Los nanomateriales con un mínimo de una dimensión en la nanoescala se conocen como nanocapas. Algunos ejemplos son películas delgadas y revestimientos superficiales. Los nanomateriales con dos dimensiones en la nanoescala se denominan nanotubos o nanocables. Ejemplos de estos incluyen nanotubos de carbono y nanofibras de carbono. Los nanomateriales con las tres dimensiones en la nanoescala se denominan nanopartículas.
Los nanomateriales se pueden dividir en cuatro tipos: materiales a base de carbono, materiales a base de metales, dendrímeros y compuestos. Las propiedades únicas de los nanomateriales producidos intencionalmente que pertenecen a estas cuatro categorías principales les otorgan características de imagen, térmicas, mecánicas, médicas y comerciales muy buscadas en aplicaciones en varios sectores industriales.
¿Qué son los nanomateriales?
Los nanomateriales son partículas microscópicas con un mínimo de una dimensión externa que mide 100 nanómetros (una millonésima de milímetro) o menos, o con estructuras internas de 100 nanómetros o menos. En comparación, un cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 70.000 nanómetros. Las nanopartículas están presentes en la naturaleza y las células del cuerpo humano necesitan complejos de proteínas de tamaño nanométrico para funcionar correctamente. La ingeniería de nanomateriales es un área de rápido crecimiento con muchas aplicaciones diferentes. Los incendios, los motores diésel y la fabricación de alta energía, incluida la soldadura y el esmerilado, también producen nanopartículas.
¿Para qué se utilizan los nanomateriales?
Los nanomateriales se pueden utilizar para el diseño de productos farmacéuticos dirigidos a órganos y células específicos del cuerpo, p. Ej. Células cancerígenas. Esto hace que la terapia sea más eficaz. También ayudan en el diagnóstico médico, la administración de fármacos y la obtención de imágenes. Se agregan a materiales como tela y cemento, para hacerlos más livianos, pero más fuertes. Su pequeño tamaño significa que son muy útiles en el campo de la electrónica. Y también se unen y ayudan a neutralizar las toxinas como parte de los esfuerzos de limpieza ambiental. Los científicos están muy interesados en los nanomateriales diseñados (ENM) para materiales, estructuras y dispositivos comerciales. Miles de productos de uso diario, como cosméticos, protectores solares, ropa a prueba de manchas, neumáticos y artículos eléctricos, ahora se fabrican con nanomateriales de ingeniería.
Clasificación de nanomateriales según dimensión
Una forma de clasificar los nanomateriales es por el número de dimensiones que no se limitan al rango de nanoescala. Los nanomateriales de dimensión cero tienen todas las dimensiones dentro de la nanoescala. Las dimensiones cero (0D) son mayores que 100 nm. Son las nanopartículas más comunes. Los nanomateriales unidimensionales tienen una dimensión (1D) fuera de la nanoescala. Incluyen nanotubos, nanobarras y nanocables. Los nanomateriales bidimensionales tienen dos dimensiones (2D) que no se limitan a la nanoescala. Incluyen nanofilms, nanocapas y nano revestimientos. Los nanomateriales tridimensionales o nanomateriales a granel tienen las tres dimensiones (3D) fuera de la nanoescala.
Tipos de nanomateriales
Los tipos de nanomateriales basados en carbono se componen principalmente de carbono y tienen la forma de elipsoides, esferas huecas y tubos. Los nanomateriales a base de metales incluyen nanoplata, nano oro, puntos cuánticos y nanoóxidos como el dióxido de titanio. Los dendrímeros son polímeros nanométricos hechos de unidades ramificadas. Y los composites combinan nanopartículas con diferentes nanopartículas o con materiales más grandes y voluminosos.
Nanopartículas
Una nanopartícula es un objeto con las tres dimensiones en la nanoescala, que oscilan entre 1 y 100 nm. Las nanopartículas son especialmente importantes en el sector biomédico y farmacéutico, pero también juegan un papel importante en las tecnologías de almacenamiento de energía. Las nanopartículas de oro, por ejemplo, son de considerable interés debido a su amplio potencial para aplicaciones biomédicas, especialmente el tratamiento del cáncer. Los liposomas y las micelas son excelentes sistemas de administración de fármacos. La terapia con hierro intravenoso comúnmente usa nanopartículas férricas estabilizadas en complejos de hierro-oligosacáridos. Las nanopartículas de ARN se utilizan en vacunas, para el silenciamiento de genes y para el pigmento de TiO2 en protectores solares. Y los investigadores investigan nanopartículas poliiónicas para su uso como material de electrodo en baterías recargables.
Materiales 2D
Uno de los primeros materiales 2D que ha provocado más investigaciones sobre este tipo de materiales es el grafeno. Muchos estudios sobre conversión y almacenamiento de energía han analizado las fascinantes propiedades de los nanomateriales 2D. Pero hay más: las capas de metal, por ejemplo, juegan un papel importante en el rendimiento visual del ensamblaje de la pantalla. Los recubrimientos nanocristalinos de TiO2 se encuentran entre los materiales más comunes para el reemplazo de tejidos duros, ya que brindan propiedades mecánicas y químicas adecuadas. Las monocapas autoensambladas (SAM) son conjuntos formados espontáneamente de moléculas orgánicas adsorbidas en superficies sólidas que a menudo se utilizan para biosensores.
Puntos cuánticos
Los puntos cuánticos son cristales semiconductores artificiales en la nanoescala que pueden transportar electrones. Cuando la luz ultravioleta los golpea, pueden emitir luz en varios colores. Una forma de producir estos materiales es la síntesis coloidal asistida por microondas. Sus usos incluyen células solares, aplicaciones biológicas, pantallas LED, fotodetectores, fotocatalizadores, etc.
Nanocables, nanofibras, nanobarras
Estos materiales tienen dos dimensiones en la nanoescala y se producen mediante síntesis. Mientras que los nanocables se utilizan para diferentes tipos de transistores de efecto de campo, sensores, láseres y más, las aplicaciones de nanofibras más importantes son la ingeniería de tejidos, la administración de fármacos, el diagnóstico de cáncer, los sensores ópticos, la filtración de aire, los textiles, etc. Los nanorods son nanofibras sólidas y son importantes debido a su rendimiento superior en el almacenamiento de energía.
Nanotubos de carbon
Los nanotubos de carbono (CNT) son alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica. Se componen de una (CNT de pared simple) o varias (CNT de paredes múltiples) capas de carbono con una estructura grafítica envuelta alrededor de un núcleo hueco. Tanto las dimensiones de este núcleo como de la pared están en el rango de nanómetros, mientras que la longitud total de los tubos suele ser mucho más larga. Los compuestos de CNT dispersos en materiales de matriz (por ejemplo, polímeros) muestran propiedades novedosas muy interesantes. Esto los hace potencialmente útiles en muchos campos, como la ciencia de los materiales, la electrónica, la óptica y otros.
Nanomateriales biológicos
Los nanomateriales biológicos pueden tener casi todas las formas descritas anteriormente, pero en su mayoría entran en juego como nanopartículas para la administración de fármacos en forma de exosomas o medicina regenerativa o como virus inactivados y partículas similares a virus en vacunas. Los recubrimientos de fármacos poliméricos (usados convencionalmente como una estrategia para la administración controlada y la estabilidad mejorada) también pertenecen a los nanomateriales biológicos.
Suspensiones y dispersiones
Las dispersiones de nanopartículas son suspensiones de nanopartículas en líquidos: agua o disolventes orgánicos. Estas dispersiones se pueden utilizar de diferentes formas: tal cual o diluidas con disolventes apropiados. Las suspensiones de nanopartículas son de gran importancia en p. Ej. las industrias química y biológica, la ciencia de los materiales y la medicina. Las áreas de aplicación típicas que requieren una dispersión homogénea son pinturas y recubrimientos, tintas, administración de fármacos y procesamiento de cerámica y nanocompuestos.
Composicion
Los nanomateriales compuestos tienen una estructura compuesta desarrollada por dos o más componentes de nanoescala, presentando extraordinarias propiedades físicas y químicas. Gracias a estas propiedades, junto con su composición y flexibilidad química y estructural, los nanocompuestos no solo son muy relevantes para áreas de investigación fundamentales, sino también para su uso en numerosos campos de aplicación novedosos. Los nanocompuestos han ganado importancia en diversas industrias, desde las de pequeña escala hasta las de gran tamaño. Tienen un enorme potencial para apoyar el desarrollo de tecnologías avanzadas y respetuosas con el medio ambiente en sectores industriales como el de la automoción, la construcción y la electrónica.
Membranas
Las membranas basadas en nanomateriales suelen ser la base para el diseño y desarrollo de aplicaciones novedosas. Poseen propiedades sobresalientes, p. Ej. gran estabilidad física y química, lo que los convierte en un recurso importante en la investigación y para muchas aplicaciones industriales.
Polímeros
Los polímeros están firmemente establecidos en los avances tecnológicos y en nuestra vida diaria debido a sus excelentes propiedades químicas y físicas, procesabilidad y costo relativamente bajo. Los polímeros también se denominan macromoléculas, que son simplemente moléculas grandes. Estas son cadenas largas compuestas por pequeñas moléculas unidas entre sí. Un profundo conocimiento de los polímeros y el desarrollo de las propiedades de los polímeros en la nanotecnología polimérica brindan una amplia gama de oportunidades de aplicación, p. en las industrias farmacéutica y biotecnológica.
Semiconductores
La reducción de los materiales semiconductores a nanoescala cambia radicalmente sus propiedades físicas y químicas, lo que da como resultado propiedades excepcionales basadas en su gran área de superficie y efecto de tamaño cuántico, propiedades ópticas no lineales y luminiscencia. Nanomateriales semiconductores, p. Ej. Las nanopartículas semiconductoras han atraído mucha atención en los últimos años debido a la promesa de investigación que encierran para aplicaciones en muchos campos diferentes. Algunos ejemplos son el procesamiento de información, las células solares, los dispositivos electrónicos a nanoescala y las nuevas tecnologías de sensores como los biosensores. Los pasos adicionales en estos avances en el desarrollo de la nanotecnología iniciarán avances sustanciales en la industria de los semiconductores.
