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José de Jesús Kú Herrera, Rosa Martha Jiménez Barrera y Gustavo Soria Argüello (CIQA)
La nanotecnología es el estudio y la manipulación de la materia a escala nanométrica (1 a 100 nm). Es decir, la nanotecnología se refiere al diseño, la fabricación y la aplicación de nanoestructuras o nanomateriales, así como al estudio fundamental de las relaciones entre las propiedades y las dimensiones de los materiales. De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades, un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10-9 m).
En últimas décadas, los nanomateriales han atraído un gran interés, ya que a esta escala surgen extraordinarias propiedades ópticas, magnéticas, eléctricas y mecánicas [1]. Dichas propiedades emergentes hacen que estos materiales tengan aplicaciones potenciales en diversos campos como la electrónica, la medicina, la biología, la producción de energía, entre otros
Los nanomateriales se pueden clasificar según la dimensión de los elementos estructurales que los componen: cero dimensional (0D), unidimensional (1D), bidimensional (2D) y tridimensional (3D). Algunos ejemplos de nanomateriales son los puntos cuánticos (0D), nanorodillos y nanoalambres (1D), nanoláminas (2D) y nanocubos (3D) [2]. No obstante, estos materiales tienden a aglomerarse, lo cual limita el aprovechamiento de sus propiedades intrínsecas y, por consiguiente, su desempeño en las aplicaciones finales.
Una alternativa que se ha venido desarrollando para aprovechar de manera más eficiente las propiedades sobresalientes de los nanomateriales, es mediante su ensamble en estructuras 3D hasta obtener estructuras macroscópicas en forma de hidrogeles, espumas, esponjas, aerogeles, telas no tejidas, etcétera [3]. Para ello, diversas estrategias han sido implementadas, tales como el método de autoensamble, electrohilado, emulsión, impresión 3D, secado por espray, entre otras.
En este sentido, en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) nos hemos enfocado en investigar, principalmente, dos estrategias de nanoestructuración en 3D: la de autoensamble y la impresión 3D.
En nuestro grupo de investigación hemos logrado autoensamblar aerogeles por medio de tratamientos hidrotérmicos o solvotérmicos seguidos de un proceso de secado. Se han obtenido aerogeles a partir de diferentes nanomateriales tales como grafeno, nanopartículas metálicas, óxidos metálicos e híbridos. Los componentes de los aerogeles se seleccionan de tal forma que sean capaces de satisfacer simultáneamente diversas necesidades de la aplicación.
Como ejemplo, en la Figura 1a se presenta un aerogel a base de grafeno con TiO2 (grafeno/TiO2). Los aerogeles obtenidos han alcanzado densidades aparentes de hasta 0.03 g/cm3, es decir, ~33 veces menor que la densidad del agua o los plásticos más comunes como el polipropileno, el polietileno, etcétera.
Además, con estos mismos nanomateriales hemos diseñado objetos altamente porosos por medio de impresión 3D. La tecnología que empleamos para imprimir los objetos 3D es el modelado de deposición en fundido (FDM), el cual consiste en fundir filamentos termoplásticos y depositarlos capa por capa siguiendo patrones específicos para obtener un objeto tridimensional previamente diseñado. En las Figuras 1b y 1c se presentan modelos tridimensionales con porosidad controlada fabricados a partir de filamentos de poli(ácido láctico)(PLA) con grafeno (PLA/grafeno), con conductividad eléctrica en orden de 101 S/cm.
Figura 1. Materiales porosos nanoestructurados en 3D desarrollados en el CIQA: (a) aerogel a base de grafeno/TiO2, (b) cilindro de PLA/grafeno con poro pequeño, (c) cilindro de PLA/grafeno con poro de mayor tamaño.
Los materiales porosos tridimensionales tienen una amplia gama de aplicaciones y por medio de la impresión 3D se pueden obtener prototipos de dispositivos funcionales en tiempos récord. Actualmente, estamos explorando una amplia gama de materiales porosos en sistemas de aprovechamiento de energía, salud y remediación ambiental.
En nuestro grupo de investigación estamos abiertos a la colaboración interdisciplinaria a fin de transcender y extrapolar los alcances de los materiales nanoestructurados en 3D. Para solicitar más información pueden contactarnos a través de la página www.ciqa.mx o bien enviarnos un correo electrónico.
Agradecimientos
Al Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos y a la empresa Raymor Industries Inc., por proveer los materiales grafénicos de este proyecto. A Lyndon Durón Sánchez y Juan Carlos Ortiz, estudiantes del programa de Doctorado en Tecnología de Polímeros del CIQA, involucrados en el desarrollo de los aerogeles a base de grafeno.
Bibliografía
[1] Baig N, Kammakakam I, Falath W. Nanomaterials: a review of synthesis methods, properties, recent progress, and challenges. Materials Advances. 2021;2(6):1821-71.
[2] Paramasivam G, Palem VV, Sundaram T, Sundaram V, Kishore SC, Bellucci S. Nanomaterials: Synthesis and Applications in Theranostics. Nanomaterials. 2021;11(12).
[3] Sun Z, Fang S, Hu YH. 3D Graphene Materials: From Understanding to Design and Synthesis Control. Chemical Reviews. 2020;120(18):10336-453.
Autores
El doctor José de Jesús Kú Herrera, la doctora Rosa Martha Jiménez Barrera y el doctor Gustavo Soria Argüello; los doctores Kú y Soria son investigadores y la doctora Jiménez es investigadora del Departamento de Química Macromolecular y Nanomateriales en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), ubicado en Saltillo, Coahuila.
Contacto
Doctor José de Jesús Kú Herrera: jesus.ku@ciqa.edu.mx; doctora Rosa Martha Jiménez Barrera: rosa.jimenez@ciqa.edu.mx; doctor Gustavo Soria Argüello: gustavo.soria@ciqa.edu.mx.
Teléfono: +52 844 438 98 30, extensión 1055.
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