Los micromotores son partículas muy pequeñas (medidas en micrones ) que pueden moverse por sí mismas. El término se usa a menudo indistintamente con " nanomotor ", a pesar de la diferencia de tamaño implícita. Estos micromotores en realidad se impulsan en una dirección específica de forma autónoma cuando se colocan en una solución química. Hay muchos tipos diferentes de micromotores que operan bajo una serie de mecanismos. Fácilmente, los ejemplos más importantes son los motores biológicos como las bacterias y cualquier otra célula autopropulsada. Sintéticamente, los investigadores han aprovechado las reacciones de oxidación-reducción para producir gradientes químicos, flujos de fluidos locales o corrientes de burbujas que luego impulsan estos micromotores a través de medios químicos.
Los micromotores pueden tener aplicaciones en medicina, ya que se ha demostrado que pueden entregar materiales a las células vivas dentro de un organismo. También se ha demostrado que son eficaces para degradar ciertos agentes de guerra química y biológica.
Propulsión del motor Janus
Los micromotores de esfera Janus normalmente constan de dos o más componentes diferentes, por ejemplo, una capa superficial de dióxido de titanio y una capa interior o revestimiento de agente reductor fuerte. [1] La interacción de las dos capas bajo irradiación de luz ultravioleta produce un gradiente de producto asimétrico como resultado de la degradación fotocatalítica. Los motores Janus típicos suelen tener un tamaño de aproximadamente 30 μm con una pequeña abertura de 2 μm en la capa exterior (activa). Esto conduce a la exposición del núcleo interno, que suele ser la fuente de combustible para el mecanismo de propulsión. El diámetro del agujero controla la velocidad y la velocidad de la reacción. [2]
Implementación de nanopartículas
La incorporación de nanopartículas en micromotores se ha estudiado recientemente y se ha observado más a fondo. Específicamente, se han introducido nanopartículas de oro en la capa exterior tradicional de dióxido de titanio de la mayoría de los micromotores. [2] El tamaño de estas nanopartículas de oro normalmente se distribuye entre 3 nm y 30 nm. [3] Dado que estas nanopartículas de oro se colocan en capas sobre el núcleo interno (generalmente un agente reductor, como el magnesio), se observa una mayor corrosión macrogalvánica. [4] Técnicamente, aquí es donde el cátodo y el ánodo están en contacto entre sí, creando un circuito. El cátodo, como resultado del circuito, está corroído. El agotamiento de este núcleo interno conduce a la reducción del entorno químico como fuente de combustible. Por ejemplo, en un micromotor de TiO 2 / Au / Mg en un ambiente de agua de mar, el núcleo interno de magnesio experimentaría corrosión y reduciría el agua para comenzar una cadena de reacciones que da como resultado gas hidrógeno como fuente de combustible. La reacción de reducción es la siguiente:[2]
Aplicaciones
Los investigadores esperan que los micromotores se utilicen en medicina para administrar medicamentos y realizar otras intervenciones precisas a pequeña escala. Un estudio ha demostrado que los micromotores podrían transportar partículas de oro a la capa del estómago de los ratones vivos. [5]
Degradación fotocatalítica de agentes bélicos biológicos y químicos
Los micromotores son capaces de degradación fotocatalítica con la composición adecuada. [6] [7] Específicamente, los micromotores con una capa externa de dióxido de titanio / nanopartículas de oro y un núcleo interno de magnesio se están examinando y estudiando actualmente para determinar su eficacia de degradación contra agentes de guerra química y biológica (CBWA). Estos nuevos micromotores TiO 2 / Au / Mg no producen reactivos ni subproductos tóxicos de los mecanismos de propulsión y degradación. Sin embargo, son muy efectivos contra los CBWA y presentan una degradación completa y rápida de ciertos CBWA. Se han realizado investigaciones recientes sobre micromotores de TiO 2 / Au / Mg y su uso y eficacia de degradación contra agentes de guerra biológica, como Bacillus anthracis, y agentes de guerra química, como los agentes nerviosos organofosforados , una clase de inhibidores de la acetilcolinesterasa . Por tanto, la aplicación de estos micromotores es una posibilidad para aplicaciones de defensa y medioambientales.
Mecanismo de degradación fotocatalítica
Estos nuevos micromotores están compuestos por una capa exterior / superficial de fotocatalizador fotoactivo que a menudo también tiene nanopartículas metálicas activas (platino, oro, plata, etc.) en la superficie. [8] Bajo radiación ultravioleta, el agua adsorbida produce radicales hidroxilo fuertemente oxidantes. Además, el O 2 molecular adsorbido reacciona con electrones produciendo aniones superóxido. Estos aniones superóxido también producen para la producción de radicales peróxido, radicales hidroxilo y aniones hidroxilo. Se ha observado la transformación en dióxido de carbono y agua, también conocida como mineralización , de CWA como resultado de los radicales y aniones . Además, las nanopartículas metálicas activas cambian efectivamente el nivel de Fermi del fotocatalizador, mejorando la distribución de la carga de electrones. Por lo tanto, se extiende la vida útil de los radicales y aniones, por lo que la implementación de las nanopartículas metálicas activas ha mejorado enormemente la eficiencia fotocatalítica.
Referencias
- ^ Dong, Renfeng; Zhang, Qilu; Gao, Wei; Pei, Allen; Ren, Biye (23 de noviembre de 2015). "Micromotores TiO2-Au Janus de alta eficiencia impulsados por luz". ACS Nano . 10 (1): 839–844. doi : 10.1021 / acsnano.5b05940 . PMID 26592971 .
- ^ a b c Li, Jinxing; Singh, Virendra V .; Sattayasamitsathit, Sirilak; Orozco, Jahir; Kaufmann, Kevin; Dong, Renfeng; Gao, Wei; Jurado-Sánchez, Beatriz; Fedorak, Yuri; Wang, Joseph (25 de noviembre de 2014). "Micromotores impulsados por agua para la degradación fotocatalítica rápida de agentes de guerra biológica y química" (PDF) . ACS Nano . 8 (11): 11118–11125. doi : 10.1021 / nn505029k . PMID 25289459 .
- ^ Su, Ren; Tiruvalam, Ramchandra; Él, Qian; Dimitratos, Nikolaos; Kesavan, Lokesh; Hammond, Ceri; López-Sánchez, José Antonio; Bechstein, Ralf; Kiely, Christopher J .; Hutchings, Graham J .; Besenbacher, Flemming (24 de julio de 2012). "Promoción de la fotodescomposición de fenol sobre TiO usando nanopartículas de Au, Pd y Au-Pd". ACS Nano . 6 (7): 6284–6292. doi : 10.1021 / nn301718v . PMID 22663086 .
- ^ Gao, Wei; Feng, Xiaomiao; Pei, Allen; Gu, Yonge; Li, Jinxing; Wang, Joseph (2013). "Micromotores Janus basados en magnesio impulsados por agua de mar para la remediación ambiental" . Nanoescala . 5 (11): 4696–700. Código bibliográfico : 2013Nanos ... 5.4696G . doi : 10.1039 / c3nr01458d . PMID 23640547 .
- ^ Bourzac, Katherine. "Los micromotores toman su primer baño en el cuerpo" . C&EN . Noticias de Química e Ingeniería . Consultado el 30 de mayo de 2015 .
- ^ Zhang, Qilu; Dong, Renfeng; Wu, Yefei; Gao, Wei; Él, Zihan; Ren, Biye (2017). "Micromotores Janus Au-WO3 @ C impulsados por luz para fotodegradación rápida de contaminantes colorantes". Materiales e interfaces aplicados ACS . 9 (5): 4674–4683. doi : 10.1021 / acsami.6b12081 . PMID 28097861 .
- ^ Kong, Lei; Mayorga-Martínez, Carmen; Guan, Jianguo; Pumera, Martín (2018). "Micromotores de TiO2 / Pt Janus alimentados por luz sin combustible para la degradación mejorada de explosivos nitroaromáticos". Materiales e interfaces aplicados ACS . 10 (26): 22427–22434. doi : 10.1021 / acsami.8b05776 . PMID 29916690 .
- ^ Kong, Lei; Mayorga-Martínez, Carmen; Guan, Jianguo; Pumera, Martín (2020). "Micromotores fotocatalíticos activados por UV a luz visible para remediación ambiental, microbombas, ensamblaje reversible, transporte y biomimetismo". Pequeño . 16 (27): e1903179. doi : 10.1002 / smll.201903179 . PMID 31402632 .