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La nanotecnología en la ciencia de los polímeros

La nanotecnología aplicada al campo de los polímeros experimenta un crecimiento exponencial gracias a la posibilidad que brinda de crear productos novedosos y de aplicación práctica. Conozca estos materiales y los desarrollos que se adelantan en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA).
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La nanotecnología se ha convertido en una herramienta esencial en la investigación y desarrollo de las industrias alimentaria, médica, automotriz, aeroespacial, electrónica, optoelectrónica y de energía, entre otras.1 En la actualidad representa una oportunidad para mejorar o crear nuevas propiedades en materiales con fines concretos.2 Pero ¿qué hace a la nanotecnología tan recurrente en las diversas áreas de la ciencia?

La respuesta a esta pregunta se remite a la posibilidad de controlar y manipular la materia a una escala nanométrica, cuyas propiedades suelen ser superiores a las de los materiales ordinarios de tamaños micro y macroscópico.3 La nanotecnología permite preparar nanopartículas de diferente composición, geometría y propiedades a partir de metales, cerámicos, carbono (ej., grafeno, nanotubos de carbono y fulereno), etc. Estos diminutos materiales combinados con otros, en condiciones adecuadas de procesamiento, llevan a la obtención de productos macroscópicos nanoestructurados con características y propiedades específicas, algunas de ellas novedosas. Las nanopartículas se caracterizan por su gran área superficial.4

Figura 1. Micrografías de nanopartículas de CuAg a través del TEM.

Figura 1. Micrografías de nanopartículas de CuAg a través del TEM.

Dicho de otra manera, cuando se disminuye el tamaño de una partícula, su área superficial por volumen se verá notoriamente incrementada, lo que hace que un mayor número de átomos estén en la superficie. Así, un material inerte en bulto (macroscópico) será más susceptible de reaccionar si se divide o fracciona, particularmente si se alcanza el tamaño nanométrico.5 Otra ventaja de la gran área superficial que ofrecen las nanopartículas sería el poder transferir de forma eficiente sus propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas o mecánicas a otro material con el cual se encuentren combinadas.

Entre los materiales de mayor explotación y crecimiento industrial de las últimas décadas se encuentran los polímeros. De ahí que a estos materiales se les haya buscado mayor desarrollo a través de la nanotecnología para lograr materiales poliméricos con alta resistencia mecánica, buena estabilidad térmica, mejor resistencia a los rayos UV y capacidad de conducir energía térmica o eléctrica, entre otras.

Por ejemplo, los polímeros que son típicamente aislantes se pueden convertir en termo o electroconductores al mezclarlos con pequeñas cantidades (≤ 5 %) de nanopartículas conductoras, como es el caso de las nanoaleaciones de cobre-plata o nanoláminas de grafeno.6

En la actualidad hay una gran tendencia al desarrollo de polímeros nanoestructurados (ej., micelas liberadoras de fármacos, nanocristales fotónicos, etc.), polímeros multifásicos (ej. copolímeros estructurados en nanofases de diferente tipo), y nanocompuestos poliméricos para una diversidad de aplicaciones.

Los nanocompuestos poliméricos son el resultado de la combinación de polímeros y nanopartículas, y la sinergia entre las propiedades de ambas partes resulta en materiales con mejores propiedades.7 Los nanocompuestos poliméricos se encuentran en pleno crecimiento debido a que satisfacen las necesidades de tecnologías emergentes con las que se buscan materiales ligeros, durables, resistentes y con funcionalidad específica.

Termoplásticos, termofijos y elastómeros son los tres tipos de polímeros que han sido reforzados con una amplia gama de nanopartículas. Para la obtención de nanocompuestos poliméricos es indispensable establecer la proporción polímero-nanopartículas, la forma de integración de las nanopartículas al polímero, y las condiciones óptimas de procesamiento. Por lo general, se establece una proporción entre el 0.1 y 5 % en peso o volumen de las nanopartículas con respecto a la resina o polímero.

La incorporación de las nanopartículas puede ser en solución, durante la polimerización o bien mezclando con la resina en estado fundido.8 También se analiza la posible interacción química entre las nanopartículas y la matriz de polímero que permita una mejor transferencia de propiedades. El uso de pequeñas cantidades de nanopartículas permite que los polímeros mantengan sus propiedades a la vez que adquieren aquellas de las partículas nanométricas. Nylon, polipropileno, poliestireno, resinas epóxicas, poliuretanos, polietilentereftalato y acrílicos son los polímeros comúnmente empleados para el desarrollo de nanocompuestos, que difieren en propiedades mecánicas, térmicas, ópticas, termofísicas y eléctricas respecto a los polímeros ordinarios.

 

Figura 2. Extrusión de PP (polipropileno) reforzado con CuAg y nanoláminas de grafeno.

Figura 2. Extrusión de PP (polipropileno) reforzado con CuAg y nanoláminas de grafeno.

 

Hoy, la nanotecnología aplicada al campo de los polímeros experimenta un crecimiento exponencial debido a la posibilidad de crear productos novedosos y de aplicación práctica. En el Departamento de Materiales Avanzados (DMA) del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA, Saltillo) se ha adquirido gran experiencia en la síntesis de nanopartículas de TiO2, Ca, Cu, Au, Ag, BN, HfO2, Mg, Fe, ZnO y óxido de grafeno, entre otras. También se ha logrado un gran dominio en cuanto a la caracterización de las nanopartículas con diversas técnicas, como difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de trasmisión (TEM), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia UV, etc. Sin embargo, el trabajo de investigación va más allá de la preparación y caracterización de nanopartículas; en el DMA se realiza investigación científica y desarrollo tecnológico (laboratorio y nivel piloto) para aplicaciones específicas.

Algunos ejemplos: dar un carácter antimicrobiano a fibras textiles a base de polímeros, conferir propiedades de conducción y disipación de calor a matrices plásticas, desarrollar propiedades magnéticas utilizadas en implantes para el tratamiento de diversas enfermedades, desarrollo de pomadas y parches a base de nanopartículas para el tratamiento de lesiones en piel, desarrollo de biosensores para la detección temprana de padecimientos crónicos, entre muchos otros.

Bibliografía

  1. ESTIIC. Aplicaciones industriales de la nanotecnología. Fundación ITMA. Tresalia comunicación. 2018.
  2. Nanotecnología y aplicaciones relacionadas con la computación. Márquez Díaz J. E. http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia_que_es.htm. 2013.
  3. La nanotecnología en México: un desarrollo incierto. Záyago-Lau E, Foladori G, Sociedad y Territorio, núm. 32, 2010, 143-178.
  4. Nanoparticle Reinforced Polymers. Díez-Pascual A. M. Polymers 2019, 11, 625.
  5. Industrial Applications of Nanoparticles. Starka, W. J. Stoessel P. R., Wohlleben W. Hafner A., Royal Society of Chemistry 2012.
  6. Enhancement of the thermal conductivity of polypropylene with low loadings of CuAg alloy nanoparticles and graphene nanoplatelets. Medellín-Banda, D. I. et al. Mater. Today Commun. 21, 2019.
  7. Dispersión de nanotubos de carbono en polímeros. Limitaciones y retos. Espinoza-González, C. J., Espinoza-Martínez A. B., Ávila-Orta C. A., Martínez-Colunga G. Ide@s CONCYTEG 2011, 6, 760-771.
  8. Polymer nanocomposites: synthetic and natural fillers a review. Gacitua E. W., Ballerini, A., Zhang J. Maderas. Ciencia y Tecnología 7(3): 159-178, 2005.