¿Qué es la aglomeración de nanopartículas?

Un solo grano cristalino o esfera amorfa obtenido a partir de la síntesis se denomina partícula primaria; cuando varias partículas primarias se tocan y se unen formando una unidad más grande, se forma un aglomerado.

Los aglomerados se dividen habitualmente en dos clases según la fuerza de la unión: los aglomerados blandos se mantienen unidos principalmente por interacciones físicas débiles, como las fuerzas de van der Waals, mientras que los aglomerados duros se mantienen mediante enlaces químicos o conexiones formadas durante la sinterización. Los primeros aún pueden redispersarse con energía externa, como el ultrasonido; en los segundos, los puntos de contacto ya se han convertido en un solo cuerpo y las operaciones de dispersión convencionales apenas pueden separarlos.

Cuanto más pequeñas son las partículas, mayor es la proporción de átomos superficiales, y el área superficial específica y la energía libre superficial del sistema aumentan en consecuencia. Una vez que las partículas se tocan entre sí, parte de su superficie se convierte en una interfaz de contacto y la energía libre disminuye, razón por la cual las nanopartículas tienden a aglomerarse.

Este tipo de aglomeración está presente en los nanopolvos comerciales de γ-Al₂O₃: la microscopía electrónica de transmisión (TEM) mostró que, para dos muestras con tamaños nominales de 5 nm y 10 nm, las partículas primarias promediaban unos 10 nm, y después de que los polvos se dispersaran en NaCl 1 mM mediante sonicación con sonda durante 30 min, el diámetro hidrodinámico en condiciones ácidas seguía siendo de 202–266 nm.

La TEM mide el tamaño proyectado de las partículas primarias individuales, mientras que la dispersión de luz dinámica registra la fluctuación de la intensidad de la luz dispersada con el tiempo y la convierte, mediante la ecuación de Stokes–Einstein, en el diámetro hidrodinámico, que corresponde a la unidad de dispersión que realmente se mueve en el líquido.

Para el γ-Al₂O₃, el diámetro hidrodinámico es más de 20 veces el tamaño de la partícula primaria, lo que indica que cada unidad de dispersión contiene una gran cantidad de partículas primarias. Las acumulaciones de partículas observadas en las micrografías electrónicas incluyen tanto la aglomeración originalmente presente en el polvo como los contactos recién formados en la rejilla de TEM mientras se secaba la gota.

Los nuevos contactos en la rejilla provienen de la evaporación del solvente: los puentes líquidos que se encogen entre las partículas generan una fuerza capilar lo suficientemente fuerte como para superar la repulsión electrostática entre ellas. Mientras las partículas aún están en el líquido, lo que actúa entre ellas es principalmente una competencia entre la atracción de van der Waals y la repulsión de la doble capa eléctrica o el impedimento estérico de una capa adsorbida. Una vez que la temperatura se eleva a las temperaturas de calcinación o reacción catalítica, los cuellos de sinterización también crecen en los puntos de contacto; los átomos se difunden a lo largo de la interfaz de contacto y las partículas vecinas se fusionan gradualmente en una partícula más grande.

¿Cómo se puede mantener a las partículas mutuamente repulsivas en la fase líquida?

Cuando dos nanopartículas se encuentran en un líquido, la atracción de van der Waals aumenta rápidamente a medida que la separación se reduce. La teoría clásica DLVO describe la interacción interpartícula como la suma de la repulsión electrostática de la doble capa eléctrica y la atracción de van der Waals; cuando la repulsión es lo suficientemente fuerte, aparece una barrera de energía repulsiva en la curva de energía de interacción total y la mayoría de las colisiones no pueden superarla.

La carga en la superficie de la partícula proporciona repulsión electrostática, mientras que el polímero adsorbido en la superficie proporciona impedimento estérico; ambos responden de manera diferente a la concentración de sal de la solución.

¿Cómo cambian el pH y la fuerza iónica la repulsión electrostática?

En agua, la superficie de las partículas de óxido suele estar cubierta de grupos hidroxilo. A pH bajo, los hidroxilos superficiales se unen a los protones y las partículas se cargan positivamente; a pH alto, los hidroxilos pierden protones y las partículas se cargan negativamente. El pH al cual el potencial zeta es cero se denomina punto isoeléctrico.

El punto isoeléctrico del dióxido de titanio P25 es de aproximadamente pH 6.2; el Na⁺ y el Cl⁻ no se adsorben específicamente en su superficie, y el valor no cambia cuando se varía la concentración de NaCl. A un pH cercano a 6.2, la superficie de la partícula casi no transporta carga neta y aparecen grandes flóculos en la dispersión.

Figura 2. Potencial zeta y diámetro hidrodinámico promedio de dispersiones de nanopartículas de dióxido de titanio en función del pH en soluciones de NaCl de diferentes fuerzas iónicas. DOI: 10.1007/s11671-010-9772-1

Una mayor concentración de NaCl comprime la doble capa eléctrica alrededor de las partículas. Cuando el pH está lejos del punto isoeléctrico, un aumento en la fuerza iónica disminuye el valor absoluto del potencial zeta y las partículas se agregan más fácilmente: a una fuerza iónica de 0.001 M, el diámetro hidrodinámico de la dispersión de P25 a pH 3–4 y por encima de pH 8.5 es de aproximadamente 200 nm; cuando la fuerza iónica aumenta a 0.01 M y 0.1 M, el diámetro a pH 3–4 aumenta a aproximadamente 1 μm.

La magnitud del efecto de la sal varía según el sistema: para el γ-Al₂O₃ a un pH por debajo del punto de carga cero (alrededor de pH 7.5–8), la dispersión permanece estable hasta una concentración de NaCl de 100 mM y se agrega notablemente una vez que la concentración se eleva a 1000 mM.

Para las dispersiones estabilizadas por repulsión electrostática, tanto ajustar el pH a un valor alejado del punto isoeléctrico como lavar las sales sobrantes de la síntesis con agua desionizada elevan la barrera de energía repulsiva. Cuando el medio de dispersión en sí contiene una gran cantidad de sal, este enfoque es difícil de aplicar: a pH 7.4 y 150 mM de NaCl (salinidad fisiológica), las nanopartículas de oro estabilizadas con citrato se agregan porque su carga superficial está parcialmente neutralizada.

¿Cómo mantienen los polímeros adsorbidos a las partículas separadas?

Cuando las cadenas de polímero están firmemente adsorbidas en la superficie de la partícula y se extienden hacia el solvente, dos partículas que se acercan comprimen sus respectivas capas adsorbidas, produciendo una repulsión estérica que no depende de la carga superficial.

Cuando una dispersión de nanopartículas de oro de 15 nm se ajustó a pH 7.4 y 150 mM de NaCl, las muestras sin polietilenglicol (PEG) y con PEG lineal que portaba grupos terminales hidroxilo o metoxi cambiaron inmediatamente de rojo a gris-azulado y precipitaron, mientras que las muestras con PEG lineal terminado en tiol y con PEG cíclico seguían rojas después de 1000 min. Los autores sostienen que, una vez que la carga superficial ha sido apantallada por la alta concentración de sal, la capa de PEG adsorbida sigue evitando que las partículas se toquen entre sí.

Figura 3. Fotografías y espectros de absorción UV-vis de dispersiones de nanopartículas de oro que contienen diferentes polietilenglicoles antes de agregar tampón de fosfato concentrado, inmediatamente después de agregarlo y después de 1000 min. DOI: 10.1038/s41467-020-19947-8

El grosor de esta capa de PEG se puede estimar mediante dispersión de luz dinámica: las partículas de oro sin PEG tenían un diámetro de 19 nm, el cual aumentó solo a 20 nm después de agregar PEG lineal con grupos terminales hidroxilo o metoxi; el PEG tiol forma un enlace químico con la superficie del oro y aumentó el diámetro a 28 nm, mientras que el PEG cíclico, basándose en la adsorción física, también lo aumentó a 26 nm, lo que demuestra que los dos últimos forman capas adsorbidas más gruesas alrededor de las partículas.

Las moléculas que son demasiado pequeñas tampoco son eficaces: después de agregar 18-corona-6 con un diámetro de aproximadamente 0.7 nm, todas las partículas de oro precipitaron.

El grado de cobertura de la capa adsorbida depende de la cantidad de polímero utilizado: para partículas de oro de 5 nm con PEG cíclico de peso molecular aproximado de 5000 a una concentración de 0.025 % en peso, solo quedó el 22 % de la absorbancia relativa después de reposar durante 1000 min a salinidad fisiológica; a concentraciones de 0.25 % en peso y 2.5 % en peso, se retuvieron el 78 % y casi ningún cambio, respectivamente. Cuando la cobertura es insuficiente, también puede producirse un puenteo.

En experimentos de secado con partículas de oro depositadas por goteo, cuando se utilizó albúmina de suero bovino a aproximadamente 1/20 de la cantidad óptima, las moléculas de proteína podían adsorberse en varias partículas al mismo tiempo, uniendo las partículas en grandes racimos.

¿Cómo se puede evitar la aglomeración dura cuando se elimina el disolvente?

Cuando las partículas se secan hasta convertirse en un polvo, el disolvente se retrae hacia los huecos entre las partículas y forma puentes líquidos; la fuerza capilar generada por la superficie líquida curvada acerca las partículas entre sí.

Una estimación para dos partículas de sílice de 20 nm muestra que la energía del puente líquido durante la evaporación es de aproximadamente 10³ kBT, mucho mayor que la barrera de energía de repulsión electrostática, y suficiente para acercar las partículas a una distancia a la que actúa la atracción de van der Waals. A medida que las superficies de las partículas continúan perdiendo agua, la atracción entre ellas se fortalece aún más.

¿Cómo se puede reducir la presión capilar durante el secado por evaporación?

La presión capilar se puede estimar con la ecuación de Young–Laplace: ΔP = 2γcosθ/r, donde γ es la tensión superficial del disolvente, θ el ángulo de contacto y r el radio de los poros. Cuanto más pequeño es el poro, mayor es la presión capilar; dado que los huecos entre las nanopartículas son de escala nanométrica, la presión capilar durante el secado es muy grande.

Reemplazar el agua entre las partículas con un disolvente de baja tensión superficial, como el etanol, antes del secado reduce γ y, por lo tanto, la presión capilar. Para los geles húmedos de sílice cuya superficie porta grupos silanol, también se añade un reactivo de sililación, como el trimetilclorosilano, antes del secado a presión ambiente. Dichos reactivos reemplazan el hidrógeno del Si–OH con grupos alquilo como el metilo, de modo que la superficie se vuelve hidrófoba, el ángulo de contacto θ aumenta y la presión capilar se reduce aún más.

Además de la presión capilar, a medida que el puente líquido se encoge, partículas aún más pequeñas migran hacia el punto de contacto. En un sistema polidisperso compuesto por partículas de sílice de 20 nm a 90 μm, las partículas pequeñas se acumulan en los puentes líquidos que se encogen y forman puentes sólidos entre las partículas grandes después del secado; en depósitos bidispersos y polidispersos, la energía de desprendimiento de las partículas de 20 μm es aproximadamente 15 y 20 veces mayor, respectivamente, que en un sistema monodisperso, y los agregados permanecen estables cuando se vuelven a mojar y se lavan con un flujo de agua.

¿Cómo evitan la liofilización y el secado supercrítico la interfaz líquido-gas?

Tanto la fuerza capilar como los puentes sólidos seoriginan a partir de la superficie líquida en retroceso. El secado supercrítico eleva la temperatura y la presión dentro del recipiente por encima del punto crítico del disolvente, de modo que el líquido se convierte en un fluido supercrítico; la interfaz líquido-gas y la tensión superficial desaparecen y la fuerza capilar deja de surgir. El secado supercrítico a baja temperatura primero reemplaza el agua con un disolvente orgánico como el etanol y luego con CO₂, cuya temperatura crítica está cerca de la temperatura ambiente; esta ruta depende de equipos resistentes a la presión y es relativamente costosa.

La liofilización, por el contrario, permite que el agua se congele primero y luego la sublima a una baja presión de aproximadamente una diezmilésima de la presión atmosférica, evitando así la evaporación del agua líquida. La etapa de congelación, sin embargo, trae nuevos problemas: a medida que el agua sigue congelándose, los solutos se concentran en el líquido restante sin congelar, las interacciones entre las partículas se vuelven más fuertes y el crecimiento de los cristales de hielo también genera estrés mecánico.

Después de congelar nanopartículas de oro de 15 nm con nitrógeno líquido y liofilizarlas, las muestras sin PEG y con PEG lineal terminado en hidroxilo o metoxílo se convirtieron en sólidos gris-azules que no pudieron redispersarse al añadir agua, siendo su absorbancia relativa no superior al 9%; las muestras de tiol PEG y PEG cíclico se mantuvieron rojas y se recuperaron en un 84% y 91%, respectivamente, tras la redispersión.

Figura 4. Estado de las muestras en las tres etapas de la liofilización —congelación, secado primario y secado secundario— y esquema de la temperatura de estantería y la presión de la cámara en función del tiempo. DOI: 10.3390/ijms241814041

Además de adsorber PEG en la superficie de las partículas, la adición de trehalosa o sacarosa se utiliza más comúnmente al liofilizar nanopartículas. Se cree que estos lioprotectores forman una matriz vítrea que rodea las partículas a baja temperatura, manteniendo las partículas separadas y amortiguando también el estrés causado por el crecimiento de los cristales de hielo. La temperatura del secado primario también afecta la redispersión: una vez que la temperatura del producto supera la temperatura de colapso, la torta liofilizada porosa colapsa, la humedad residual aumenta y las partículas se vuelven más difíciles de redispersar.

¿Cómo se puede redispersar un polvo seco?

Cuando un polvo seco se reincorpora a un líquido, la energía mecánica proporcionada por el ultrasonido puede romper los aglomerados blandos; la entrada de energía se expresa habitualmente como energía por unidad de volumen (J/mL). En una medición del tamaño de partícula de un pigmento de dióxido de titanio, la muestra se dispersó primero mediante ultrasonido a 562 J/mL en agua que contenía un 2% de polifosfato, y algunos aglomerados reaparecieron tras reposar durante la noche; tratarla en un baño ultrasónico de 80 W durante 1 min antes de la medición produjo una proporción mayor de partículas primarias en la distribución de tamaños que una muestra que simplemente se agitó a mano.

Figura 5. Distribuciones de tamaño de partícula medidas mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente de partícula única para una predispersión de pigmento de dióxido de titanio después de 1 min de tratamiento en baño ultrasónico y después de la redispersión únicamente por agitación manual. DOI: 10.3762/bjnano.15.29

Los investigadores eligieron 562 J/mL basándose en que, por encima de unos 250 J/mL, los aglomerados duros y las partículas primarias comienzan a romperse, pero a un ritmo muy bajo; a medida que la energía aumenta aún más, las propias partículas primarias también pueden romperse, y el tamaño de partícula medido se vuelve entonces más pequeño. Incluso después de una dispersión exhaustiva, algunos aglomerados duros permanecen en la muestra.

¿Cómo se puede reprimir el crecimiento de partículas durante la calcinación y a altas temperaturas?

Durante la calcinación, la difusión atómica se acelera, las partículas en contacto se unen a través de cuellos de sinterización y se fusionan gradualmente en partículas más grandes. Las partículas metálicas soportadas sobre un portador también pueden crecer de otras dos maneras: una partícula entera migra y se fusiona con una partícula vecina, o los átomos se transfieren de una partícula pequeña a una grande, siendo este último el proceso de maduración de Ostwald. Ambas vías requieren contacto o intercambio de materia entre las partículas.

¿Cómo puede una capa de recubrimiento separar las partículas durante la calcinación?

Las nanopartículas de upconversion YVO₄:Yb,Er sintetizadas mediante el método de complejación con citrato de sodio son inferiores a 10 nm pero tienen baja cristalinidad y necesitan recocido; tras la calcinación directa a 750 °C durante 2 h, la distribución de tamaño de partícula se ensancha y se produce aglomeración.

Una capa de recubrimiento de sílice se hizo crecer primero alrededor de las partículas con ortosilicato de tetraetilo, y el polvo se calcinó posteriormente a 750 °C durante 2 h. La inmersión posterior en solución de NaOH 0.5 M durante 4 h disolvió la mayor parte de la sílice, dando lugar a partículas bien dispersas de alta cristalinidad con un tamaño de 10–15 nm medido por TEM.

Figura 6. Proceso de recubrimiento de nanopartículas de upconversion YVO₄:Er,Yb con sílice, su calcinación y posterior eliminación de la capa de recubrimiento con álcali, junto con imágenes de TEM de las partículas obtenidas por calcinación a 750 °C durante 2 h con y sin el recubrimiento. DOI: 10.3390/nano11061535

Durante la calcinación, la capa de recubrimiento ocupa el espacio entre las partículas, de modo que las partículas vecinas de YVO₄ no se tocan directamente: la cristalinidad en el interior de las partículas aumenta, pero las partículas carecen de los puntos de contacto en los que se podrían formar los cuellos de sinterización. Cuando se elimina la capa de recubrimiento, el estudio controló el grosor de la capa de sílice residual a través de la concentración de la solución de NaOH y el tiempo de inmersión.

¿Cómo pueden las partículas soportadas reprimir la sinterización aumentando su distancia de encuentro?

Para partículas metálicas soportadas sobre un portador, se pueden comparar dos longitudes: la distancia d que las partículas vecinas deben recorrer para encontrarse, y la longitud de migración r de una sola partícula a una temperatura dada. Cuando d

Figura 7. Relación entre la distancia de encuentro d de partículas vecinas y la longitud de migración r de una sola partícula en tres portadores —una superficie plana, un poro unidimensional y un compartimento de boca ancha— y esquema del estado de las partículas después de la calcinación. DOI: 10.1038/srep41773

En el portador de sílice tipo compartimento de boca ancha, el número de compartimentos es más de 7 veces el número de partículas de platino, la mayoría de los compartimentos contienen como máximo una partícula, y las paredes del compartimento hacen que la distancia de recorrido real de las partículas vecinas sea mucho mayor que la separación en línea recta de aproximadamente 30 nm.

Partículas de platino de aproximadamente 1,7 nm encapsuladas en dendrímeros se cargaron a aproximadamente 0,07 % en peso en los tres portadores de sílice; después de la calcinación en aire a 550 °C durante 4 h, las partículas de platino en el portador de compartimento seguían siendo de 1,7 ± 0,4 nm, mientras que crecieron hasta 7,1 ± 1,8 nm en los canales mesoporosos de SBA-15 y hasta 10,1 ± 3,6 nm en la superficie de nanoesferas de sílice sólida.

En observaciones de calentamiento in situ bajo vacío, una partícula dentro del mismo canal de SBA-15 se volvió más pequeña mientras que una partícula vecina se volvió más grande, lo cual es coherente con la maduración de Ostwald.

Figura 8. Micrografías electrónicas y distribuciones de tamaño de partícula de partículas de platino soportadas sobre sílice tipo compartimento, sílice mesoporosa SBA-15 y nanoesferas de sílice antes y después de la calcinación en aire a 550 °C durante 4 h. DOI: 10.1038/srep41773

Cuando la carga de platino se elevó al 0,84 % en peso, la probabilidad de que aparecieran varias partículas en el mismo compartimento aumentó, y después de la calcinación las partículas crecieron hasta 2,7 ± 2,1 nm. Los compartimentos abiertos también permiten que los reactivos lleguen fácilmente a la superficie de las partículas: la dispersión de platino medida por quimisorción de CO fue del 67 %, 22 % y 18 % en el portador de compartimento, SBA-15 y nanoesferas de sílice, respectivamente. Las partículas de platino en SBA-15 también bloquean los canales, de modo que la velocidad de oxidación del CO normalizada respecto a los sitios activos es menor.