Los nanodiamantes o nanopartículas de diamantes son diamantes con un tamaño inferior a 1 micrómetro . [2] Pueden producirse por eventos de impacto como una explosión o impactos meteoríticos. Debido a su síntesis económica a gran escala, su potencial de funcionalización de la superficie y su alta biocompatibilidad, los nanodiamantes se investigan ampliamente como un material potencial en aplicaciones biológicas y electrónicas e ingeniería cuántica. [3] [4]
Historia
En 1963, los científicos soviéticos del Instituto de Investigación de Física Técnica de toda la Unión notaron que los nanodiamantes eran creados por explosiones nucleares que usaban explosivos de activación a base de carbono. [3] [5]
Estructura y composición
Hay tres aspectos principales en la estructura de las nanopartículas de diamante a considerar: la forma general, el núcleo y la superficie. A través de múltiples experimentos de difracción, se ha determinado que la forma general de las nanopartículas de diamante es esférica o elíptica. En el núcleo de las nanopartículas de diamante se encuentra una jaula de diamante, que se compone principalmente de carbonos. [6] Si bien el núcleo se parece mucho a la estructura de un diamante, la superficie de las nanopartículas de diamante en realidad se parece a la estructura del grafito. Un estudio reciente muestra que la superficie está formada principalmente por carbonos, con altas cantidades de fenoles, pironas y ácido sulfónico, así como grupos de ácido carboxílico, grupos hidroxilo y grupos epóxido, aunque en menor cantidad. [7] Ocasionalmente, se pueden encontrar defectos como los centros vacantes de nitrógeno en la estructura de las nanopartículas de diamante. La investigación de 15N NMR confirma la presencia de tales defectos. [8] Un estudio reciente muestra que la frecuencia de los centros vacantes de nitrógeno disminuye con el tamaño de las nanopartículas de diamante. [9]
Métodos de producción
Además de las explosiones, los métodos de síntesis incluyen la síntesis hidrotermal, el bombardeo de iones, el bombardeo con láser, las técnicas de deposición química de vapor con plasma de microondas, la síntesis por ultrasonidos [10] y la síntesis electroquímica. [11] Además, la descomposición del C3N4 grafítico a alta presión y alta temperatura produce grandes cantidades de nanopartículas de diamante de alta pureza. [12] Sin embargo, la síntesis por detonación de nanodiamantes se ha convertido en el estándar de la industria en la producción comercial de nanodiamantes: los explosivos más comúnmente utilizados son mezclas de trinitrotolueno y hexógeno u octógeno. La detonación se realiza a menudo en una cámara de acero inoxidable sellada, libre de oxígeno y produce una mezcla de nanodiamantes con un promedio de 5 nm y otros compuestos grafíticos. [13] En la síntesis de detonación, los nanodiamantes se forman bajo presiones superiores a 15 GPa y temperaturas superiores a 3000 K en ausencia de oxígeno para evitar la oxidación de las nanopartículas de diamante. [13] El rápido enfriamiento del sistema aumenta los rendimientos de nanodiamantes ya que el diamante sigue siendo la fase más estable en tales condiciones. La síntesis de detonación utiliza refrigerantes a base de gas y líquidos, como argón y agua, espumas a base de agua y hielo. [13] Debido a que la síntesis de detonación da como resultado una mezcla de partículas de nanodiamantes y otras formas de carbono grafítico, se deben emplear métodos de limpieza extensivos para eliminar las impurezas de la mezcla. En general, el tratamiento con ozono gaseoso o la oxidación con ácido nítrico en fase de solución se utiliza para eliminar los carbonos sp2 y las impurezas metálicas. [13]
Aplicaciones potenciales
El defecto del centro NV consiste en un átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono junto a una vacante (espacio vacío en lugar de un átomo) dentro de la estructura reticular del diamante. [14] Los avances recientes (hasta 2019) en el campo de los nanodiamantes en aplicaciones de detección cuántica que utilizan NV se han resumido en la siguiente revisión. [15]
La aplicación de un pulso de microondas a tal defecto cambia la dirección de su espín electrónico . La aplicación de una serie de pulsos de este tipo (secuencias de desacoplamiento de Walsh) hace que actúen como filtros. Al variar el número de pulsos en una serie, se cambia la dirección de giro un número diferente de veces. [14] Extraen eficientemente coeficientes espectrales mientras suprimen la decoherencia, mejorando así la sensibilidad. [16] Se utilizaron técnicas de procesamiento de señales para reconstruir todo el campo magnético. [14]
El prototipo utilizó un diamante cuadrado de 3 mm de diámetro, pero la técnica puede reducirse a decenas de nanómetros. [14]
Microabrasivo
Los nanodiamantes comparten la dureza y la estabilidad química de los diamantes de escala visible, lo que los convierte en candidatos para aplicaciones como abrillantadores y aditivos de aceite de motor para mejorar la lubricación . [3]
Médico
Las nanopartículas de diamante tienen el potencial de ser utilizadas en innumerables aplicaciones biológicas y debido a sus propiedades únicas como la inercia y la dureza, los nanodiamantes pueden resultar una mejor alternativa a los nanomateriales tradicionales que se utilizan actualmente para transportar medicamentos, revestir materiales implantables y sintetizar biosensores y robots biomédicos. [17] La baja citotoxicidad de las nanopartículas de diamante afirma su utilización como materiales biológicamente compatibles. [17]
Los estudios in vitro que exploran la dispersión de nanopartículas de diamante en las células han revelado que la mayoría de las nanopartículas de diamante exhiben fluorescencia y se distribuyen uniformemente. [18] Las partículas de nanodiamantes fluorescentes pueden producirse en masa mediante la irradiación de nanocristalitos de diamante con iones de helio. [19] El nanodiamante fluorescente es fotoestable, químicamente inerte y tiene una vida útil prolongada, lo que lo convierte en un gran candidato para muchas aplicaciones biológicas. [20] Los estudios han demostrado que las pequeñas nanopartículas de diamante fotoluminiscentes que permanecen libres en el citosol son excelentes contendientes para el transporte de biomoléculas. [21]
Diagnóstico in vitro
Los nanodiamantes que contienen defectos de vacancia de nitrógeno se han utilizado como una etiqueta ultrasensible para diagnósticos in vitro, utilizando un campo de microondas para modular la intensidad de emisión y el análisis de dominio de frecuencia para separar la señal de la autofluorescencia de fondo. [22] Combinados con la amplificación de la polimerasa recombinasa , los nanodiamantes permiten la detección de una sola copia del ARN del VIH-1 en un formato de prueba de flujo lateral de bajo costo .
Entrega de medicamentos
Las nanopartículas de diamante de ~ 5 nm de tamaño ofrecen una gran superficie accesible y una química de superficie adaptable. Tienen propiedades ópticas, mecánicas y térmicas únicas y no son tóxicas. Se ha demostrado el potencial de los nanodiamantes en la administración de fármacos , los mecanismos fundamentales, la termodinámica y la cinética de la adsorción de fármacos en nanodiamantes son poco conocidos. Los factores importantes incluyen pureza, química de la superficie , calidad de la dispersión, temperatura y composición iónica.
Los nanodiamantes (con moléculas adheridas) pueden atravesar la barrera hematoencefálica que aísla al cerebro de la mayoría de las agresiones. En 2013, las moléculas de doxorrubicina (un fármaco popular contra el cáncer) se unieron a superficies de nanodiamantes, creando el fármaco ND-DOX . Las pruebas mostraron que los tumores no podían expulsar el compuesto, lo que aumentaba la capacidad del fármaco para impactar en el tumor y reducir los efectos secundarios. [3]
Los nanodiamantes más grandes, debido a su "alta eficiencia de absorción", tienen el potencial de servir como marcadores celulares. [21] Los estudios han concluido que las nanopartículas de diamante son similares a los nanotubos de carbono y, al ser tratadas con tensioactivos, la estabilidad y biocompatibilidad tanto de los nanotubos de carbono como de los nanodiamantes en solución aumentan considerablemente. [18] Además, la capacidad de funcionalizar en superficie nanodiamantes de pequeño diámetro ofrece varias posibilidades para que las nanopartículas de diamante se utilicen como biomarcadores con una citotoxicidad potencialmente baja. [18]
Catálisis
La disminución del tamaño de las partículas y la funcionalización de sus superficies [18] pueden permitir que las nanopartículas de diamante de superficie modificada proporcionen proteínas, que luego pueden proporcionar una alternativa a los catalizadores tradicionales. [23]
Protección de la piel
Los nanodiamantes son bien absorbidos por la piel humana. También absorben más ingredientes de los productos para el cuidado de la piel que la piel misma. Por lo tanto, hacen que más ingredientes penetren en las capas más profundas de la piel. Los nanodiamantes también forman fuertes lazos con el agua, lo que ayuda a hidratar la piel. [3]
Cirugía
Durante las operaciones de reparación de la mandíbula y los dientes, los médicos normalmente utilizan la cirugía invasiva para pegar una esponja que contiene proteínas estimulantes del crecimiento óseo cerca del área afectada. Sin embargo, los nanodiamantes se unen tanto a la proteína morfogenética ósea como al factor de crecimiento de fibroblastos , los cuales estimulan la reconstrucción del hueso y el cartílago y pueden administrarse por vía oral. [3] El nanodiamante también se ha incorporado con éxito a la gutapercha en la terapia del conducto radicular. [24]
Análisis de sangre
Los nanodiamantes defectuosos pueden medir la orientación de los espines de los electrones en campos externos y, por lo tanto, medir su fuerza. Pueden absorber electrostáticamente proteínas de ferritina en la superficie del diamante, donde su número se puede medir directamente, así como el número de átomos de hierro (hasta 4.500) que componen la proteína. [3]
Electrónica y sensores
Sensor
Los defectos que ocurren naturalmente en los nanodiamantes, llamados centros de nitrógeno vacante (NV) , se han utilizado para medir cambios a lo largo del tiempo en campos magnéticos débiles , al igual que lo hace una brújula con el campo magnético terrestre. Los sensores se pueden usar a temperatura ambiente y, dado que están compuestos completamente de carbono, podrían inyectarse en células vivas sin causarles ningún daño, dice Paola Cappellaro . [14]
Sensor nanomecánico y sistema nanoelectromecánico (NEMS)
Estudios recientes han demostrado que los diamantes a nanoescala pueden doblarse a una deformación elástica de tracción máxima local superior al 9%, [25] con la tensión de tracción máxima correspondiente alcanzada ~ 100 gigapascales, lo que los hace ideales para sensores nanomecánicos de alto rendimiento y aplicaciones NEMS.
Computación óptica
Los nanodiamantes ofrecen una alternativa a los metamateriales fotónicos para la computación óptica . Los mismos nanodiamantes de defecto único que se pueden usar para detectar campos magnéticos también pueden usar combinaciones de luz verde e infrarroja para habilitar / interrumpir la transmisión de luz, lo que permite la construcción de transistores y otros elementos lógicos. [3]
Computación cuántica
Los nanodiamantes con centros NV pueden servir como una alternativa de estado sólido a los iones atrapados para la computación cuántica a temperatura ambiente . [3]
Premios y reconocimientos
- Premio Ig Nobel de la Paz 2012 : The SKN Company, por convertir viejas municiones rusas en nuevos diamantes
- En 2015, Amanda Barnard , líder científica de la Oficina del Director Ejecutivo (OCE) de Australia, la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), recibió el premio de teoría en los premios Feynman de los Institutos Foresight de nanotecnología. Utilizando métodos teóricos y computacionales, Amanda Barnard mejoró la comprensión de la estructura y estabilidad de las nanoestructuras de carbono y el papel que juega la forma en el establecimiento de propiedades e interacciones en diferentes condiciones. El premio anunciado se centró en su trabajo sobre nanopartículas de diamantes (nanodiamantes). [26]
Ver también
- Nanovara de diamante agregada , una forma nanocristalina de diamante también conocida como nanodiamante o hiperdiamante
- Nanodiamante de detonación
Referencias
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