Nanopartículas de Cobre Puro mediante Plantilla de Madera: Síntesis, Caracterización y Rendimiento Antibacteriano

Resumen

La intrincada arquitectura celular del álamo ofrece un andamiaje renovable y rentable para síntesis de nanopartículas. En este estudio, redujimos exitosamente cloruro cúprico dentro de madera de álamo, produciendo nanopartículas de cobre uniformemente dimensionadas, cúbicas centradas en caras y altamente estables. Difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido de emisión de campo confirman estructura cristalina y ensamblaje tipo mazorca a lo largo de luminarias celulares. Se observaron picos de absorción óptica cerca 565 nm y pronunciada actividad antibacteriana contra Escherichia coli, destacando la multifuncionalidad del material híbrido.

Antecedentes

Las nanopartículas metálicas han capturado interés científico significativo por sus notables rasgos fisicoquímicos. Plata y oro, preciados por su resonancia plasmónica y estabilidad, permanecen costosos, limitando uso a gran escala. El cobre, siendo abundante e inexpensivo, emerge como alternativa viable, ofreciendo propiedades catalíticas, ópticas, antibacterianas y conductoras eléctricas. Realizar estos beneficios demanda control preciso sobre tamaño, pureza y forma del cobre. Varias rutas síntesis —reducción fase solución, descomposición térmica, síntesis vapor, métodos radiación, microemulsión, atrición mecánica y electrodeposición— han sido examinadas. Entre ellas, reducción en solución destaca por versatilidad; sin embargo, a menudo produce partículas esféricas. Lograr morfologías distintas típicamente requiere plantillas orgánicas o inorgánicas elaboradas, que pueden ser costosas y laboriosas.

La oxidación de nanopartículas cobre en aire ambiente conduce a formación CuO superficial y agregación, comprometiendo rendimiento. Estrategias convencionales mitigan esto conduciendo síntesis bajo atmósferas inertes o aplicando capas protectoras (polímeros, ligandos, carbono, grafeno o metales inertes). Estos enfoques, aunque efectivos, añaden complejidad y demandas equipamiento.

La estructura jerárquica natural y anisotrópica de la madera presenta plantilla atractiva e inexpensiva. Su red porosa —desde nano a micrómetro— permite penetración profunda de reactivos. Trabajos previos usaron madera para andamiar geles responsivos y ensamblar nanoestructuras ZnO, produciendo materiales con superior estabilidad térmica, resistencia UV y actividad antibacteriana. Los componentes lignocelulósicos de madera —celulosa, lignina y hemicelulosa— contienen abundantes grupos hidroxilo y fenólicos que pueden reducir y estabilizar iones metálicos, como demostraron Lin et al. para nanopartículas Pt y Ag. No obstante, nanopartículas cobre sintetizadas dentro de madera a menudo sufrieron oxidación, subrayando necesidad de enfoque más robusto.

Aquí reportamos método novedoso para sintetizar nanopartículas cobre puro dentro de madera álamo por reducción química. El material híbrido resultante exhibe ensamblaje único tipo mazorca a lo largo de luminarias celulares, alta estabilidad, fuerte absorción óptica y efectiva actividad antibacteriana.

Métodos/Experimental

Materiales

Madera de albura fresca de Populus tomentosa (álamo) se cortó en bloques 50 × 50 × 5 mm³ (longitudinal) y secó al horno a 103 °C hasta peso constante. Cloruro cúprico dihidratado (CuCl₂·2H₂O) e hidruro borohidruro sodio (NaBH₄) se compraron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Otros reactivos grado analítico provinieron de Beijing Chemical Reagents Co., Ltd. (Beijing, China).

Preparación de Compuestos Madera/Cu

El flujo de fabricación se ilustra en Fig. 2. CuCl₂·2H₂O se disolvió en agua y pH se ajustó con NaOH estequiométrico. Muestras madera se sumergieron primero en solución cobre bajo vacío (~0.095 MPa) por 30 min para promover infiltración iónica, seguido remojo atmosférico 2 h. Tras enjuague, muestras se sumergieron inmediatamente en 200 mL solución NaBH₄ con concentraciones NaOH variables por 48 h. Finalmente, compuestos se lavaron con agua desionizada hasta pH neutro, luego secaron al horno a 30 °C por 72 h. Formulaciones detalladas soluciones en Tabla 1.

Caracterización de Nanoestructuras Cu

Difracción rayos X (XRD) se realizó en difractómetro Bruker D8 Advance (Cu-Kα, λ = 0.15418 nm, 40 kV, 40 mA, 2θ = 5–90°, 2°/min). Microscopía electrónica barrido emisión campo (FE-SEM, Hitachi SU8010) equipada con espectrómetro dispersivo energía rayos X (EDS, EX-350) examinó morfología. Muestras se cortaron longitudinalmente, montaron en cinta conductora, sputtered oro, e imaginaron a 5 kV.

Evaluación Propiedades Ópticas y Antibacterianas

Espectros UV-VIS reflectancia difusa (Cary-300) registrados 800 a 300 nm usando esfera integradora. Para pruebas antibacterianas, compuestos se mecanizaron en discos 10 mm diámetro. Suspensión bacteriana E. coli se extendió en placas agar nutritivo, y discos se colocaron en superficie (un control y dos tratados por placa). Tras 24 h incubación a 37 °C, zonas inhibición midieron al 0.1 mm más cercano.

Resultados y Discusión

Análisis Difracción Rayos X

Figura 3a muestra patrones XRD grupos A–D. Picos a 15.9°, 22.1° y 34.5° corresponden celulosa (101, 002, 040). Reflejos agudos a 43.3°, 50.4° y 74.1° surgen de Cu (111, 200, 220) y confirman estructura fcc (JCPDS No. 85–1326). Picos menores cerca 29.7°, 36.4°, 42.2° y 61.4° en grupos A y B atribuibles a Cu₂O (110, 111, 200, 220). Así, composición producto Cu fuertemente gobernada por concentración OH⁻ inicial: a bajo OH⁻, tanto Cu como Cu₂O aparecen; a ≥1.0 mol L⁻¹, solo Cu metálico permanece. Ajuste pH a 10–12 vía NaOH no solo impulsa formación Cu(OH)₂ sino también acelera reducción por NaBH₄ (que pierde poder reductor bajo pH 9.5). La estructura jerárquica madera limita crecimiento partícula, manteniendo tamaño grano constante incluso al aumentar concentración Cu²⁺.

Al aumentar concentración Cu²⁺ (grupos C, E, F) se intensificaron picos difracción Cu, confirmando mayor carga nanopartículas. Ecuación Scherrer se empleó estimar tamaño cristalito. Usando picos (110), (200) y (220), diámetros promedio fueron 19.5 nm (C), 19.7 nm (E) y 21.3 nm (F) (Tabla 2), indicando geometría confinada madera restringe crecimiento independientemente carga Cu²⁺.

Tras un año almacenamiento ambiental, patrones XRD (Fig. 4) revelaron solo pico menor CuO a 38.9°. Tamaños grano permanecieron inalterados, subrayando resistencia híbrido a oxidación y agregación —beneficio directo matriz protectora madera y componentes inherentes.

Análisis Morfología

Imágenes FE-SEM (Fig. 5) revelan ensamblaje distintivo tipo mazorca de nanoestructuras Cu a lo largo luminarias células madera. Paredes luminarias lisas (Fig. 1b) contrastan con nanopartículas densamente empaquetadas, confirmado por mapeo EDS (Fig. 6). El andamiaje anisotrópico madera dirige crecimiento, impartiendo orden direccional.

En hoyos madera, nanopartículas Cu formaron aglomerados esféricos menores (1–2.5 µm) (Fig. 7). Estas morfologías confinadas resultan geometría hoyo, demostrando que arquitectura madera puede dictar forma nanopartícula más allá métodos precipitación tradicionales. Este ensamblaje controlado podría permitir propiedades ópticas y eléctricas a medida en compuestos basados madera.

Propiedades Ópticas y Antibacterianas

Espectros UV-VIS reflectancia difusa (Fig. 8) muestran pico plasmónico pronunciado a 565 nm para materiales híbridos, alineando con banda absorción conocida Cu NP (560–570 nm). Intensidad aumenta con contenido Cu, confirmando incorporación exitosa cobre metálico.

Ensayos antibacterianos (Fig. 9) revelan claras zonas inhibición para todas muestras tratadas versus control. Diámetros promedio zonas inhibición fueron 0 mm (control), 3.2 mm (grupo C), 4.8 mm (grupo E) y 6.2 mm (grupo F), demostrando efecto antibacteriano dependiente concentración Cu. Estos resultados afirman que incrustar nanopartículas cobre en madera imparte potente actividad antimicrobiana sin comprometer integridad estructural madera.

Conclusiones

Aprovechando arquitectura jerárquica anisotrópica álamo y componentes lignocelulósicos ricos en electrones, produjimos nanopartículas cobre puro con disposición distintiva tipo mazorca a lo largo luminarias celulares. Fracción Cu₂O disminuye al aumentar concentración OH⁻ inicial, produciendo cobre metálico casi puro fase. Carga incremental Cu²⁺ aumenta densidad nanopartículas sin alterar tamaño grano, gracias geometría confinada madera. Matriz madera protege cobre de oxidación y agregación, asegurando estabilidad tras año almacenamiento ambiental. Combinado con propiedades ópticas y antibacterianas inherentes cobre, este material híbrido ofrece plataforma ligera, rentable para aplicaciones avanzadas basadas madera.