Síntesis de nanopartículas metálicas: Desbloqueando propiedades avanzadas de materiales

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Nanopartículas metálicas
El término nanopartícula metálica se usa para describir metales de tamaño nano con dimensiones (longitud, anchura o espesor) dentro del rango de tamaño 1-100 nm. Las nanopartículas metálicas muestran propiedades bastante diferentes a las de átomos individuales, superficies o materiales a granel. Las principales características de las NPM son una gran relación superficie-volumen en comparación con los equivalentes a granel, grandes energías de superficie, existencia como una transición entre estados moleculares y metálicos proporcionando estructura electrónica específica (densidad local de estados LDOS), tienen excitación de plasmon, confinamiento cuántico, ordenamiento de corto alcance, mayor número de quinas, contienen un gran número de sitios de baja coordinación como esquinas y bordes, teniendo un gran número de "enlaces colgantes" y consecuentemente propiedades químicas y específicas y la capacidad de almacenar electrones en exceso.
Sus aplicaciones potenciales incluyen, por ejemplo, uso en bioquímica, en catálisis y como sensores químicos y biológicos, como sistemas para nanoelectrónica y magnetismo nanoestructurado.
Síntesis
Métodos químicos Incluyen reducción química de sales metálicas, proceso de reducción con alcohol, proceso poliol, microemulsiones, descomposición térmica de sales metálicas y síntesis electroquímica. Métodos físicos incluyen técnica de alambre explosivo, Plasma, deposición química de vapor, irradiación por microondas, ablación láser pulsada, fluidos supercríticos, reducción sonquímica y radiación gamma.
La reducción de complejos metálicos en soluciones diluidas es el método general de síntesis de dispersiones coloidales metálicas, y se han desarrollado una variedad de métodos para iniciar y controlar las reacciones de reducción. En la mayoría de los casos, la formación de nanopartículas metálicas monosized se logra mediante una combinación de una baja concentración de soluto y una monocapa polimérica que se adhiere a las superficies de crecimiento. Tanto una baja concentración como una monocapa polimérica pueden dificultar la difusión de especies de crecimiento desde la solución circundante a las superficies de crecimiento y el proceso de difusión es probable que sea el paso limitante de la tasa de crecimiento subsiguiente de núcleos iniciales, resultando en la formación de nanopartículas de tamaño uniforme.
Precursores y reactivos
En la síntesis de nanopartículas metálicas, o más específicamente, dispersión coloidal metálica, se usan varios tipos de precursores, reactivos de reducción, otros químicos y métodos para promover o controlar las reacciones de reducción, la nucleación inicial y el crecimiento subsiguiente de núcleos iniciales. Los precursores incluyen: metales elementales, sales inorgánicas y complejos metálicos, como Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3, y PdCl2. Reactivos de reducción incluyen: citrato de sodio, peróxido de hidrógeno, clorhidrato de hidroxilamina, ácido cítrico, monóxido de carbono, fósforo, hidrógeno, formaldehído, metanol acuoso, carbonato de sodio e hidróxido de sodio.
Otros métodos de síntesis
Las nanopartículas metálicas también pueden prepararse por un método de deposición electroquímica empleando una celda electroquímica simple que contiene solo un ánodo metálico y un cátodo de carbono metálico o vítreo. El electrolito consiste en soluciones orgánicas de haluros de tetraalquilamonio, que también sirven como estabilizadores para las nanopartículas metálicas producidas. Al aplicar un campo eléctrico, el ánodo sufre disolución oxidativa formando iones metálicos, que migrarían hacia el cátodo. La reducción de iones metálicos por iones de amonio conduce a la nucleación y crecimiento subsiguiente de nanopartículas metálicas en la solución. Con este método, se pueden producir nanopartículas de Pd, Ni y Co con diámetros que van de 1.4 a 4.8 nm.
Nanopartículas de oro
El oro coloidal ha sido estudiado extensamente por mucho tiempo. En 1857 Faraday publicó un estudio exhaustivo sobre la preparación y propiedades del oro coloidal. Se han desarrollado una variedad de métodos para la síntesis de nanopartículas de oro, y entre ellos, la reducción con citrato de sodio de ácido cloroáurico a 100°C fue desarrollada hace más de 50 años y sigue siendo el método más comúnmente usado.
Nanopartículas de plata
Se han desarrollado varios métodos para la formación de nanopartículas de plata. La síntesis de nanopartículas de Ag puede lograrse por la iluminación UV de soluciones acuosas que contienen AgClO4, acetona, 2-propanol y varios estabilizadores poliméricos. La iluminación UV genera radicales cetilo vía excitación de acetona y posterior abstracción de átomo de hidrógeno de 2-propanol y el radical cetilo puede sufrir además una reacción de disociación protolítica. Tanto el radical cetilo como los aniones radicales reaccionan con y reducen iones de plata a átomos de plata.
Las reacciones tienen una baja tasa de reacción y favorecen la producción de nanopartículas de plata monosized. Con la presencia de polietilenoimina como estabilizador polimérico, las nanopartículas de plata formadas usando el proceso de reducción fotoquímica anterior tienen un tamaño medio de 7nm con una distribución de tamaño estrecha.
Aunque los estabilizadores poliméricos juegan un papel muy importante en la síntesis de nanopartículas metálicas, pueden prepararse sin usar ningún estabilizador polimérico. Las nanopartículas de plata pueden prepararse usando un conjunto de soluciones disponibles comercialmente. Sin agregar ningún reactivo estabilizador, puede sintetizarse usando dispersión acuosa de nanopartículas de plata de 20-30 nm de tamaño. La dispersión probablemente se estabiliza por mecanismo de estabilización electrostática. Sin embargo, el tamaño de partícula es sensiblemente dependiente de la temperatura de síntesis. Una pequeña variación de temperatura resultaría en un cambio significativo de diámetros de nanopartículas metálicas.