Nanopartícula de dióxido de titanio

Las nanopartículas de dióxido de titanio , también llamadas dióxido de titanio ultrafino o dióxido de titanio nanocristalino o dióxido de titanio microcristalino , son partículas de dióxido de titanio ( TiO ₂ ) con diámetros inferiores a 100 nm . El TiO ₂ ultrafino se utiliza en protectores solares debido a su capacidad de bloquear la radiación ultravioleta sin dejar de ser transparente en la piel. Tiene una estructura cristalina de rutilo y está recubierto de sílice o/y alúmina para evitar fenómenos fotocatalíticos. Los riesgos para la salud del TiO ₂ ultrafino por exposición dérmica en piel intacta se consideran extremadamente bajos, ^[1] y se considera más seguro que otras sustancias utilizadas para la protección ultravioleta .

Las partículas nanométricas de dióxido de titanio tienden a formarse en la fase anatasa metaestable , debido a la menor energía superficial de esta fase, en relación con la fase rutilo de equilibrio. ^[2] Las superficies de dióxido de titanio ultrafino en la estructura de anatasa tienen propiedades esterilizantes fotocatalíticas , que lo hacen útil como aditivo en materiales de construcción, por ejemplo en recubrimientos antivaho y ventanas autolimpiantes .

En el contexto de los trabajadores de producción _de TiO2 , la exposición por inhalación presenta potencialmente un riesgo de cáncer de pulmón, y los controles de riesgos estándar para nanomateriales son relevantes para las nanopartículas _de TiO2 .

De los tres polimorfos comunes de TiO ₂ (formas cristalinas), las nanopartículas de TiO ₂ se producen en las formas rutilo y anatasa . A diferencia de las partículas de TiO ₂ más grandes , las nanopartículas de TiO ₂ son transparentes en lugar de blancas. Las características de absorción ultravioleta dependen del tamaño del cristal de dióxido de titanio, y las partículas ultrafinas tienen una fuerte absorción tanto contra la radiación ultravioleta A (320-400 nm) como contra la radiación ultravioleta B (280-320 nm). ^[3] La absorción de luz en el rango ultravioleta ocurre debido a la presencia de excitones fuertemente ligados. ^[4] La función de onda de estos excitones tiene un carácter bidimensional y se extiende en el plano {001}.

_{Las nanopartículas de} TiO2 tienen actividad fotocatalítica ^[5] _: ^{82  [6]} Es un semiconductor de tipo n y su brecha de banda entre las bandas de valencia y conductividad es más amplia que la de muchas otras sustancias. La fotocatálisis de TiO2 es una función compleja de las características físicas de las partículas. Dopando TiO2 con ciertos _átomos se podría mejorar su actividad fotocatalítica. ^[7]

_{Por el contrario, el} TiO2 de grado pigmento generalmente tiene un tamaño de partícula medio en el rango de 200 a 300 nm. ^{[5] : 1–2} Debido a que los polvos _de TiO2 contienen un rango de tamaños, pueden tener una fracción de partículas a nanoescala incluso si el tamaño de partícula promedio es mayor. ^[8] A su vez, las partículas ultrafinas generalmente forman aglomerados y el tamaño de partícula podría ser mucho mayor que el tamaño del cristal.

La mayor parte del dióxido de titanio a nanoescala fabricado se sintetiza mediante el proceso de sulfato, el proceso de cloruro o el proceso sol-gel . ^[9] En el proceso de sulfato, la anatasa o rutilo TiO2 se produce mediante la digestión de ilmenita ( FeTiO3 ) o escoria de titanio con ácido sulfúrico . La forma ultrafina de anatasa se precipita a _{partir de la solución de sulfato y el} rutilo ultrafino a partir de la solución de cloruro.

En el proceso de cloruro, el rutilo natural o sintético se clora a temperaturas de 850 a 1000 °C, y el tetracloruro de titanio se convierte en la forma anatasa ultrafina mediante oxidación en fase de vapor. ^{[5] : 1–2}

No es posible convertir el TiO2 pigmentario _en TiO2 ultrafino mediante molienda. El dióxido de titanio ultrafino se puede obtener mediante diferentes tipos de procesos, como _el método de precipitación , la reacción en fase gaseosa , el método sol-gel y el método de deposición de capas atómicas .

_{Se cree que el} TiO2 ultrafino es uno de los tres nanomateriales más producidos, junto con las nanopartículas de dióxido de silicio y las nanopartículas de óxido de zinc . ^{[8] [10] [11]} Es el segundo nanomaterial más publicitado en productos de consumo, detrás de las nanopartículas de plata . ^[12] Debido a su largo uso como producto químico básico , el TiO2 _puede considerarse un "nanomaterial heredado". ^{[13] [14]}

_El TiO2 ultrafino se utiliza en protectores solares debido a su capacidad de bloquear la radiación ultravioleta y permanecer transparente en la piel. ^{[15] Las partículas} _de TiO2 utilizadas en protectores solares suelen tener tamaños en el rango de 5 a 50 nm. ^[3]

El TiO ₂ ultrafino se utiliza en viviendas y construcción como aditivo para pinturas, plásticos, cementos, ventanas, azulejos y otros productos por su absorción ultravioleta y propiedades esterilizantes fotocatalíticas , por ejemplo, en recubrimientos antivaho y ventanas autolimpiantes . ^{[6] Las nanopartículas} de TiO ₂ diseñadas también se utilizan en diodos emisores de luz y células solares. ^{[5] : 82} Además, la actividad fotocatalítica del TiO ₂ se puede utilizar para descomponer compuestos orgánicos en aguas residuales. ^{[3] Los productos de nanopartículas} de TiO ₂ a veces se recubren con sílice o alúmina , o se dopan con otro metal para aplicaciones específicas. ^{[5] : 2  [9]}

En el caso de los protectores solares, los riesgos para la salud derivados de la exposición dérmica en piel intacta se consideran extremadamente bajos y se ven compensados ​​por el riesgo de daño por radiación ultravioleta , incluido el cáncer por no usar protector solar. ^{[15] Las nanopartículas de} TiO ₂ se consideran más seguras que otras sustancias utilizadas para la protección ultravioleta . ^[6] Sin embargo, existe la preocupación de que las abrasiones o erupciones cutáneas, o la ingestión accidental de pequeñas cantidades de protector solar, sean posibles vías de exposición. ^[15] Los cosméticos que contienen nanomateriales no están obligados a estar etiquetados en los Estados Unidos, ^[15] aunque sí lo están en la Unión Europea. ^[16]

La exposición por inhalación es la vía más común de exposición a partículas en suspensión en el aire en el lugar de trabajo. ^[17] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los EE. UU. ha clasificado _el TiO2 ultrafino inhalado como un carcinógeno ocupacional potencial debido al riesgo de cáncer de pulmón en estudios en ratas, con un límite de exposición recomendado de 0,3 mg/m3 ^como promedio ponderado en el tiempo durante hasta 10 horas/día durante una semana laboral de 40 horas. Esto contrasta con el TiO2 fino ₍ que tiene tamaños de partículas inferiores a ~4 μm), que no tenía pruebas suficientes para clasificarlo como un carcinógeno ocupacional potencial, y tiene un límite de exposición recomendado más alto de 2,4 mg/m3 _. ^{La respuesta del tumor pulmonar observada en ratas expuestas al} TiO2 ultrafino resultó de un mecanismo genotóxico secundario relacionado con la forma física de la partícula inhalada, como su área de superficie, en lugar del compuesto químico en sí, aunque no hubo pruebas suficientes para corroborarlo en humanos. ^{[5] : 73–78} Además, si fueran combustibles, al estar finamente dispersas en el aire y en contacto con una fuente de ignición suficientemente fuerte, las nanopartículas de TiO ₂ pueden presentar un peligro de explosión de polvo . ^[6]

Los controles y procedimientos estándar para los riesgos para la salud y la seguridad de los nanomateriales son relevantes para las nanopartículas de TiO ₂ ^{. [5] : 82} La eliminación y la sustitución , los enfoques más deseables para el control de riesgos , pueden ser posibles mediante la elección de propiedades de la partícula como el tamaño , la forma , la funcionalización y el estado de aglomeración / agregación para mejorar sus propiedades toxicológicas mientras se conserva la funcionalidad deseada, ^[18] o reemplazando un polvo seco con una suspensión en un solvente líquido para reducir la exposición al polvo. ^[19] Los controles de ingeniería , principalmente los sistemas de ventilación como las campanas extractoras y las cajas de guantes , son la clase principal de controles de riesgos en el día a día. ^[17] Los controles administrativos incluyen la capacitación sobre las mejores prácticas para la manipulación, el almacenamiento y la eliminación seguros de los nanomateriales , el etiquetado y la señalización de advertencia adecuados, y el fomento de una cultura de seguridad general . ^[19] Los equipos de protección personal que normalmente se utilizan para productos químicos típicos también son apropiados para nanomateriales, incluidos pantalones largos, camisas de manga larga, zapatos cerrados, guantes de seguridad , gafas protectoras y batas de laboratorio impermeables , ^[17] y en algunas circunstancias se pueden utilizar respiradores . ^{[18] Los métodos} de evaluación de la exposición incluyen el uso de contadores de partículas , que monitorean la cantidad en tiempo real de nanomateriales y otras partículas de fondo; y muestras basadas en filtros, que se pueden usar para identificar el nanomaterial, generalmente utilizando microscopía electrónica y análisis elemental . ^{[18] [20]}

Los protectores solares que contienen nanopartículas de TiO ₂ pueden filtrarse en cuerpos de agua naturales o ingresar a aguas residuales cuando las personas se duchan. ^{[8] [15]} Los estudios han indicado que las nanopartículas de TiO ₂ pueden dañar a las algas y a los animales y pueden bioacumularse y bioconcentrarse . ^[15] La Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. generalmente no considera las propiedades físicas como el tamaño de partícula al clasificar sustancias y regula las nanopartículas de TiO ₂ de manera idéntica a otras formas de TiO ₂ . ^[6]

Se ha descubierto que el dióxido de titanio es tóxico para las plantas y los organismos pequeños, como gusanos, nematodos y pequeños artrópodos . ^[21] La toxicidad de las nanopartículas de TiO ₂ en los nematodos aumenta con un diámetro de nanopartícula más pequeño, específicamente nanopartículas de 7 nm en relación con las nanopartículas de 45 nm, pero el crecimiento y la reproducción aún se ven afectados independientemente del tamaño de la nanopartícula de TiO _2. ^[21] La liberación de dióxido de titanio en el suelo puede tener un efecto perjudicial en el ecosistema en el lugar debido a su obstáculo a la proliferación y supervivencia de los invertebrados del suelo ; causa apoptosis y atrofia el crecimiento, la supervivencia y la reproducción de estos organismos. Estos invertebrados son responsables de la descomposición de la materia orgánica y la progresión del ciclo de nutrientes en el ecosistema circundante. Sin la presencia de estos organismos, la composición del suelo se vería afectada. ^[21]

ISO /TS 11937 es un estándar de metrología para medir varias características del polvo de dióxido de titanio seco relevante para la nanotecnología: la estructura cristalina y la relación anatasa-rutilo se pueden medir usando difracción de rayos X , los tamaños promedio de partículas y cristalitos usando difracción de rayos X o microscopía electrónica de transmisión , y el área de superficie específica usando el método de adsorción de gas Brunauer-Emmet-Teller . ^{[9] [22]} Para la evaluación de la exposición en el lugar de trabajo , el Método NIOSH 0600 para mediciones de concentración de masa de partículas finas se puede utilizar para nanopartículas usando un muestreador selectivo de tamaño de partícula apropiado, y si se conoce la distribución de tamaño, entonces el área de superficie se puede inferir a partir de la medición de masa. ^{[5] : 79  [23]} El Método NIOSH 7300 permite distinguir el TiO2 de otros aerosoles mediante _análisis elemental usando espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente . Los métodos de microscopía electrónica equipados con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva también pueden identificar la composición y el tamaño de las partículas. ^{[5] : 79  [24]}

El NIST SRM 1898 es un material de referencia que consiste en un polvo seco de nanocristales _de TiO2 . Está pensado como un punto de referencia en estudios ambientales o toxicológicos, y para calibrar instrumentos que miden el área superficial específica de nanomateriales mediante el método Brunauer–Emmet–Teller. ^{[22] [25] [26] [27]}