 |
| NanoArt |
La nanotecnología
La
nanotecnología abarca un campo de estudio multidisciplinario, que incluye la
física, la química, la ingeniería y la biología. En este ámbito se realizan
estudios a escala nanométrica, es decir
en un orden de 10-9 m, en al menos una dimensión. Este orden de
magnitud le confiere a las nanoestructuras propiedades físicas, químicas o
biológicas específicas. Las partículas en nanoescala adquieren nuevos
comportamientos en sus propiedades tales como estructura electrónica,
conductividad, reactividad, punto de fusión,
y propiedades mecánicas, debido principalmente al aumento de área superficial. (1)
Las aplicaciones de la nanotecnología actualmente son diversas, una de ellas es en el área de la medicina y la fisiología con la utilización de materiales y dispositivos diseñados para interactuar con el cuerpo a nivel celular. (2) Las funciones
importantes en los organismos vivos se producen a nanoescala, por ejemplo la
hemoglobina, que transporta el oxígeno a través del torrente sanguíneo, es de
aproximadamente 5 nanómetros de diámetro. (1) Otra aplicación
importante la representan los nanotubos de carbono que, debido a sus
“propiedades inusuales, son utilizados en electrodos de baterías, depósitos
electrónicos y fibras reforzadas que producen compositos más resistentes”. (3 pág. 136)
Para la producción de nanopartículas usualmente se utilizan técnicas fisicoquímicas como la reducción fotoquímica, la ablación por láser, la electroquímica, la litografía o la irradiación de alta energía. Por definición se dice que las nanopartículas son una clase de materiales con un diámetro menor a los 100 nm, las cuales presentan propiedades nuevas o mejoradas dependientes de su tamaño en comparación con partículas más grandes del mismo material. La capacidad de fabricar y controlar la estructura de nanopartículas permite a los científicos e ingenieros influir en las propiedades resultantes y, en definitiva, diseñar materiales para generar las propiedades deseadas. Las aplicaciones actuales y potenciales de las nanopartículas están creciendo y cubren una amplia gama de mercados e industrias. (4)
Las aplicaciones de la nanotecnología actualmente son diversas, una de ellas es en el área de la medicina y la fisiología con la utilización de materiales y dispositivos diseñados para interactuar con el cuerpo a nivel celular.
Para la producción de nanopartículas usualmente se utilizan técnicas fisicoquímicas como la reducción fotoquímica, la ablación por láser, la electroquímica, la litografía o la irradiación de alta energía. Por definición se dice que las nanopartículas son una clase de materiales con un diámetro menor a los 100 nm, las cuales presentan propiedades nuevas o mejoradas dependientes de su tamaño en comparación con partículas más grandes del mismo material. La capacidad de fabricar y controlar la estructura de nanopartículas permite a los científicos e ingenieros influir en las propiedades resultantes y, en definitiva, diseñar materiales para generar las propiedades deseadas. Las aplicaciones actuales y potenciales de las nanopartículas están creciendo y cubren una amplia gama de mercados e industrias.
Obtención de nanopartículas
La
preparación de estructuras y dispositivos a nanoescala puede ser realizado a
través de dos métodos: enfoque de abajo hacia arriba (bottom up) y enfoque de
arriba hacia abajo (top down). El primero consiste principalmente en ensamblar
pequeños bloques de construcción para generar estructuras más grandes; a través
de métodos químicos; ejemplos de este enfoque incluyen la síntesis química, el
montaje inducido por láser, el auto-ensamblado, la agregación coloidal, entre
otros. En el segundo enfoque los objetos grandes se modifican para dar piezas más pequeñas, utilizando métodos físicos, por ejemplo; técnicas litográficas, deposición de película y crecimiento, procesamiento de
rayo láser, y técnicas mecánicas. El tamaño y la forma de las nanopartículas dependerán de la manipulación que se realice durante la síntesis de éstas, para así poder
adaptar el material a una aplicación específica. (5)
Las zeolitas
Las
zeolitas son aluminosilicatos cristalinos y porosos, cuya estructura consiste
en un armazón de tetraedros de [SiO4]-4 y [AlO4]-5
unidos a través de átomos de oxígeno en diversos arreglos regulares, para
formar una red cristalina abierta que contiene poros de dimensiones moleculares
que permiten la penetración de ciertas moléculas. El
tamaño de los poros y espacios intracristalinos, dependen del tipo de zeolita.
La
relación de Si/Al en las zeolitas clásicas es de 1 a 5 y en general están
representadas por la formula: Mx/n
[(AlO2)x(SiO2)y] m H2O
Donde:
M: catión de
valencia n [(Na, Li, K) y/o (Ca, Mg, Ba, Sr)]
m: número de
moléculas de agua. La suma de x e y
indica: el número de tetraedros de aluminio y silicio por celda unitaria.
Sin embargo existen zeolitas
que presentan una relación de Si/Al mayor, como es el caso de la ZSM-5, que
también es conocida como zeolita pentasil caracterizada por su alto contenido
de silicio. Esta zeolita presenta diámetro de poros entre 5-6 Å (clasificadas
como microporosas) de canales tubulares bien definidos que se entrecruzan entre
sí, delimitados por anillos de 10 átomos de oxígeno, que le confieren una
estructura MFI (Mirror Framework Inversion), posee espacios dentro de los
canales y en la superficie externa de los cristales para la incorporación de
cationes en diversos estados. (7) (8)
La estructura de la ZSM-5 está formada por
uniones de pentasil “las cuales son unidades formadas por ocho ciclos de cinco
tetraedros. Dichas unidades se enlazan mediante puentes de oxígeno para formar
cadenas pentasil corrugadas que al combinarse, igualmente con ese tipo
interacción, conducen a la estructura tridimensional de la zeolita” (7 pág. 14) la cual resulta de simetría ortorrómbica. Debido a las propiedades de la
ZSM-5 como selectividad, acidez, estabilidad térmica, poro medio, entre otras, ésta se ha utilizado como adsorbente y catalizador, en diversos procesos
industriales. (7)
Síntesis ZSM-5
La síntesis clásica de
la zeolita ZSM-5 requiere de una fuente de silicio (silicato de sodio), una
fuente de aluminio (aluminato de sodio), hidróxido de sodio y agua.
Adicionalmente, se precisa de la adicción de un compuesto orgánico como
tetralquilamonio o tetraalquilfosfonios, el cual cumple la función de iniciar y
mantener el proceso de cristalización adecuado al producto deseado. El
comportamiento de estas moléculas “plantillas” puede ser explicado mediante un
efecto director de estructura de estos cationes orgánicos en el proceso de
cristalización. Estas plantillas o templante cumplen con dos funciones
importantes en la síntesis que son: generar la construcción de bloques en el gel
y actuar como un poro hidrófobo para evitar la disolución y recristalización de
los cristales ya formados. Muchos templantes orgánicos están diseñados para la
obtención de nuevas zeolitas, es decir, nuevas topologías y/o composiciones
químicas diferentes. La forma, el tamaño y la naturaleza química de los estos
compuestos orgánicas influyen en la estructura, mediante la estabilización de
especies intermedias durante la nucleación y la inducción de la cristalización
de las diferentes fases de zeolita.
A pesar de la importancia de estas moléculas
plantillas, también es posible sintetizar la zeolita ZSM-5 sin el uso de este
tipo de compuestos. La síntesis de la ZSM-5 sin el uso de templantes, es
conveniente ya que estas especies orgánicas representan el 50% del costo de
producción y requieren posteriormente de calcinación para ser eliminados de la
estructura, lo que ocasiona problemas de contaminación de CO2 y NOx. (10) Inaoka y col, reportaron una síntesis típica
de la ZSM-5 sin el uso de templantes bajo las siguientes condiciones: Composición
de la mezcla reaccionante 6Na20.A1203.50Si02.1250H20,
temperatura y tiempo de cristalización 165°C y 72 horas, agitación constante
con velocidad periférica de 1m/s. Además encontraron que la energía de
activación aparente de la zeolita sintetizada sin el uso de templante fue de
16,9 kcal/mol comparada con 25,6 kcal/mol para la sintetizada con el tetrapropilamonio (TPA). Esta diferencia de energía de activación para la
nucleación sugiere que existen muchos más núcleos creados en el sistema Na+
que en el TPA+, lo cual se convierte en otra ventaja de la síntesis
sin el uso de templante. (11)
Síntesis de la nanoZSM-5
Las
nanozeolitas con estrecha distribución de tamaño y tamaño de partícula menor a
100 nm han llamado la atención debido principalmente a sus potenciales usos en
catálisis y en adsorción. La disminución del tamaño de cristal o de partícula
en estos materiales provoca un aumento del área superficial externa, una
reducción del trayecto de difusión y una mayor cantidad de sitios activos
expuestos. (12)
Normalmente
la síntesis de las nanozeolitas se lleva a cabo en fase acuosa. Durante la
cristalización, una vez que los precursores de la nanozeolita se forman, la
fase acuosa actúa como un medio eficaz para la incorporación de especies de
aluminosilicatos solubles y la agregación de cristales de zeolita. En este
método convencional de preparación de la zeolita, se añaden directamente dentro
del reactor, la solución acuosa que contiene los compuestos inorgánicos y el templante,
luego se calienta la mezcla a la temperatura requerida generando así la
síntesis hidrotérmica. Sin embargo, algunos autores creen que esto puede
conducir a la formación de grandes cristales y agregados. (12) A pesar de ello se ha
conseguido producir nanozeolitas mediante esta síntesis a través de un control
cuidadoso de la composición del gel y de las condiciones de cristalización.
Otro
método desarrollado para la obtención de cristales de nanozeolitas, se denomina
síntesis de espacio confinado. Esta síntesis se lleva a cabo dentro de una
matriz inerte, como por ejemplo, matrices de carbón poroso, hidrogeles de
polímeros termorreversibles o microemulsiones, las cuales proporcionan un
espacio con impedimento estérico para el crecimiento de los cristales de la
zeolita. Un desventaja de estos métodos, según algunos autores, es que no
presentan una manera fácil de controlar el tamaño del cristal y además que la
superficie externa del nanocristal de zeolita es hidrofílica, por lo cual
contiene grupos silanol que pueden limitar la actividad catalítica de la
superficie interna de los poros. (12)
Serrano
y col. reportaron el uso de un organosilano como inhibidor de crecimiento. En
este estudio se sintetizó la nanozeolita ZSM-5 en medio acuoso usando
fenilaminopropil-trimetoxisilano. La síntesis se basó en la reducción del
crecimiento del cristal de la zeolita por silanización de la semilla zeolítica
para impedir su posterior agregación. (13) Sin embargo, los
análisis por MET mostraron que la zeolita tenía un tamaño de partículas entre
300 a 400 nm formadas a partir de agregados de partículas ultrapequeñas de 10
nm.
Existe
otra síntesis de nanozeolitas reportada por Gia-Thanh y col., que consiste en
utilizar un solvente orgánico, en vez de agua, como medio para la
cristalización. Además se funcionaliza a los precursores de la zeolita con
grupos silanos orgánicos para convertirlos en hidrofóbicos y altamente
dispersados en la fase orgánica. En este caso, debido a que la cristalización
ocurre en la fase orgánica y los precursores de la zeolita están protegidos por
los grupos funcionales, se puede prevenir la agregación de las nanopartículas
produciendo nanozeolitas de tamaño pequeño y uniforme y además con una
superficie externa hidrofóbica. (12) Los autores encontraron que este método, llamado de fase única, era
reproducible cuando se utiliza hexadeciltrimetoxisilano como agente organosilano
para la dispersión y la mezcla de tolueno y n-butanol como medio orgánico. (12)
Se
ha utilizado también un procedimiento para la obtención de nanozeolitas
denominado método de emulsión. Este método consiste en la preparación de una
solución de surfactante, un solvente orgánico y agua. Sin embargo, a diferencia
del método tradicional, en este procedimiento se debe evaluar el efecto de tres
parámetros adicionales como: (1) la ionicidad del surfactante, (2) la relación
molar agua/surfactante y (3) la concentración de surfactante en el solvente
orgánico.
Factores que influyen en la síntesis
La
obtención de la zeolita con la topología, porosidad, distribución y tamaño de
cristal deseado se ve influenciada por diferentes variables tales como:
o
La fuente de silicio y de aluminio
o
El contenido de agua
o
La relación molar templante/silicio
o
La naturaleza del catión presente en la
mezcla de reacción
o
La temperatura de cristalización
o
El tiempo de cristalización
o
El tiempo de envejecimiento
Abrishamkar y col., utilizaron el método
de multivariables Taguchi para optimizar el procedimiento de síntesis de la
nanozeolita ZSM-5. Evaluaron el efecto de la relación TPAOH/SiO2, H2O/SiO2,
SiO2/Na2O y SiO2/Al2O3
en la mezcla inicial de síntesis sobre la cristalización de las nanopartículas
de ZSM-5 a presión atmosférica. Como resultado de este análisis obtuvieron que
la relación TPAOH/SiO2 seguido de la relación SiO2/Al2O3
fueron los parámetros que más influyen en la síntesis de la nanozeolita ZSM-5. (15)
Schwieger
y col., demostraron la influencia del tiempo de cristalización en la formación
de la zeolita ZSM-5. Observaron que largos períodos de tiempo de
cristalización causa recristalización lo cual conlleva a una disminución
progresiva del rendimiento de la fase zeolítica. (9)
El
efecto de la fuente de silicio utilizada para la síntesis de la nanozeolita
ZSM-5 fue estudiado por Reda y col. Se compararon los productos obtenidos con
tetraetilortosilicato (TEOS), sílice coloidal (Ludox LS 30), metasilicato de
sodio y silica fumed. Con todas las fuentes
de silicio utilizadas, excepto con el metasilicato de sodio, se obtuvo
la nanozeolita ZSM-5. Con el metasilicato se obtuvo principalmente cuarzo. Los
autores concluyeron que tanto la cristalinidad, el tamaño de partícula y el
área superficial de la nanozeolita se ven influenciados por la fuente de
silicio utilizada en la síntesis. (16)
Como ves existe
una gran cantidad de estudios relacionados a la optimización de la síntesis de
la nanozeolita ZSM-5. La búsqueda de las mejores condiciones y la reproducibilidad
de la síntesis están relacionadas con el hecho de la importancia de esta
zeolita a nivel industrial, dado su relevante nivel de aplicación.
Basados en la
literatura revisada, podemos afirmar que los factores que influyen en la síntesis de este material
son principalmente, la fuente de silicio y de aluminio empleada, el contenido
de agua en la mezcla de reacción, la
relación molar templante/silicio, el uso o no de templante, la naturaleza del
catión presente en la mezcla de reacción, la temperatura y el tiempo de
cristalización y el tiempo de
envejecimiento.
Fuente:
1. Akila, Kesavan y Ganesh, Venkatraman. The Scitech Journal , 2014. ISSN 2347-7318 ISSN 2348-2311
Online.
2. Silva, Gabriel A. SURGICAL
NEUROLOGY, Vol. 61, 2004. págs. 216-220.
3. Charles P., Poole Jr. y Frank J., Owens. Introducción a la
nanotecnología. . Barcelona : Reverté, 2003.
4. Tsuzuki, Takuya. Centre for Material and Fibre Innovation, Int. J. Nanotechnol, 2009. págs. 567-578. Vol. 6.
5. Zanella, Rodolfo. Metodologías para la síntesis de
nanopartículas: controlando forma y tamaño. Centro de Ciencias
Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México.,
Mundo Nano, Vol. 5, 2012.
6. Ruthven, D.M. Principles
of adsorption and Processes adsorption. Canada : s.n., 1984.
7. Hidalgo Fermín, Edihtcel María. Estudio de catalizdores
aluminosilicatos zeolíticos preparados con diferentes agentes directores de
síntesis y sus actividades catalíticas en reacciones de química fina. Cumaná : UDO, 2012.
8. Gaag, F.J. van der. ZSM-5
type zeolites: Synthesis and use in gasphase reactions with ammonia. Technische Universiteit Delft, 1987.
9. Schwiehger W., Bergk K.H.,
Freude D., Hunger M. y Pfeifer H. American Chemical Society,
1989.
10. Rajan K. Vempat, Ramesh
Borade, Ramesh S. Hegde, Sridhar Komarneni. Microporous
and Mesoporous Materials, 2006. págs. 134–140. Vol. Volume 93.
11. W. Inaoka, S. Kasahara. T.
Fukushima and K. Igawa. Chemistry of Microporous Crystals, 1991. págs. 37-41.
12. Do, Gia-Thanh Vuong and
Trong-On. J. AM.
CHEM. SOC., 2007. págs. 3810-3811. Vol. 129.
13. Serrano, D. P., y otros. Chem. Mater., 2006. pág.
2562. Vol. 18.
14. Teruoki Tago, Hiroki Konno, Yuta Nakasaka,Takao Masuda. Catal Surv Asia (16),
2012. págs. 148–163.
15. Maryam Abrishamkar, Seyed
Naser Azizi, Hossein Kazemian. Z. Anorg. Allg. Chem. 637, 2011. págs. 154–159.
16. Reda M., Hisham A., El-Shahat
M., Ibrahim I. Microporous and Mesoporous Materials
79, 2005. págs. 7-12.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario
Gracias por tu participación.