Nanotecnología. Mónica Lucía Álvarez-Láinez
Figura 2.1 En este diagrama se presentan cinco de las técnicas más usadas para producir fibras. Cuando el proceso cumple con cada uno de los requerimientos mencionados a la derecha, se usa el símbolo de aval (√); cuando no, se marca equis (x)
Considerando que las nanofibras poliméricas son susceptibles de ser modificadas superficialmente, modificando así sus propiedades fisicoquímicas y mecánicas, estas se convierten en materiales promisorios en aplicaciones médicas (ingeniería de tejidos, vestiduras para heridas, administración de medicamentos), en la fabricación de productos de higiene (servilletas, toallas y paños de limpieza absorbentes), en la industria de medios filtrantes (nanofiltración, membranas de intercambio y sistemas de absorción y adsorción) y en la elaboración de textiles inteligentes (sensores) y de recubrimientos multifuncionales.
En la actualidad, la técnica más atractiva para fabricar nanofibras es el proceso de electrohilado,5 cuyos tres componentes principales son: una fuente de alto voltaje, un tubo capilar con pipeta o aguja de diámetro pequeño, y una pantalla colectora metálica. En este proceso se emplea alto voltaje para crear un chorro cargado eléctricamente de una solución polimérica o de un polímero fundido, contenido en un capilar o una aguja. Este chorro sale de una aguja acoplada a una jeringa, y antes de alcanzar la pantalla colectora el chorro se solidifica y se convierte en una fibra, la cual es recogida sobre el colector como una red de pequeñas fibras interconectadas[12-13].
La configuración más sencilla de un proceso de electrohilado se describe en la figura 2.2, en el cual se tienen, como electrodo, la solución polimérica o el polímero fundido, y la pantalla colectora, que generalmente posee un polo a tierra. El campo eléctrico se ejerce entre el final del tubo capilar (boquilla o jeringa), que contiene el fluido adherido a la punta de la aguja, gracias a la tensión superficial, y el colector.
Figura 2.2 Configuración general de un proceso de electrohilado simple con jeringa
Cuando la intensidad del campo eléctrico se incrementa, la superficie semiesférica del fluido en la punta de la aguja se estira y forma una figura cónica, conocida como el cono de Taylor. Al incrementar el campo eléctrico aún más, se alcanza un punto crítico en el que las fuerzas electrostáticas de repulsión y atracción superan la tensión superficial, y el chorro cargado de fluido es expulsado de la punta del cono de Taylor. El chorro de solución polimérica que se expulsa experimenta una inestabilidad, por la acción del campo eléctrico creado entre la punta del capilar y la pantalla colectora. La inestabilidad hace que se forme un hilo largo y fino gracias a la elongación. En el mismo momento en que se forma el hilo de solución, el solvente se evapora dejando atrás una fibra polimérica cargada. Para el caso del electrohilado de polímeros fundidos, el chorro expulsado se solidifica cuando viaja a través del aire[14]. Así, dependiendo de las condiciones del proceso, las fibras obtenidas pueden ser hilos lisos, en forma de grumos o una combinación de ambos. Por supuesto es deseable que el polímero se presente en forma de hilos después del electrohilado.
La mayoría de las aplicaciones del electrohilado se han desarrollado a partir de polímeros disueltos en solventes debido a que las condiciones de este proceso son más simples en comparación con el uso de polímeros fundidos. La disolución del polímero y el electrohilado convencional se llevan a cabo a temperatura ambiente y a presión atmosférica[14-15]. En la figura 2.3 se muestran algunas fibras fabricadas con esta técnica.
Figura 2.3 Imágenes sem de fibras de poliimida al 15 % en peso, obtenidas por electrohilado
Fuente: Lasprilla.[18]
El hilado electrostático de polímeros fundidos se debe llevar a cabo a elevadas temperaturas, y procurando una condición de vacío en el tubo capilar y en la pantalla colectora, lo que hace que esta configuración sea más compleja[16]. Una de las ventajas de tal variación de la técnica respecto a la que emplea una solución polimérica consiste en que no es necesario buscar un solvente apropiado para el polímero[17].
2.4 Estrategias generales y métodos de síntesis para la obtención de nanopartículas (bottom-up)
Como ya se explicó brevemente en la introducción de este capítulo, existen dos estrategias para obtener nanomateriales: de arriba hacia abajo (top-down) y de abajo hacia arriba (bottom-up) (ver figura 2.4). En el caso de las nanopartículas, en la primera estrategia se “rompe” el material de interés en partículas más finas mediante métodos generalmente de molienda; sin embargo, se utilizan también técnicas como la de grabado, mediante ataque químico y litografía. El problema en el caso de la fragmentación de partículas es que no se logran tamaños homogéneos, y se genera entonces una alta distribución de tamaños y de formas que no contribuyen a tener materiales con propiedades controladas; además, pueden surgir defectos cristalográficos y el deterioro en la estructura cristalina.
Figura 2.4 Estrategias generales para obtener nanopartículas. De arriba hacia abajo (top-down) y de abajo hacia arriba (bottom-up)
Fuente: Adaptada de Waseda y Muramatsu[19]. Las formas cúbicas y esféricas son arbitrarias, y simplemente son usadas para ejemplificar los materiales en volumen, las partículas, los átomos y los agregados o clústeres.
La segunda estrategia para obtener nanopartículas es de abajo hacia arriba (bottom-up), en donde los átomos, moléculas o iones se ensamblan para generar nanoestructuras de mayor tamaño. En este caso, el control sobre la morfología, el tamaño y su distribución, los defectos y la composición química es mucho mayor. Las técnicas más empleadas en la solución o dispersión son la precipitación y el método hidrotermal, las microemulsiones, el método sol-gel, el método del poliol y la descomposición de compuestos organometálicos, entre otras.
Varios de estos métodos, como la precipitación de un sólido desde una solución, se pueden explicar por medio de la teoría clásica de la nucleación, planteada por LaMer y Dinegar en 1950[20]. Aunque esta teoría fue inicialmente propuesta para algunos soles en particular, sigue siendo muy útil desde el punto de vista conceptual, para ayudar a entender el mecanismo de crecimiento de las partículas separando las etapas de nucleación, crecimiento y agregación, que son críticas a la hora de obtener partículas monodispersas. En la figura 2.5 se muestra un esquema representativo de este modelo.
Figura 2.5 Representación del diagrama LaMer-Dinegar para el crecimiento de las nanopartículas
Tal como se observa en la figura, las etapas críticas de crecimiento de las nanopartículas se dan de la 1 a la 3, donde se presenta la nucleación con el aumento significativo de la concentración del soluto. Luego de estas etapas aparece el crecimiento irreversible (etapa 4) de las nanopartículas, para finalmente generar agregados en la etapa 5.
En la etapa 1, de nucleación, la concentración de los precursores aumenta, desde la concentración inicial (normalmente diluida), hasta cuando se logra una concentración de saturación, y luego del inicio de la nucleación. Una vez se alcanza esta concentración, el sistema se torna heterogéneo y produce núcleos a partir de las colisiones de iones o de moléculas. En este caso, el proceso se considera reversible, y continuamente se forman y se disuelven núcleos. Una vez la concentración del soluto decrece hasta el límite de la concentración de nucleación 3, se inicia la etapa 4, de crecimiento. Es aquí donde realmente se forman nanopartículas estables y se entra en una zona de no reversibilidad. Finalmente, en la etapa 5, de agregación, estas partículas pueden aglomerarse entre sí para formar agregados de mayor tamaño de partícula. Con el fin de controlar el tamaño y la monodispersión de las partículas, se deben separar la nucleación y el crecimiento, y además prevenir la coagulación y posterior agregación de las partículas. Para lograr esto, se debe detener rápidamente la reacción en el momento en que se tenga el tamaño de partícula deseado