Propiedades de las nano partículas

Las propiedades de los materiales a escala macro son fijas para un mismo tipo de material; sin embargo, algunas propiedades de un mismo material, a escala nano, varían con su tamaño y su forma.

Propiedades físicas

El punto de fusión disminuye, generalmente, como consecuencia de su gran área superficial específica y el mayor número de átomos en la superficie; esto afecta al comportamiento termodinámico del volumen de la nano partícula. Los átomos de la superficie necesitan menos energía para moverse porque hay menos átomos en el interior de la nano partícula y necesitan menor energía para vencer las fuerzas intermoleculares de atracción.

Tabla: Cambio de propiedades Físicas de los materiales con el tamaño de partícula

	D (nm)	Punto de Fusión °C	Punto de Ebullición °C
Macropartículas de Oro	–	1064	2856
Nano partículas de Oro	1	20
	2	120
	2.5	300
	4	600
	6	800
	>20	1000
Macropartículas de Plata	–	1234	2212
Nano partículas de Plata	1.6	400
	2.0	680
	10.0	1050
	>20	>1120
Macropartículas de CdSe	–	1427	1559
Nano partículas de CdSe	–	430

 

Propiedades ópticas (efectos cuánticos)

Las propiedades ópticas de las nano partículas de algunos metales como: oro, plata y los semiconductores, se producen por la interacción entre el plasmón de la superficie de la nP y la onda electromagnética incidente (luz natural, láser), produciéndose un efecto cuántico como consecuencia del cambio de la estructura electrónica inducida por el tamaño y la forma de la nano partícula.

El color que adquiere una nano partícula sobre la que incide un rayo de luz blanca (en la que están presentes todas las longitudes de onda en el espectro visible 400-700 nm, con una intensidad parecida) es de color blanco; si la nP absorbe alguna longitud de onda (color), cambiará el color de la nP que percibe el ojo desnudo y el color de la luz transmitida.

La longitud de onda absorbida es aquella, cuya energía hace que el plasmón de la superficie de la nP vibre con la misma longitud de onda que la onda absorbida. La longitud de onda del conjunto de electrones de la superficie (plasmón) se puede variar con el tamaño y la forma de la nP (surface plasmon resonance).

El color rojo de las vidrieras de las catedrales se produce, cuando las nP de oro que contienen son del tamaño y las formas adecuadas (10-20 nm), para absorber los fotones correspondientes a las longitudes de onda de la luz recibida, que se corresponden con los colores azul y verde.

Otras propiedades físicas de las nano partículas originadas por los efectos cuánticos son:

• Súper paramagnetismo (Fe, Co, Ni).
• Conversión de algunos metales en semiconductores (ZnO, Si…); algunos semiconductores se convierten en aislantes.
• Fluidos con propiedades magnéticas (ferrofluidos).
• Fotoluminiscencia efecto cuántico.
• Cambio de las propiedades magnéticas de materiales como: Fe, Co, Ni, Fe₃ O₄…, en los que varía el momento magnético con el tamaño de la nano partícula.
• Incremento de la absorción de la radiación solar con la disminución del tamaño de la nano partícula.
• Elevada conductividad eléctrica y térmica de algunas nP, como la plata; baja conductividad eléctrica y térmica de otras nano partículas como el oro.
• Modificación de las propiedades electrónicas de las nano partículas con el tamaño (Ej.: nano partículas de oro).

 

Propiedades químicas

Las nano partículas metálicas o iónicas manifiestan propiedades químicas muy importantes: el auto ensamblado y las excepcionales propiedades que pueden tener como catalizadores.

Su elevada reactividad química es consecuencia de su elevada superficie específica y del importante número de átomos en la superficie que originan una elevada energía de superficie de las nano partículas.

FOTOCATÁLISIS

Un caso particular del comportamiento catalítico de las nano partículas, es la fotocatálisis. Cuando la luz tiene una apropiada energía puede mover algún electrón de la banda de valencia a la banda de conducción de las nano partículas de TiO_2, produciéndose pares de electrón-agujero (excitónes). Se origina un exceso de carga negativa en la banda de conducción que produce un efecto reductor, aportando electrones a las moléculas de oxígeno y formándose iones superóxido (.O₂^–) que oxidan los materiales orgánicos.

Las moléculas de agua alojadas en los huecos del substrato con carga positiva por la emigración de los electrones, se descomponen por oxidación en radicales hidroxilo (.OH) y cationes H⁺.

La degradación de contaminantes orgánicos e inorgánicos produce CO_2, agua y se forman iones sulfatos, nitratos…, compuestos estables que eliminados por el agua de las oquedades del substrato.

La utilización de nano-óxidos-metálicos como el TiO₂ es muy variada e importante en aplicaciones medioambientales.

Las nano partículas tienen importantes propiedades catalíticas como consecuencia de la gran actividad química de su superficie; al cambiar su forma cristalina, adoptando formas poliédricas, se incrementa el número de bordes y esquinas; se incrementa su solubilidad y tiene una mayor capacidad de absorción. (Ej.: Un nano cristal de Au es un excelente catalizador a baja temperatura).

La gran superficie específica de un nano grupo de moléculas, sus variaciones geométrica y de la estructura electrónica, tienen un fuerte efecto en las propiedades catalíticas.

La gran actividad química de las nano partículas origina su auto ensamblado que forma súper moléculas, que pueden ser diseñadas con propiedades específicas en forma de dendrímeros coloides, hidrogeles, sol-geles… Los dendrímeros se agrupan mediante enlaces covalentes fuertes; los coloides, hidrogeles y sol-geles se agrupan mediante enlaces débiles como puentes de hidrógeno y/o fuerzas de Van der Waals.

Las especiales propiedades químicas de las nano partículas tienen muy importantes aplicaciones prácticas en la medicina, en la lucha contra el efecto invernadero, en la detección y destrucción de partículas nocivas o contaminantes. (Ej: la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos mediante la oxidación fotocatalítica utilizando nano partículas de Ti O₂).

 

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de las nano partículas y de los materiales nano estructurados cambian con el tamaño; a escala nano métrica se modifica la estructura atómica de los nano cristales, haciéndose más resistentes y adquiriendo propiedades mecánicas superiores a las de los macro materiales. Para un determinado material, a escala nano métrica, se incrementan su dureza y su resistencia, siguiendo, generalmente, un crecimiento inversamente proporcional a su diámetro( 1/(√d) (Ley de Hall Petch).

Una propiedad importante de algunas nano partículas es su mayor capacidad de deformación a tracción, antes de la rotura, sin merma de su resistencia, pudiendo alcanzarse la resistencia máxima teórica del material. Este comportamiento es debido a que la estructura del nano cristal carece prácticamente de defectos.

Las nano partículas tienen la capacidad de soportar tensiones externas muy elevadas, sin que se produzca la dislocación de la estructura del nanocristal y sin que se manifiesten fisuraciones o fracturas. El mecanismo por el cual se llega a la fractura frágil, sin zona de transición dúctil, no está aún muy claro.

La elongación o deformación a tracción de algunas nano partículas puede situarse en el intervalo entre el 100% – 1000%, antes de la rotura, sin fracturarse.

Algunas de las propiedades mecánicas, más importantes, que pueden experimentar importantes incrementos son:

• Límite de fluencia (yield strength)
• Módulo de elasticidad E (hasta un diámetro d ≥ 5 nm)
• Resistencia a tracción
• Tenacidad
• Deformación
• Resistencia a flexión
• Resistencia al impacto
• Resistencia a la fatiga
• Resistencia a la corrosión

Un caso emblemático del incremento de las propiedades mecánicas de las nano partículas son los nanotubos de carbono.

Algunas de las principales nano partículas y sus propiedades >>

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