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Extrayendo SILICIO de unas rocas | Colección de elementos químicos

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Laboratorio de Quimica Preparatoria Melchor Ocampo

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Norberto Rodríguez-Suarez

Universidad de Oriente, Cuba

Omaida Quesada-González * oquesada@uo.edu.cu

Universidad de Oriente, Cuba

Edelio Danguillecourt-Álvarez

Isabel Almenares-Verdecia

Universidad de Oriente, Cuba

Materiales carbonosos nanoestructurados: obtención, agentes dopantes y aplicaciones electroquímicas

Revista Cubana de Química , vol. 33, núm. 1, pp. 93-116, 2021

Universidad de Oriente

Recepción: 02 Noviembre 2020

Aprobación: 10 Diciembre 2020

RESUMEN: Los materiales carbonosos en la actualidad tienen una gran importancia debido a que son utilizados en dispositivos electroquímicos capaces de almacenar la energía proveniente de fuentes renovables de generación de electricidad. En este trabajo se realizó una búsqueda sobre las características de los precursores y los métodos de síntesis y caracterización de materiales carbonosos con aplicaciones electroquímicas. Como resultado de esta revisión se obtiene que la vinaza de destilería y el licor de torula son fuentes potenciales de carbono para la síntesis de estos materiales. Además, que los métodos de síntesis que utilizan plantillas conducen a un mejoramiento de las propiedades eléctricas, las arcillas son las plantillas más utilizadas para la síntesis, pero se evidencia la posibilidad de utilizar zeolitas químicamente modificadas con estos fines. El dopaje con nitrógeno, fósforo y algunos óxidos metálicos conduce a un mejoramiento de las propiedades eléctricas de los materiales obtenidos.

Palabras clave: síntesis de materiales carbonosos, arcillas, fuentes de carbono.

ABSTRACT: Carbonaceous materials are currently of great importance because they are used in electrochemical devices capable of storing energy from renewable sources of electricity generation. In this work, a search on the characteristics of precursors, synthesis methods and characterization of carbonaceous materials with electrochemical applications was carried out. As a result of this review is obtained that distillery vinasse and torula liquor are potential sources of carbon for the synthesis of those materials. Also those synthesis methods using templates lead to improved electrical properties, clays are the most commonly used templates for synthesis, but it is evidenced the possibility of using zeolites chemically modified with these ends. The doping with nitrogen, phosphorus and some metal oxides leads to an improvement of the electrical properties of the obtained materials.

Keywords: synthesis of carbonaceous materials, clays, carbon sources.

Introducción

El uso indiscriminado de los combustibles fósiles ha provocado que sus reservas a escala mundial estén disminuyendo más rápidamente de lo que se esperaba, además del impacto negativo al medio ambiente debido a la emisión de gases de efecto invernadero ha conllevado a la búsqueda de fuentes de energía más limpias y sustentables en el tiempo, como es el caso de las fuentes renovables de energía.

El uso de materiales carbonosos desordenados viene dado por presentar valores de capacidad específica reversible superiores al del grafito (300 mAh/g), valores de capacitancia superior a 100 F/g a altas velocidades de barrido, conductividad electrónica superior a 10⁻¹ S/cm y relación microporos/mesoporos en el entorno de 50/50 a 40/60. Todo ello se complementa con la necesidad económica y social de emplear en su síntesis, precursores baratos, accesibles y amigables con el medio ambiente.³

Los materiales carbonosos que presentan una estructura desordenada y una gran área superficial son muy usados en dispositivos electroquímicos, lo cual está relacionado con la cantidad de portadores de cargas que puede ser capaz de albergar y esto es de gran importancia ya que la capacidad reversible del electrodo es dependiente en gran medida de este parámetro. Otros materiales carbonosos como el grafeno, los nanotubos de carbono, los carbones activados (CA), entre otros son ampliamente utilizados como materiales de electrodos para supercapacitores, debido a que presentan buena conductividad eléctrica, estabilidad electroquímica y abundancia natural.

También se han evaluado otros precursores un poco más funcionalizados como son los carbohidratos, debido a que los grupos funcionales, que no son eliminados en la pirolisis y se encuentran en la superficie del material carbono, tienden a modificar las propiedades de dicho material. Los productos de la biomasa son materias primas adecuadas para la preparación de carbones porosos con buena capacidad electroquímica, ya que son baratos, renovables y fácilmente disponibles.

Líneas de investigación más actualesestán enfocadas al uso de precursores más económicos, como es el caso de los residuales agroindustriales, con alto contenido de materia orgánica.³⁾ De esta forma no solo se reducen los costos de producción, sino que se resuelve un problema medioambiental al darle utilidad a estos residuos que son vertidos al medio ambiente.

En la literatura se reflejan una amplia gama de métodos de síntesis para materiales carbonosos, predominando una tendencia al uso de plantillas nanométricas, como las arcillas ⁶,⁷,⁸,⁹,¹⁰,¹¹, las zeolitas, entre otras. Con el empleo de estas plantillas naturales se han logrado obtener materiales carbonosos con propiedades muy atractivas para aplicaciones electroquímicas.¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶ El dopaje es también un elemento de mucha importancia en la síntesis de este tipo de materiales, pues se ha demostrado que el fósforo, el nitrógeno y algunos óxidos metálicos tienen una influencia positiva sobre las propiedades eléctricas de estos materiales.¹⁷,¹⁸,¹⁹

Por lo que el objetivo de este trabajo es realizar una búsqueda sobre las características de los precursores y los métodos de síntesis y caracterización de los materiales carbonosos para aplicaciones electroquímicas.

Desarrollo del tema

La introducción de los materiales carbonosos a la industria de fabricación de accesorios capaces de almacenar energía conllevó a la aparición de nuevas aplicaciones, pues las baterías fabricadas con esta tecnología tienen una mayor capacidad reversible, son más ligeras y el número de ciclos es mayor, por esto y otras propiedades que presentan están desplazando a otras formas de almacenamiento de energía. El desarrollo de nuevos materiales carbonosos es indispensable para obtener dispositivos electroquímicos más eficientes, por lo que existe una tendencia a la evaluación de diferentes fuentes de carbono y métodos síntesis en busca de materiales carbonosos con mejores propiedades eléctricas que los existentes, otros buscan materiales con propiedades comparables a los que están en el mercado, pero obtenidos a partir de fuente más económicas y dañinas para el medio ambiente.

Precursores

En la actualidad existen líneas de investigación relacionadas con la obtención de materiales carbonosos adecuados para su aplicación en dispositivos electroquímicos, como es el caso de las baterías de iones-litio y los supercondensadores, para este fin se hanutilizado el poliacrilonitrilo ¹⁶, el metano, acetileno y el propeno ⁵ estos precursores están ligados a la industria del petróleo y si bien es cierto que conducen a la formación de materiales con buenas propiedades eléctricas su sustentabilidad a largo plazo está comprometida. También se han estudiado como precursores de carbones la glucosa ²² y la sacarosa reactivo ¹⁵,²³ que atendiendo al método de síntesis empleado conducen a la formación de carbones con buenas propiedades eléctricas, además son materiales obtenidos de procesos renovables pero tienen el inconveniente de ser precursores con un precio relativamente alto. En tal sentido se han evaluado fuentes de carbono más económicas como es el caso del bagazo de caña ²⁴ y la miel final.³⁾ De acuerdo con lo mencionado anteriormente un buen precursor de materiales carbonosos adecuados para aplicaciones electroquímicas debe contener un alto contenido de carbono, debe ser extraído de procesos asociados a fuentes renovables y su utilización debe ser económicamente Viable. Teniendo en cuenta estas consideraciones seríainteresante el estudio de la vinaza de destilería y el licor de torula ambos residuales de la industria azucarera cubana.²⁵,²⁶

La levadura torula es un alimento animal con un gran contenido energético y proteico ³¹,³², como resultado de su producción se genera el residual líquido: licor de torula, el cual está constituido por ionesinorgánicos (del 20 al 40 % de los sólidos totales) como sulfato, fosfato, calcio y potasio, así como cantidades menoresde hierro, magnesio y sodio y compuestos orgánicos tales como proteínas, sustancias nitrogenadas, ácidos orgánicosy azúcares no fermentables.²⁸

En la caracterización de este residual se evaluarán los mismos parámetros que en el caso de la vinaza.

Métodos de síntesis

Pirolisis convencional

La obtención de carbón activado se puede llevar a cabomediante métodos físicos o químicos. El método físicoconsiste en lacarbonización de la materia prima en una atmósfera inerte a temperaturas cercanas a los 1000 °C.³³⁾ El método químico se realiza mediante la impregnación de un agente activante como el ZnCl ₂, KOH o H ₃PO ₄seguida de una calcinación a temperaturas próximas a los 600 °C.³⁴

Actualmente se prefiere emplear H ₃PO ₄ como agente activante frente al ZnCl ₂ debido a que este último generasignificativos problemas de contaminación medioambiental.Mientras que, por otro lado, el KOH es un agente deactivación ideal cuando se tiene materiales con alto contenidode carbón y bajo contenido de volátiles como por ejemplo carbón mineral.²¹

Métodos de preparación de nanotubos y nanofibras de carbono

Existen tres métodos fundamentales para la producción de nanotubos y nanofibras de carbono:

Descarga por arco eléctrico. Este método de síntesis fue desarrollado por Thomas Ebbess en y Pullickel Ajayan en1992, consiste en conectar dos barras de grafito a una corriente de alimentación con una intensidad de 100 amperios. Así, el carbono se evapora en forma de plasma caliente y parte del mismo se vuelve a condesar en forma de nanoestructuras de carbono el rendimiento normal del proceso suele alcanzar el 30 % en peso. El principal problema que presenta este método es el hecho de que se trata de un proceso no selectivo, por lo que a los materiales sintetizados les acompañan impurezas tales como carbón amorfo o fullerenos, por lo que es necesaria una fase posterior de purificación que encarece el producto final.³⁵

Pulsos con láser. Un grupo de la Universidad de Rice se ocupaba del bombardeo de un metal con pulsos intensos de láser para producir moléculas metálicas extravagantes, cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nanotubos de carbonosustituyeron el metal por barras de grafito. Así, este método consiste en bombardear barras de grafito mediante pulsos de láser en lugar de electricidad para generar el gas caliente de carbono, a partir del cual se forman las nanoestructuras. El rendimiento es muy alto, hasta del 70 %, alcanzándose cantidades muy elevadas de nanotubos y nanofibras. Pero, al igual que el método anterior, presenta una gran limitación y es su elevado coste, ya que se necesitan láseres muy costosos, por lo que actualmente la producción a escala industrial con este método es inviable.³⁶

Deposición catalítica en fase vapor. MorinuboEndo, de Universidad de Shinshu en Pagano, introdujo, en la fabricación de nanotubos, el método de la deposición química en fase vapor (CVD). Este método consiste en la colocación de un sustrato que actúa como catalizador formando una película fina de 1 a 50 nm de espesor en un horno de atmósfera inerte de helio a baja presión, se calienta a 600 ºC y lentamente se añade gas de metano, acetileno, etileno, benceno, etc. liberándose átomos de carbono que precipitan formando láminas de grafeno en forma de nanoestructuras. Debido a las altas temperaturas el metal, que actúa como catalizador, se aglutina en nanopartículas separadas que sirven como centros de crecimiento que formarán la base de los nanotubos; por lo tanto, el tamaño de la partícula define el diámetro de la nanoestructura que será creada. Este método permite el crecimiento, con un rendimiento del 100 % de nanofibras y nanotubos de carbono, lo que evita la fase posterior de purificación, necesaria con otras técnicas de síntesis, lo que simplifica y abarata la producción industrial de estos materiales. Los metales más utilizados en la síntesis catalítica de estos compuestos son el níquel, el hierro y el cobalto.³⁷,³⁸,³⁹,⁴⁰

Métodos de síntesis empleando plantillas manométricas

Zeolitas

El uso de la zeolita se reporta en un estudio enfocado en obtener nanotubos de carbono a partir de etileno, acetileno y propileno. Para ello se utilizó una zeolita con un tamaño de poro de 7.4 Å. El principal beneficio del uso de la zeolita es que se minimiza la producción de carbones amorfos y con esto aumenta el rendimiento de la reacción principal ⁴¹ en la figura 1 se pueden apreciar la forma de los nanotubos.

Fig. 1

Las zeolitas, de modo general son poco usadas en la síntesis de carbono debido a que en estas predominan los microporos (< 2nm) y en estos debido a sus pequeñas dimensiones se dificulta la entrada de los precursores a su interior. Debido a lo anterior son más usadas las plantillas en las que predominen los mesoporos como es el caso de las arcillas.⁴²

En estudios resientes se ha planteado la posibilidad de generar mesoporosen la estructura de las zeolitas Y, ZSM-11 y BETA, ampliamente usadas en refinerías y procesos petroquímicos, química fina y procesos ambientales, estas fueron sometidas a un tratamiento alcalino de desilicación. El proceso utilizado consiste en tratar las zeolitas con una disolución de NaOH a 65º C durante 30 min. Luego se realizó un intercambio con NH ₄Cl, para restablecer la acidez, seguido por desorción en corriente de N ₂ y posterior calcinación a 500º C.⁴³

También se presenta un estudio sobre la generación de mesoporos en zeolitas tipo ZSM-5. Se realiza un tratamiento alcalino de la zeolita seguido por tratamientohidrotérmico en presencia de micelas de surfactante CTAB, se obtuvo una fase mesoporosa que coexiste con la zeolita ZSM-5 remanente.⁴⁴

En otro trabajo se evaluó el efecto que tiene la variación de la temperatura de tratamiento hidrotérmico con vapor de agua (steamingy) y la concentración del Agente Divalente Modificador de Poro (ADMP)en la generación de mesoporos de zeolitas tipo faujasita. Se propuso modificar la zeolita CBV100, con laintención de ampliar el tamaño de los poros para mejorar el transporte de moléculas grandes al interior de la estructura zeolítica.⁴⁵

Lo que se describe anteriormente demuestra que es posible ampliar el tamaño de poro de la zeolita, resolviendo la limitante más importanteque se presentaba en el uso de las zeolitas como plantillas. De esta forma se abre la posibilidad de utilizar este tipo de materiales para la síntesis de materiales carbonosos.

El uso de arcillas en aplicación electroquímicas

El uso de las arcillas como plantilla para la síntesis de materiales carbonosos adecuados para ser usados en baterías de iones litio es bastante amplio.⁶,¹¹,²³,⁴⁶⁻⁵³⁾ Uno de los primeros trabajos data de 1995 cuando se usó montmorillonita natural y bentonita para la síntesis de carbón activado a partir de naftaleno y poliestireno.⁴⁶⁾ Otros trabajos que destacan por su importancia se citan a continuación.

Giselle y colaboradores utilizaron diferentes fracciones de sepiolita con el objetivo de observar la influencia de las características de la plantilla (tamaño de partícula y porosidad) en las propiedades texturales de los carbones obtenidos. Los precursores evaluados fueron el acetileno y el propileno, la temperatura del horno se incrementó gradualmente desde la temperatura ambiente (aproximadamente 5 °C/min) hasta 700 °C. El horno se mantuvo a esa temperatura por 4 h. Los resultados indicaron que existe una correlación entre la capacidad específica reversible de los materiales carbonosos obtenidos y las propiedades superficiales de la sepiolita. Se muestra además que el rendimiento electroquímico de los ánodos obtenidos está relacionado con las propiedades químicas superficiales (grupos funcionales en la superficie) en lugar de su área superficial. La capacidad de carga reversible obtenida al final del décimo ciclo para los carbonos producidos fue de aproximadamente 350 mAh/g. Los resultados también sugirieron que la porosidad desempeña un papel muy importante en la difusividad de los iones de litio dentro de la estructura de carbono, reduciendo así la irreversibilidad en el ciclo.⁵⁴

Se preparó un carbón utilizando halloysita como plantilla y sacarosa como fuente de carbono. El análisis de adsorción de nitrógeno mostró que el material obtenido posee una amplia distribución de tamaño de poro y un volumen de poro en el entorno de los mesoporos. La aplicación del carbono resultante para condensador eléctrico de doble capa (EDLC) en electrolito orgánico LiPF6/PE+CE mostraron capacitancia específica de 232 F/g a una densidad de corriente de 0,05 mA/cm ², siendo mayor que para carbones activados comercialmente. La voltamperometría cíclica también mostró que el rendimiento del carbono moldeado en una solución acuosa de H ₂SO ₄ de 1 mol/L era mejor a una velocidad de barrido grande que para los carbones activados comerciales.⁵⁵

Se han sintetizado y caracterizado materiales carbonosos de diferente naturaleza, con morfología determinada por distintos sólidos porosos que actúan como plantilla o molde. En este sentido se han empleado, silicatos de la familia de los minerales de la arcilla de morfología tubular (imogolita), laminar (montmorillonita) y fibrosa (sepiolita), como precursores se usaron poliacrilonitrilo y propileno. El material carbonoso de textura fibrosa, derivado de nanocompositos carbono/imogolita, preparados a partir de poliacrilonitrilo es un buen candidato para funcionar como electrodo en baterías recargables de ión litio y además presenta buenas propiedades de conductividad, porosidad y superficie específica. De todos los materiales estudiados por estos autores, los que presentan mayor eficacia para aplicación como materiales de electrodo en baterías recargables de ion litio son los nanotubos de carbono procedentes de las membranas nanoporosas de alúmina, especialmente con menor tamaño de poro (100 nm de diámetro), llegando a desarrollar una capacidad de inserción reversible de litio de 838 mAh/g a una velocidad de inserción de 20 mA/g.⁹

Otro trabajoplantea la obtención de un material carbonoso a partir de la sacarosa mediante un proceso de pirolisis usando la plantilla sepiolita Pan Gel. Para transformar el nanocompósito en carbono/sepiolita, se ha realizado un tratamiento térmico en dos pasos. Primeramente, se pone en contacto una disolución de sacarosa con una masa determinada de sepiolita Pan Gel, durante un tiempo prudencial y luego esta mezcla es calentada a temperaturas entre 150 y 400 ºC, para lograr la transformación de la sacarosa en caramelo (proceso de polimerización). El composite formado sepiolita-caramelo es sometido después a un proceso de pirolisis en atmósfera inerte. A temperaturas superiores a 700 ºC se obtiene un nanocompósito con propiedades de semiconductor y una conductividad a 25 ºC del orden 10⁻¹ S/cm, que puede ser estudiado como material catódicoen las baterías de litio. Los productos obtenidos durante el proceso de síntesis fueron caracterizados desde el punto de vista químico y electroquímico, indicando los mejores resultados para la síntesis realizada a 800 ºC.⁵⁶

También se han obtenido materiales carbonosos pirolizando melaza de cañaempleando una plantilla natural como la paligorskita, el carbón obtenido se caracterizó por ser predominante desordenado, tipo grafeno oxidado, con una conductividad electrónica a temperatura ambiente de 1,3 S/cm y un área superficial de 467 m ²/g, que permiten alcanzar una capacidad específica reversible de 354 mAh/g después de 12 ciclos y una capacitancia de 271 F/g a 10 mV/s.³

El uso de arcillas en otras aplicaciones

La intercalación de azúcar en arcillas esmectitas y los compuestos de arcilla-carbono resultantes después del tratamiento térmico en Argón (Ar), son descrita en otro artículo. La activación del azúcar mediante el tratamiento con H ₂SO ₄ produce nuevos compuestos de arcilla y carbono en los que se conserva la estructura de capas de la arcilla. Las mediciones combinadas de XRD y TEM sugieren fuertemente que la carbonización a 600 °C conduce a grafenos distribuidos sobre las superficies de la arcilla, formando una película carbonosa nanométrica.⁵⁷

En algunas investigaciones se evalúa la capacidad de adsorción combinada de materiales constituidos por arcillas y carbones. Tal es el caso del composite arcilla-carbono y los carbonos derivados de la desmineralización de la plantilla, en la adsorción en disolución acuosa de 2,4,6-triclorofenol y azul de metileno y también sus capacidades de adsorción/separación de gases. Se encontró que las propiedades de los adsorbentes dependen en gran medida de la ruta sintética, por ejemplo, del uso de arcilla o H ₂SO ₄ como agentes activadores y mediadores de estructuras, respectivamente. En particular, el uso simultáneo de arcilla y H ₂SO ₄conduce a una acción sinérgica, que imparte a los sólidos finales la mayor capacidad de sorción y el mejor potencial de separación de CO ₂ de mezclas gaseosas de CH ₄ y N ₂.⁵⁸

Otra investigación resultó de la síntesis a través de una ruta hidrotermal, utilizando halloysita como plantilla y celulosa como precursor de carbono. Al carbonizar la celulosa se deposita una capa de carbono sobre la superficie de la halloysita. Los resultados indican que el espesor de la capa de carbono sobre la superficie de la halloysita varía de 15 nm a 25 nm. Los nanotubos de carbono con longitudes de 0,5 a 1 μm y diámetros de 20 a 80 nm se obtienen eliminando la plantilla de halloysita con ácido fluorhídrico ( figura 2). Después del tratamiento de activación, la superficie BET de la halloysita/carbono activada y el nanotubo de carbono son mejores y presentan valores de 1150 y 1288 m ²/g, respectivamente. Los valores son más altos que los del carbón activado común.⁵⁹

También se han preparado carbonos porosos usando diatomita como plantilla. La macroporosidad de los carbones dependía en gran medida de la morfología original de la plantilla de diatomita. La estructura macroporosa compuesta de placas de carbono conectadas por macroporos en forma de pilar y tubo resultó de la replicación de los poros central y de borde de las conchas de diatomeas con morfología en forma de disco, respectivamente. La acidez de la diatomita afectó dramáticamente la porosidad de los carbones, más sitios ácidos en la plantilla de diatomita dieron como resultado una mayor área de superficie y mayor volumen de poros. Los carbones con plantilla de diatomita exhibieron una mayor capacidad de adsorción para el azul de metileno que el carbón activado comercial (CAC), aunque el área de superficie específica era mucho menor que la del CAC.⁶⁰

Fig. 2

Dopaje

El dopaje con heteroátomos como élN y el P es otro enfoque importante para mejorar el rendimiento electroquímico de las estructuras de carbono grafito.⁶¹⁾ El átomo de N dopado en configuraciones hexagonales de carbono puede mejorar la polaridad de la superficie y la conductividad eléctrica.⁶² En general, los nanomateriales de carbono dopados con N pueden prepararse directamente a partir de precursores que contienen N, tales como resinas de melamina y polipirrol.⁶³,⁶⁴⁾ En trabajos anteriores se ha informado de nanofibras carbonosas helicoidales con alto contenido de N (12,4% en peso) obtenidos de nanotubos helicoidales de resina de m-fenilendiamina-formaldehído, que mostraron una capacidad de descarga de 499 mAh g⁻¹ después de 100 ciclos.¹⁷,⁶⁵

También se han utilizado diferentes compuestos inorgánicos, en general óxidos metálicos (V ₂O ₅, NiO, Fe ₂O ₃, SnO ₂), aunque también se usaron ácido bórico y níquel metálico. El vanadio es muy interesante desde el punto de vista electroquímico debido a los diferentes estados de oxidación que presenta. El V ₂O ₅ se utiliza como cátodo en baterías de litio primarias debido a que la intercalación y desintercalación del litio tiene lugar a potenciales superiores a 2,5 V, por lo que, en principio, no tiene utilidad como ánodo en baterías de ion-litio. Sin embargo, en la bibliografía se menciona la adición de V ₂O ₅ a un precursor polimérico de carbono con el fin de mejorar su comportamiento electroquímico¹⁹, observándose un incremento en la capacidad de descarga entre 0,8 V y 0,2 V, lo que indica una modificación en la estructura del material de carbono.⁶⁶⁾ Se sugiere que esta adición da lugar a la formación del complejo VO(grafeno)2, que actúa como agente de nucleación y promueve una estructura laminar.¹⁹,⁶⁶⁾ Los pilares de VO entre los grafenos provocan un ligero incremento de la distancia interplanar ¹⁹, lo que pudieran facilitar el proceso de intercalación del litio, y a la vez evitar el deterioro de la estructura con el ciclado.

El boro puede formar parte de los planos grafénicos sustituyendo al carbono, formando fuertes enlaces covalentes con él sin producir grandes distorsiones estructurales, ya que su radio atómico es semejante al del carbono.⁶⁷⁾ Esta sustitución facilita la grafitizabilidad ¹⁸ e inhibe la oxidación del material de carbono dopado.⁶⁸⁾ Además, como el boro posee un electrón menos que el carbono, se comporta como un aceptor de electrones, creando un hueco en la banda de valencia, mejorando la conductividad y facilitando la inserción de átomos.

El níquel fue utilizado en materiales compuestos con grafito para bloquear los bordes de plano del grafito y evitar su exfoliación.

Artículos recientes usaron ácido bórico y melanina ⁶⁹ como agentes dopantes, obteniendo mayores capacidades específicas en los materiales anódicos dopados.⁷⁰

Existen otros métodos de preparación de materiales compuestos inorgánico-carbono. Entre los más utilizados podemos nombrar la impregnación ⁷¹ proceso Pechini ⁷², mezcla con mesofase ⁷³ o evaporación a vacío.⁵⁰,⁷⁴

Métodos de caracterización de materiales carbonosos

Las técnicas más utilizadas ³,²¹,⁵⁸,⁷⁵ en la caracterización de las plantillas y los materiales carbonosos obtenidos se recogen a continuación.

1. 1. Análisis químico elemental de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno y Azufre (CHNS). Una de las potencialidades de este análisis permite evaluar la capacidad de adsorción de la plantilla usada ya que un mayor contenido de estos elementos indicaría una mayor adsorción.³

2. 2. Espectroscopía de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FTIR).Es una forma de seguir el completamiento de carbonización, pues la intensidad de las bandascarteristas del precursor van perdiendo intensidad a medida que se carboniza el material.³⁾ Tambiénaporta a la identificación de grupos funcionales en la superficie de las muestras ²¹ esto es de importancia ya que los grupos en la superficie tienen influencia en las propiedades eléctricas del material.

3. 3. Análisis Termogravimétrico (TG) y Análisis Térmico Diferencial (ATD). Estas técnicas ofrecen información sobre la estabilidad térmica de los materiales involucrados en el proceso de carbonización así como de la cinética de dicho proceso.³

4. 4. Difracción de Rayos-X (DRX). Mediante esta técnica se detectan las impurezas de sales inorgánicas presente en el carbón, la detección estas impurezas cristalinas dentro del material amorfo es importante pues puede conducir obstrucción de poros lo cual es negativo para las propiedades adsorbentes del carbón, pero en el caso de aplicaciones electroquímicas puede favorecer los procesos de carga y descarga ya que actúa como material electrolítico.⁷⁵

5. 5. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Con esta técnica se puede evaluar las variaciones morfológicas en la transformación del precursor en material carbonoso producto del proceso carbonización y tiene especial importancia para evidenciar la aparición de las estructuras porosas, laminares entre otras resultantes del proceso.³,²¹

6. 6. Determinación del área superficial y la porosidad. La determinación de estas magnitudes tiene importancia ya que estas permiten evaluar la capacidad de adsorción del carbón y también el tipo de especies químicas que más fácilmente serán adsorbidas por el material.³,⁷⁵

7. 7. Conductividad eléctrica. Esta técnica permite evaluar directamente para que tipo de aplicación electroquímica es recomendable el material obtenido, además ofrece información sobre el apilamiento que pueda existir en la estructura y el contenido de elementos que favorezcan o afecten la conducción.³

8. 8. Capacidad Específica Reversible. La determinación de esta magnitud es importante porque determina si un material carbonoso tiene o no potencial para ser usado como ánodo en una batería, supercondensador u otra aplicación electroquímica determinada.³

Las técnicas de caracterización están enfocadas en dos aspectos fundamentales, uno es evaluar la influencia del proceso de obtención (dígase precursor y método de síntesis) en las características de los materiales carbonosos y el otro aspecto se trata de encontrar una relación entre las características estructurales de estos materiales y laspropiedades electroquímicas quepresentan. Dicho esto, es posible la inclusión de cualquier otra técnica que este en concordancia con lo antes expuesto.

Conclusiones

Como resultado de esta revisión se evidencia la posibilidad de utilizar la vinaza de destilería y el licor de torula como precursores para la síntesis de materiales carbonosos, debido al gran contenido de materia orgánica, bajo costo y disponibilidad en el país de estos residuales líquidos.También que las arcillas son las plantillas más utilizadas para la síntesis de materiales carbonosos desordenados de gran área superficial, pero es posible utilizar zeolitas químicamente modificadas como plantillas, pues en las zeolitas modificadas existe un predominio de los mesoporos, quedando resuelto el principal problema de estas para ser usadas como plantillas.

El dopaje con nitrógeno, fósforo y óxidos metálicos conduce a un mejoramiento de las propiedades eléctricas de los materiales obtenidos, debido a que se introducen en la estructura portadores de cargas que facilitan la conducción y por otra parte aumenta la distancia interplanar facilitando de esta manera la intercalación reversible de los iones litio en la estructura carbonosa, mejorando de esta forma la capacidad reversible del material sintetizado.

Atendiendo a todo lo anterior se utilizará vinaza de destilería y licor de torula como precursores, una zeolita químicamente modificada como plantilla ycomo agente dopante se emplearán el ácido fosfórico y el ácido bórico.

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Notas de autor

Norberto Rodríguez Suarez: concepción y diseño metodológico de la investigación. Participó en la compilación de trabajos relacionados con el tema, escribió el artículo, respondió las observaciones de los árbitros, realizó las modificaciones pertinentes y expresó sus criterios para la aprobación de la versión final del trabajo.

Omaida Quesada González: concepción y diseño metodológico de la investigación. Realizó la revisión y aprobación de la versión final del trabajo.

Edelio Danguillecourt Álvarez: concepción y diseño metodológico de la investigación. Participó en la compilación de trabajos relacionados con el tema y realizó la revisión y aprobación de la versión final del trabajo.

Isabel Almenares Verdecia: participó en la compilación de trabajos relacionados con el tema y expresó sus criterios para la aprobación de la versión final del trabajo.

* Autor para correspondencia. correo electrónico: oquesada@uo.edu.cu

Declaración de intereses

Los autores expresan que no hay conflictos de intereses en el manuscrito presentado.

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Carbonaceous materials are currently of great importance because they are used in electrochemical devices capable of storing energy from renewable sources of...

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Artículos

NANOESTRUCTURAS DE SILICIO EN BIOMEDICINA Y BIOTECNOLOGIA

SILICON NANOSTRUCTURES IN BIOMEDICINE AND BIOTECHNOLOGY

Actualmente ha crecido el interés por la fabricación y caracterización de nanoestructuras de silicio, entre las que se incluye nanohilos, pilares, tubos, conos, partículas, etc; existiendo diversos métodos para generar estas nanoestructuras entre los que se puede mencionar la ablación con láser, la descomposición por evaporación termica, la deposición de vapor químico, entre otros. Las propiedades que exhiben estas estructuras las hacen atractivas para aplicaciones en biomedicina y biotecnología. Estos materiales representan herramientas con un potencial elevado para mejorar las técnicas de diagnóstico y tratamiento de condiciones biológicas especiales. Esta revisión bibliográfica pretende resumir algunos aspectos importantes del diseño fisicoquímico de estos nanomateriales, además de consideraciones toxicológicas de biocompatibilidad, biodistribucíon y la dinamica celular. Finalmente, se hace enfasis en algunas aplicaciones biomíedicas importantes, especialmente en terapia génica, liberación controlada de fármacos, imagenología y biosensores.

Palabras clave: Nanoestructuras; biomedicina; biotecnología; silicio; nanomedicina

Silicon nanostructures have properties that make them appealing for applications in biomedicine and biotechnology. The fabrication and characterization of silicon nanostructures are currently gaining a lot of attention and they can include nano-wires, whiskers, pillars, tubes, cones, particles, etc. There are several methods to assist the generation of these nanostructures like laser ablation, thermal evaporation decomposition, and chemical vapor deposition, among others. We consider they are highly potential tools for the improving of diagnosis techniques and the treatment of important biological conditions. The objective of this review is to summarize the main aspects of the physicochemical design of silicon nanomaterials, in addition to toxicological considerations regarding biocompatibility, biodistribution and cell dynamics. Finally, we emphasis on important biomedical applications, such as gene therapy, drug delivery, imaging and sensoring.

Keywords: Nanostructures; biomedicine; biotechnology; silicon; nanomedicine

Introducción

El silicio es un elemento abundante en la corteza terrestre, sin embargo, normalmente se encuentra en forma de silice o silicatos debido a su reactividad con el oxígeno. En disoluciones de silicio, con un pH menor que 9 y una concentración menor a 2 mM de este elemento, la especie principal es Si(OH) ₄, al aumentar la concentración de silicio se forman oligómeros de esta especie. Una concentración mucho mayor a 2 mM genera coloides que forman un gel al tener un ambiente con pH neutro, debido a la polimerización del Si(OH) ₄[]. Las moléculas de Si(OH) ₄ reaccionan con dioles de alquilo para formar complejos de silicio, lo cual genera un mayor entendimiento de la interacción con biomoléculas [].

Estudios de los anos 1980 utilizando condrocitos y epífisis de embriones de polluelos demostraron que el silicio aumenta la síntesis del colágeno dependiendo de la dosis aplicada, así como otros estudios con ácido ortosilicílico también reportaron aumentos en la síntesis de colageno [].

Materiales como implantes con silicio han demostrado tener una mejor afinidad con los huesos que con productos similares sin este elemento, debido a la formación de una capa de apatita en su superficie []. Esto se debe a que el silicio juega un papel importante en la síntesis o estabilización del colágeno, el cual tiene funciones estructurales al dar flexibilidad a la piel, cartílagos, tendones y arterias. También, el silicio tiene parte en la calcificación y mineralización de la matriz del hueso [].

El interés en los nanomateriales de silicio va creciendo debido a sus propiedades electromecánicas, biocompatibilidad, grandes relaciones superficie-volumen, multifuncionalidad y compatibilidad con la tecnología convencional con silicio []. También, hay una gran demanda de productos basados en silicio, como por ejemplo nanodots [], nanocables [], nanobarras [], nanocintas [] y aparecen, además, los puntos cuánticos de silicio [].

El silicio poroso nanoestructurado presenta propiedades muy interesantes para los materiales que los contienen, ya que se pueden modificar sus características ópticas, eléctricas y químicas para desarrollar sensores químicos y biológicos. La eficacia de diferentes formas de silicio poroso está siendo probada para aplicaciones en medicamentos, enfermedades oculares, imágenes tumorales e ingeniería de tejidos [].

Las nanopartículas de silicio pueden funcionar tanto para diagnósticos como para terapias, utilizando distintos agentes terapéuticos. Su gran area superficial y volumen interno permite que las nanopartículas puedan contener cargas grandes, además de poder seleccionar varios objetivos a la vez para la entrega de medicamentos mediante el mejoramiento fisicoquímico del tamaño y las propiedades de la superficie. Estas nanopartículas de silicio pueden determinar el destino y la tasa de liberación del medicamento, al mismo tiempo que controlan la biocompatibilidad del mismo para mejorar la eficacia del tratamiento []. Las moléculas del medicamento pueden ser introducidas en las nanopartículas de silicio para que el medicamento permanezca protegido y asegurar el control de su liberación [], lo cual genera vastas ventajas en el sistema de entrega de los medicamentos con ayuda de la tecnología novedosa.

Uso y diseño de las nanoestructuras de Silicio (NESis)

Actualmente ha crecido el interés por la fabricación y caracterización de nanoestructuras de silicio, entre las que se incluye nanohilos, pilares, tubos, conos y partículas, estas se han estudiado ampliamente debido a sus propiedades físicas y aplicaciones únicas en el desarrollo nanoelectroínico, nanofotíonico, fotovoltaico y optoelectrónico [,]. Aunado a esto se ha trabajado la elaboración de múltiples dispositivos como baterías, paneles solares, detectores, sistemas termoeléctricos, sensores químico-biológicos, microfluidos, etc., que utilizan dichas estructuras de silicio [].

Por otra parte, los catalizadores metalicos desempeñan un papel primordial en el crecimiento de las nanoestructuras de silicio. Metales como Au, Fe, Cu, Co, Al, In y Ga se utilizan para formar aleaciones de silicio y metal, los cuales tienen una temperatura de fusión mas baja que el silicio (Si ~1100 °C). Entre estos, el Au se convierte en un catalizador favorable ya que forma una aleación de Si-Au al 18,6% que posee un punto de fusión de aproximadamente 363 °C que evita la oxidación en comparación con Al y Fe e induce el crecimiento de las nanoestructuras de Si [].

El Au también actúa como un candidato prometedor en el proceso de cristalización inducida por el metal (CIM) que promovió la cristalización de silicio amorfo (a-Si). Para el proceso CIM se deposita una fina capa de metal directamente sobre la película de Si y luego se calienta para obtener una estructura de poli-Si. Durante el calentamiento, la difusión de la interfaz de capas de metal-Si induce la formación de estructuras de Si cristalino a una temperatura inferior a la temperatura de cristalización intrínseca de a-Si, que es de 600 °C, se debe considerar que diferentes tipos de metales pueden inducir diferentes grados de cristalización [].

Otra técnica empleada de gran importancia es el grabado químico asistido por metal, este consiste en una técnica simple, rápida y efectiva que permite obtener una amplia gama de nanoestructuras de silicio en una gran superficie, desde nanocables hasta paredes de poro continuo o coalescencia de múltiples alambres, teniendo obleas de silicio completas. En este proceso se puede emplear una solución de HF y AgNO ₃ u Au donde se genera una deposición rapida del metal el cual genera un grabado de nanoestructuras bien alineadas (o nanohilos) en el Si; si el grabado es asistido por un metal como el oro (Au) con el tiempo el silicio debajo de esta capa se vuelve cada vez mías poroso, y la capa de oro cada vez mías frágil [].

Biocompatibilidad de las NESis

La evaluación de los posibles riesgos a la salud que puedan presentar los nanomateriales es un tema considerado fundamental en su uso []. El silicio elemental no es considerado tóxico para usos biomedicos []. Sin embargo, los cambios que sufre el silicio en sus propiedades físicas a nanoescala y el aumento en la reactividad del material, provocan que las posibilidades de una respuesta adversa inesperada sean mayores. El tamaño de la partícula y la dosis de NESis son factores clave en la toxicidad de las mismas, ya que esta aumenta al disminuir el diámetro de partícula [,]. Otro factor determinante de toxicidad son las modificaciones superficiales que sufren las NESis posterior a su síntesis; cuando son expuestas a condiciones biológicas, biomoléculas se unen a su superficie, alterando las propiedades y funciones iniciales, por lo que es necesario realizar evaluaciones en ambientes que se asemejen al medio in vivo. Es por esto que algunos autores recomiendan realizar ensayos in vitro para obtener resultados iniciales de toxicidad, viabilidad celular y proliferación [,].

Cuando las NESis con terminaciones del tipo Si-H son expuestas a soluciones acuosas, se produce una capa de silicio oxidado. Se ha documentado que el dióxido de silicio aumenta la toxicidad de las NESis y se relaciona con la disrupción de las membranas mitocondriales y la presencia de especies reactivas de oxígeno (ERO) dentro de la célula [,]. Las ERO pueden ser originadas cuando la integridad de la membrana mitocondrial ha sido comprometida debido a las interacciones con las nanoestructuras o pueden formarse en la inmediatez de la superficie de las NESis por reacción de Fenton []. Esto genera una cascada de reacciones que conducen a un desacoplamiento en la cadena transportadora de electrones, privando a la célula de la producción de ATP mitocondrial, además de una respuesta inflamatoria que termina en muerte celular por apoptosis []. Por otro lado, también se ha reportado la toxicidad proveniente de las interacciones entre las NESis con biomoléculas en las proximidades de la célula, fenómeno que da lugar a la formación de sustancias orgánicas tóxicas de larga vida []. Un intento para solucionar este inconveniente fue la conjugación del dióxido de silicio superficial con un ligando hidrocarbonado, sin embargo, el resultado fue mayores niveles de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno y por tanto un aumento en la toxicidad celular []. Por otro lado, lo que si resulta en una disminución del perfil toxico y baja generación de ERO fue la oxidación térmica para nanopartículas de silicio (NPSi) y el cubrimiento con óxidos para nanocables de Si []. Otra manera de reducir la toxicidad de las NESis es la oxidación con ozono o la carbonización térmica, pues se forman capas hidrofílicas pasivas que disminuyen su reactividad y el grado de interacciones con las membranas celulares; mientras que aquellas NESis con cargas positivas en su superficie o con propiedades hidrofóbicas interactúan con la bicapa lipídica y provocan daños en la morfología celular []. Esto se ejemplifica en estudios donde nanopartículas de silicio con cargas positivas y con superficies hidrofóbicas son capaces de provocar deformaciones en la membrana plasmática de los eritrocitos [].

Los estudios de hace unos años demuestran que las nanopartículas de silicio que son administradas por vía intravenosa en modelos animales son removidas de la circulación y se acumulan primordialmente en el hígado y el bazo y son por lo tanto degradadas a subproductos que luego son excretados. También se han encontrado pequeñas cantidades en el corazón y riñones [⁻]. El tamaño y forma de partícula también es un factor importante en su biodistribucíon, pues partículas con un aspecto de radio (AR) mayor, son menos degradadas, sin embargo, pueden provocar daños como congestión vascular y necrosis tubular en riñones []. En cuanto a las aplicaciones orales de NPSi cargadas con fármacos, los estudios demuestran que transitan el tracto gastrointestinal (GI) sin ser considerablemente absorbidas en revestimiento epitelial intestinal, sin embargo, las moléculas cargo sí son capaces de salir y permear a través del epitelio intestinal []. Las NPSis que han sido administradas por vía subcutánea, permaneces en el sitio de inyección por algunas horas antes de ser incorporadas a los sistemas de vasos para su transporte []. En general, la literatura demuestra que la conversión de micropartículas porosas de silicio en productos clínicos ha sido buena, lo que establece un precedente positivo para aplicaciones similares con las NESis [].

La capacidad que tienen las NESis para atravesar las membranas celulares es una herramienta muy útil para mejorar la entrega de medicamentos, seguimiento celular y detección de especies bioquímicas importantes a nivel celular. Los estudios de la captación de NESis a nivel celular se han hecho manipulando propiedades como las dimensiones de partícula, morfología, composicion superficial y carga neta []. La internalización de las NESis está mediada por las interacciones entre la membrana celular y la superficie de la partícula, además, esta ultima se puede modificar para que la partícula siga caminos específicos como por ejemplo la conjugación con folato para el tráfico caveolar [][]. A pesar de esto, en la realidad muchos mecanismos endocíticos son los realmente responsables por la integración de las NESis al espacio intracelular (EIC) []. Diseñar nano estructuras inteligentes y direccionadas a compartimentos celulares específicos requiere de un conocimiento comprensivo de los mecanismos de endocitosis y trafico intracelular (ver figura 1). El transporte endosomal es altamente influenciado por la forma, lo que puede usarse para incorporar nanoestructuras al EIC; las nanoestructuras con bordes afilados tienden a atravesar y escapar del endosoma con mayor facilidad []. Se puede especializar la superficie de las nanopartículas con moléculas que promueven el rompimiento de endolisosomas, para asistir su escape del sistema endolisosomal y aumentar su concentración en el citosol [].

Aplicaciones biomédicas y biotecnológicas

Las NESis son herramientas muy útiles para el direccionamiento y liberación contralada de medicamentos gracias a su gran área superficial, biocompatibilidad y fácil funcionalización. Ha habido investigaciones completas para mejorar la liberación terapéutica de moléculas pequeñas, proteínas, péptidos y genes; modificando el tamaño, porosidad y química superficial es posible ajustar la cinética de liberación, regular la biodistribución y minimizar los efectos citotóxicos []. La tabla 1 resume algunos sistemas de liberación controlada de fármacos derivados del uso de NESis y las variaciones fisicoquímicas a las que se les ha sometido.

La adsorción de agentes terapéuticos en las NESis puede ser maximizada a través de modificaciones superficiales que mejoren la unión entre ambas especies. Por ejemplo, con NP se mejoró la adhesión de ARNip luego de una animación superficial. También se logra un efecto similar al aplicar voltaje en partículas cargadas []. En el caso de las NPs porosas y los NCs, el tamaño de la molécula cargo, debería ser compatible con el diámetro del poro para que la carga de la partícula se óptima. []. La cinética de liberación, depende de la fuerza con que la superficie retenga el agente terapeutico. Un metodo que puede usarse para retardar la tasa liberación de este agente es la cobertura de la partícula con polímeros sensibles, los cuales incluso son capaces de retardar la liberación hasta que la nanoestructura ha alcanzado su blanco extra o intracelular [,]. Cuando los agentes farmacológicos se encuentran unidos covalentemente a la nanoestructura, la liberación está relacionada con la tasa de degradación de esta última [].

Por otro lado, una aplicación importante de los nanocables ha sido la inmovilización de ARNip, péptidos, proteínas y pequeñas moléculas terapéuticas, además de ADN; todo esto realizando aminaciones en la superficie del nanocable. Se han reportado, además, grandes capacidades de carga (hasta 20,8 mg DOX/g NCSi). También se ha reportado perfiles de liberación muy extendidos y de hasta 42 días, debido a la gran reserva de molécula cargo que permiten estas estructuras [,].

Otro tratamiento efectivo para ciertos tipos de cáncer ha sido el uso de terapia fotodinámica, basada en la generación de calor o radicales de oxígeno por materiales sensibles a la luz []. La exposición de Si a la luz visible, genera especies excitadas de oxígeno en su superficie a temperaturas fisiológicas []. Aprovechando este fenómeno, se han diseñado SiNPs fotosensibles que pueden inducir la muerte en líneas celulares tumorales [,]. Los nanomateriales basados en Si también pueden emplearse para inducir hipertermia mediada por radiación cercana al infrarrojo en alguno tejidos cancerosos [].

Los sensores y sondas construidos a base de Si, son herramientas potencialmente buenas para cumplir los requerimientos como la confiabilidad, baja toxicidad y seguimiento en tiempo real, que son extremadamente importantes para el análisis bioquímico moderno, la elucidación de eventos biológicos y sus mecanismos celulares y moleculares.

Esto gracias a las propiedades que presentan las NPSis como un alta y estable intensidad de fluorescencia []. En virtud de estas mismas características, es posible realizar caracterizaciones sistemáticas del bio-comportamiento de las NPSis en los mecanismos de internalización celular, tráfico intracelular y su metabolización, elementos esenciales en la evaluación toxicológica de estos nanomateriales [⁻].

Para ampliar, en 2016 cuando un grupo de investigadores desarrollaron nanocompuestos de silicio, encapsulados en polietilenimina (PEI) que además poseían gran fluorescencia, alta capacidad de unión al ADN (~97%) y una eficiencia de transferencia aceptable (~35 %) en células de carcinoma cervical humano (HeLa). Se pudo seguir entonces la dinámica de los transportadores de Si por medio de la detection de señales fluorescentes azules ( Figura 2A, panel superior). La trayectoria entera mostraba a los transportadores moviéndose hacia el espacio perinuclear, lo cual es sumamente ventajoso para llevar material genético al núcleo celular ( Figura 2A, panel inferior) []. Otro caso reportado ha sido la funcionalización de las NPSis con péptidos cíclicos RGD, que resultan en sondas que permiten monitorear los mecanismos de endocitosis mediados por integrinas (observando por aproximadamente 120 min) []. Estas biosondas NPSis-RGD, fueron mías adelante usadas para etiquetar y señalar células musculares de la pared corporal en C. elegans, usando como blanco la integrina PAT-3 ( Figura 2B) []. Estos trabajos sugieren que las NPSis funcionalizadas con RGD pueden ser utilizadas como una herramienta para la imagenología in vitro e in vivo, lo que tambien ha sido confirmado por investigadores que desarrollaron aplicaciones in vivo relacionadas con cáncer de manera independiente [,]. Una manera de mejorar la resolución de estos ensayos es utilizar técnicas de control de tiempo (CT), un ejemplo se ilustra en la figura 2C, donde los cultivos en conjunto A431 (células de carcinoma epidermoide humano) y SKOV3 (celulas de carcinoma de ovario humano) fueron inmunoteñidos, usando fluoresceína - isotiocianato (ITC) y NPSis (respectivamente); el resultado fue que no podían ser separados uno de otro por medio de las imágenes de fluorescencia o componente de vida corta, mientras que solo las células SKOV3 (que fueron tratadas con NPSis) mostraron señales de florescencia en componente de vida larga. Estas demostraciones implican que la técnica basada en NPSis - componente de vida larga tiene un gran potencial para contraste y para imagenología de alta sensibilidad óptica, tan precisa como para el discernimiento de márgenes tumorales durante una cirugía sin alterar tejidos aledaños que puedan presentar autofluorescencia o con cromóforos con fluorescencia de vida corta [].

En la última década, se han alcanzado logros emocionantes en el área de los sensores basados en nanomateriales de silicio y nanohíbridos, los cuales han permitido a su vez determinar una gama amplia de especies químicas y biológicas en formas importantemente confiables y sensibles [58]. En esta sección se hará énfasis en los sensores basados en silicio, como lo son el transistor de efecto de campo (FET, siglas en ingles), sensores fluorescentes y los sensores por dispersión Raman en superficie mejorada (SERS, siglas en inglés).

A la fecha, los sensores FET basados en NCSis, para la determinación de numerosas especies, en tiempo real, sin necesidad de marcadores y de manera sensible; incluyendo reactivos químicos y especies bioquímicas relevantes, por ejemplo, iones sodio [], ácidos nucleicos [,], biomarcadores tumorales [], y proteínas [] etc. En la figura 3, se ilustra esta aplicación de los NCSis-FET con proteínas, dónde se utilizan las curvas cinéticas de disociación de anticuerpos-antígenos en NCSis modificados. En este caso, los NCs fueron modificados con anti-CA 15-3 para detectar inmunoglobulinas cancerígenas monoclonales antihumano de ratón (15-3 IgG). Los antígenos, se retenían mejor en aquellos NCs que poseían anticuerpos unidos a su estructura, mientras que los NCs no modificados, no retenían el antígeno, luego del lavado con buffer. En adición al uso convencional de estos sensores, otro grupo desarrolló un material híbrido, mezclando NCSis-FET con sistema nanoelectrónico en forma de malla para medir la actividad neuronal. Los dispositivos congelados se insertaron estereotácticamente en cerebros de roedores y permitieron leer potenciales eléctricos de campo local, abriendo una ventana al uso de nanomateriales en el mapeo cerebral [].

En bondad de la fuerte y estable fluorescencia de los nanomateriales de silicio, se han diseñado distintos sensores para la detección de especies químicas y biológicas como glucosa [], agroquímicos [], explosivos nitroaromáticos []. Otra aplicación importante se logró al dopar nanorods de silicio (NRSis) con europio (Eu@NRSis), para medir las fluctuaciones en el pH intracelular, basándose en detección radiométrica sin necesidad de utilizar mías sustancias químicas [].

En la figura 4 (panel izquierdo) se ilustra cómo estos sensores exhibieron un amplio espectro de lectura de pH (~ 3-9), observación que es congruente con la regresión linear mostrada en el panel derecho de la misma figura.

Los SERS, en general, son capaces de amplificar significativamente las debiles señales en espectroscopia Raman (10 ¹⁴~10 ¹⁵) permitiendo explorar señales al nivel de moléculas solas. A diferencia de los SERS donde se utilizan solamente NPs de Au o Ag, aquellos donde se han utilizado matrices nanohíbridas del tipo Au/Ag-NPSis o arreglos con NCSis, en estos últimos se obtiene una mejor reproducibilidad y un realce general de la técnica []. Tomando ventaja de estas características, los sustratos o matrices basados en NESis híbridas han permitido el análisis de diversas muestras químicas y biológicas en función de buena sensibilidad y confiabilidad, por ejemplo, en células apoptóticas [], bacterias [], iones plomo []. Gracias a estas importantes aplicaciones, se han diseñados SERS portátiles con excelentes plataformas analíticas, que pueden convertirse también en herramientas valiosas para el análisis ambiental en campo [].

Recientes investigaciones [] han determinado nuevas fuentes de silicio de origen natural. En esta investigación se obtiene micropartículas de sílice del proceso de la biorefinería de los desechos del procesamiento de la piña. En la figura 5 se observan los resultados en la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para esas muestras.

Se muestra el alto potencial de las micropartículas de sílice para ser empleada en procesos de obtencioín de materiales catalizadores.

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NANOESTRUCTURAS DE SILICIO EN BIOMEDICINA Y BIOTECNOLOGIA

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Artículos NANOESTRUCTURAS DE SILICIO EN BIOMEDICINA Y BIOTECNOLOGIA SILICON NANOSTRUCTURES IN BIOMEDICINE AND BIOTECHNOLOGY Actualmente ha crecido el interés por la fabricación y caracterización de nanoestructuras de silicio, entre las que se incluye nanohilos, pilares, tubos, conos, partículas, etc; existiendo diversos métodos para generar estas nanoestructuras entre los que se puede mencionar la ablación con láser, la descomposición por evaporación termica, la deposición de vapor químico, entre otros.

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Fertilización con boro y su relación con la producción de frutos sin semilla en mango ʻAtaúlfoʼ

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https://doi.org/10.1007/s42729-019-00150-8

Journal: Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2019 , № 2 , p. 610-620

Publisher: Springer Science and Business Media LLC

Authors: Cristian Meriño-Gergichevich, Filis Morina, Emilio Jorquera-Fontena, Alex Seguel

Funder Fondecyt

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Differential Tolerance and Phenolic Leaf Profile in Response to Boron Supply in Two Highbush Blueberry Genotypes

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https://doi.org/10.1007/s42729-019-00150-8 Journal: Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2019 , № 2 , p. 610-620 Publisher: Springer Science and Business Media LLC Authors: Cristian Meriño-Gergichevich, Filis Morina, Emilio Jorquera-Fontena, Alex Seguel Funder Fondecyt Cervilla LM, Blasco B, Rios JJ, Rosales MA, Sánchez-Rodríguez E, Rubio-Wilhelmi MM, Ruiz JM (2012) Parameters symptomatic for boron toxicity in leaves of tomato plants.

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Activated Carbon: Advances in Research and Application

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Activated carbon has been produced by using different raw materials. The powdered form, granular form and tablet form could be used in the medicine applications. The obtained activated carbon could remove the toxic substance, to reduce the inflammation, to prevent staining, to absorb gas in digestive system, and to improve bad breath.

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