Desarrollo de herramientas metrológicas avanzadas para la caracterización de nanomateriales: aplicación a la síntesis sonoquímica de nanopartículas de plata

• Autores: Bryan Calderón Jiménez
• Directores de la Tesis: Jose-Roberto Vega-Baudrit (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional de Costa Rica ( Costa Rica ) en 2021
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    En la última década, el crecimiento de la innovación en el campo de la nanociencia y la nanotecnología ha sido exponencial. Específicamente, se han logrado avances notables en el desarrollo de nanomateriales de ingeniería. (Logothetidis, 2012). Muchas aplicaciones desarrolladas en la actualidad se han centrado en el desarrollo de nuevas tecnologías en los campos de la medicina, biotecnología, biomateriales, materiales compuestos, cerámicas, polímeros, alimentos, agricultura, energía, tecnología de la información, entre otros (Arruda et al., 2015, Hofmann-Amtenbrink, et al., 2015; Huang et al., 2015;

    Palmero, 2015; Berekaa, 2015). El desarrollo de la nanotecnología ha traído un crecimiento increíble en diferentes sectores económicos dedicados a la generación de nuevos productos que contienen nanomateriales para mejorar o proporcionar una mayor versatilidad y rendimiento de los productos comerciales (Logothetidis, 2012). Sin embargo, este crecimiento económico y tecnológico de la nanotecnología y nanociencia ha generado algunas preocupaciones sobre los posibles efectos adversos que podría generar el uso indiscriminado e incontrolado de los nanomateriales (Köhler & Som, et al., 2014; Hyeon, 2015) en el medio ambiente, la salud y seguridad (conocido como NanoEHS por sus siglas en inglés). Debido a lo anterior, esfuerzos en ciencia y tecnología en el campo de la nanociencia, la nanotecnología y la nanometrología pueden ayudar a aclarar y comprender con precisión los posibles efectos que estos materiales podrían tener en nuestro entorno (McShan et al., 2014; Ivask et al., 2014; Krishnaraja et al., 2015). En este contexto, en 2007, más de 400 publicaciones en el área de nanotoxicología presentaron una descripción deficiente de las propiedades físicas y químicas de los nanomateriales utilizados en estos estudios (Stefaniak et al., 2014). Asimismo, el 50% de las publicaciones sobre estudios genotóxicos proporcionan información insuficiente o nula sobre la nanocaracterización de los nanomateriales (Mody et al., 2009). Esta falta de nano-caracterización (Tiede et al., 2008) junto con otras necesidades metrológicas (validación de métodos, estimación de la incertidumbre, comparaciones interlaboratorio, entre otras) (Jorio y Dresselhous, 2014, Babick et al., 2016) impulsan la necesidad de contar con desarrollos científicotecnológicos en este campo que puedan mejorar y proporcionar precisión en las mediciones realizadas en la nanoescala. En este contexto, existe una gran necesidad de contar con herramientas tecnológicas que aumenten las capacidad de diversas técnicas analíticas para poder mejorar el procesamiento, visualización e inferencia de los resultados obtenidos en procesos de nano-caracterización de este tipo de materiales, dichas herramientas son necesarias para impulsar una mejor comprensión de los mecanismos de reacción y evolución asociados a la síntesis de nanopartículas (NPs) de alta relevancia y aplicabilidad como lo son las nanopartículas de plata (AgNPs). Específicamente, es importante desarrollar herramientas avanzadas que brinden y amplíen el cómo se interpretan, exploran, visualizan, procesan y analizan estadísticamente las mediciones realizadas en la nanoescala. Proporcionando con dichas herramientas una mejor comprensión de los proceso químicos y físicos envueltos en la nanoescala y a su vez ampliando sus capacidades analíticas asociadas con la medición a nanoescala. Todo lo anterior, destaca la necesidad imperativa de investigar y desarrollar herramientas metrológicas avanzadas que permitan una asignación confiable de las propiedades de los nanoobjetos que se utilizarán más adelante en una variedad de campos de investigación y productos comerciales (Stefaniak et al. , 2014; Roebben et al., 2013). Específicamente, dichos avances deben ir enfocados a técnicas analíticas relevantes por su aplicabilidad y versatilidad, como lo son la espectrometría ultravioleta-visible (UV-Vis) y la espectrometría de plasma de acoplamiento inductivo de partícula única (spICP-MS). Estas técnicas aún presentan desafíos científicos, tecnológicos y metrológicos para el cálculo, procesamiento de datos y visualización de las mediciones realizadas para la caracterización de nanomateriales. En el mismo contexto, pese a los avances existentes en el área de síntesis química de AgNPs, todavía es necesario desarrollar nuevas rutas de síntesis que permitan conferir propiedades físicas, químicas y metrológicas necesarias para que este tipo de NPs puedan usarse como materiales de referencia en las mediciones realizadas en la nanoescala. La falta de materiales de referencia en la nanoescala limita la veracidad de las conclusiones en el campo de la nanotecnología y la nanociencia. (Nano Risk Framework, 2007). Actualmente, solo unos pocos materiales de referencia están disponibles comercialmente en la nanoescala, lo que indica la necesidad de investigar en esta dirección. Específicamente, en el caso de los AgNPs, que son las NPs más utilizadas en la formulación de productos comerciales (Vance, 2015), solo se han desarrollado 3 materiales de referencia (Menzel, 2013; Klein, 2013; NIST, 2015) en todo el mundo, que presentan diferencias en su caracterización, estabilización y ámbito de aplicación. Sin embargo, en la actualidad se ha investigado poco sobre nuevas rutas de síntesis de AgNPs que permitan desarrollar aplicaciones metrológicas. Pese a lo anterior, la síntesis sonoquímica de AgNPs podría ofrecer ciertas ventajas para desarrollar dichas aplicaciones, ya que este tipo de procesos sonoquímicos presenta ciertas ventajas en comparación con los métodos químicos convencionales debido a que proveen: rápida velocidad de reacción, condiciones controlables de reacción, simplicidad y seguridad de la técnica, obtención de formas esféricas y uniformes, distribuciones monomodales, además de conferir alta pureza a los nanomateriales (Mousavi & Ghasemi, 2010). Por otra parte, algunos estudios sugieren la posibilidad de generar NPs con pequeño diámetro y alta área superficial (Vasileva et al., 2011; Darroudi et al., 2011; Gupta et al., 2013). Todas estas características confieren a esta técnica el suficiente potencial para obtener AgNPs con las suficientes propiedades químicas y físicas para ser empleadas como material de referencia. De lo anterior, uno de los aspectos más relevantes es el cómo poder brindar una alta estabilización de los núcleos metálicos cuando estos se encuentran dispersos en un medio líquido altamente polar como lo es el agua. Por lo tanto, todo lo anterior deja patente la necesidad de continuar desarrollando herramientas tecnológicas avanzadas para comprender, procesar y estudiar las propiedades de los nanomateriales, específicamente las propiedades asociadas con los AgNP en la nanoescala, así como la imperativa necesidad de explorar una nueva ruta de síntesis sonoquímica de AgNPs para generar NPs con mayor estabilidad en medio acuoso.

  • English

    In the last decade, the growth of innovation in the field of nanoscience and nanotechnology has been exponential. Specifically, remarkable progress has been made in the development of engineered nanomaterials. (Logothetidis, 2012). Many applications developed today have focused on the development of new technologies in the fields of medicine, biotechnology, biomaterials, composite materials, ceramics, polymers, food, agriculture, energy, information technology, among others (Arruda et al. ., 2015, Hofmann-Amtenbrink, et al., 2015; Huang et al., 2015; Palmero, 2015; Berekaa, 2015). The development of nanotechnology has brought incredible growth in different economic sectors dedicated to the generation of new products containing nanomaterials to improve or provide greater versatility and performance than commercial products (Logothetidis, 2012). However, this economic and technological growth of nanotechnology and nanoscience has generated some concerns about the possible adverse effects that the indiscriminate and uncontrolled use of nanomaterials could generate (Köhler & Som, et al., 2014; Hyeon, 2015) in the environment. environment, health and safety (known as NanoEHS for its acronym in English). Due to the above, efforts in science and technology in the field of nanoscience, nanotechnology and nanometrology can help clarify and accurately understand the possible effects that these materials could have on our environment (McShan et al., 2014; Ivask et al., 2014; Krishnaraja et al., 2015). In this context, in 2007, more than 400 publications in the area of nanotoxicology presented a poor description of the physical and chemical properties of the nanomaterials used in these studies (Stefaniak et al., 2014). Likewise, 50% of the publications on genotoxic studies provide insufficient or no information on the nanocharacterization of nanomaterials (Mody et al., 2009). This lack of nano-characterization (Tiede et al., 2008) together with other metrological needs (method validation, uncertainty estimation, interlaboratory comparisons, among others) (Jorio and Dresselhous, 2014, Babick et al., 2016) drive the need for scientific-technological developments in this field that can improve and provide precision in measurements made at the nanoscale. In this context, there is a great need to have technological tools that increase the capacity of various analytical techniques in order to improve the processing, visualization and inference of the results obtained in nano-characterization processes of this type of materials, these tools are necessary. to promote a better understanding of the reaction and evolution mechanisms associated with the synthesis of nanoparticles (NPs) of high relevance and applicability such as silver nanoparticles (AgNPs). Specifically, it is important to develop advanced tools that provide and extend how measurements made at the nanoscale are statistically interpreted, explored, visualized, processed, and analyzed. Providing with these tools a better understanding of the chemical and physical processes involved in the nanoscale and in turn expanding their analytical capabilities associated with nanoscale measurement. All of the above highlights the imperative need to research and develop advanced metrological tools that enable reliable mapping of nanoobject properties to be used later in a variety of research fields and commercial products (Stefaniak et al., 2014; Roebben et al., 2013). Specifically, these advances should be focused on relevant analytical techniques due to their applicability and versatility, such as ultraviolet-visible spectrometry (UV-Vis) and single particle inductively coupled plasma spectrometry (spICP-MS). These techniques still present scientific, technological and metrological challenges for the calculation, data processing and visualization of the measurements made for the characterization of nanomaterials. In the same context, despite the existing advances in the area of chemical synthesis of AgNPs, it is still necessary to develop new synthesis routes that allow conferring physical, chemical and metrological properties necessary for this type of NPs to be used as reference materials in measurements made at the nanoscale. The lack of reference materials at the nanoscale limits the veracity of the conclusions in the field of nanotechnology and nanoscience. (Nano Risk Framework, 2007). At the moment. Only a few reference materials are commercially available at the nanoscale, indicating the need for research in this direction. Specifically, in the case of AgNPs, which are the most widely used NPs in the formulation of commercial products (Vance, 2015), only 3 reference materials have been developed (Menzel, 2013; Klein, 2013; NIST, 2015) in all the world, which present differences in their characterization, stabilization and scope of application. However, at present, little research has been done on new AgNPs synthesis routes that allow the development of metrological applications. Despite the above, the sonochemical synthesis of AgNPs could offer certain advantages to develop such applications, since this type of sonochemical processes has certain advantages compared to conventional chemical methods because they provide: fast reaction speed, controllable reaction conditions , simplicity and safety of the technique, obtaining spherical and uniform shapes, monomodal distributions, in addition to conferring high purity to nanomaterials (Mousavi & Ghasemi, 2010). On the other hand, some studies suggest the possibility of generating NPs with small diameter and high surface area (Vasileva et al., 2011; Darroudi et al., 2011; Gupta et al., 2013). All these characteristics give this technique sufficient potential to obtain AgNPs with sufficient chemical and physical properties to be used as reference material. From the above, one of the most relevant aspects is how to provide a high stabilization of the metallic nuclei when they are dispersed in a highly polar liquid medium such as water. Therefore, all of the above highlights the need to continue developing advanced technological tools to understand, process and study the properties of nanomaterials, specifically the properties associated with AgNPs at the nanoscale, as well as the imperative need to explore a new route. of sonochemical synthesis of AgNPs to generate NPs with greater stability in aqueous medium.