. doi : 10.2174/1381612821666151027153246 . PMID 26503144 .
- ↑ Fesenmaier, Kimm. "La cerámica no tiene por qué ser frágil" . Caltech . Archivado del original el 14 de septiembre de 2014. Consultado el 11 de septiembre de 2014 .
- ↑ Wang, Chen-Chi; Ying, Jackie Y. (15 de septiembre de 1999). "Síntesis sol-gel y procesamiento hidrotermal de nanocristales de dióxido de titanio anatasa y rutilo". Química de los materiales . 11 (11): 3113–20 . doi : 10.1021/cm990180f .
- 1 2 Fesenmaier, Kimm. "Miniature Truss Work" . Caltech . Archivado del original el 28 de mayo de 2014. Recuperado el 23 de mayo de 2014 .
- ↑ Claire Diop, Julie (diciembre de 2002). "I+D 2002: Nanocerámica" . MIT Technology Review . Consultado el 1 de diciembre de 2002 .
- ↑ Fesenmaier, Kimm. "Materiales a medida" . Caltech . Archivado del original el 8 de septiembre de 2013. Consultado el 5 de septiembre de 2013 .
- ↑ Nissan, Ben (enero de 2014). "Nanocerámicas en aplicaciones biomédicas" . MRS Bulletin . 29 (1): 28–32 . doi : 10.1557/mrs2004.13 . hdl : 10453/4163 .
- ↑ Guía de recubrimientos cerámicos
- Nanopartículas por composición
- Ingeniería cerámica
- Materiales cerámicos