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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
Síntesis y caracterización de nanopartículas de plata por el método de
reducción química: optimización del método
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRIA EN CIENCIA DE MATERIALES
Presenta:
Jaime Manuel Ibarra Hurtado
ASESOR:
Dr. Adolfo Virgen Ortiz Dra. Maria Antonia Luna Velasco
CHIHUAHUA, CHIH. Enero , 2014
i
¿Por qué esta magnífica tecnología
científica, que ahorra trabajo y nos hace la vida
más fácil, nos aporta tan poca felicidad? La
repuesta es está, simplemente: porque aún no
hemos aprendido a usarla con tino.
Albert Einstein (1879-1955).
ii
DEDICATORIA
A MI ESPOSA. Olga Elisa Mendoza Valdez, sin temor a equivocarme puedo asegurar que el destino me llevo a encontrar a la mejor mujer del mundo. Gracias por todo tu apoyo, tolerancia pero sobre todo por tu amor y por esas dos hermosas niñas que me has dado, te amo. A MIS HIJAS. Itzel Patricia y Ximena ustedes, mis pequeñas princesas, me dan fuerzas para seguir luchando por más difícil que se la situación. Las amo traviesas. MIS PADRES. Jaime Ibarra zayas, quiero agradecerle por enseñarme a defenderme en la vida y a no necesitar de nadie para salir adelante, gracias por enseñarme a trabajar. Isaura Hurtado Robles, quiero agradecerte tu cariño, comprensión y sobre todo tu apoyo incondicional y motivación para seguir siempre adelante. A MI HERMANO. Manuel de Jesús flores salido. Aunque no es hermano de sangre, créame que lo considero como tal. Sinceramente muchas gracias, y usted sabe que cuenta conmigo para todo. A MIS SUEGROS Santiago Mendoza Valdez y María Olga Valdez Ontiveros. Agradecerles por aceptarme como otro hijo en su familia y todo el apoyo que me han brindado. A MIS AMIGOS Primeramente mencionar que son muchos para mencionarlos a todos, pero les agradezco su apoyo, motivación y buenos deseos. A Fernando Dennis Islas por brindarme su mano cuando lo he necesitado, GRACIAS.
iii
AGRADECIMIENTOS
Me complace expresar mis más sinceros agradecimientos a los Doctores:
Dr. Adolfo Virgen Ortiz por su apoyo brindado para realizar este proyecto.
Dr. Mario Enrique Álvarez Ramos, por su apoyo y colaboración al brindarme
un espacio para realizar mi trabajo experimental.
Dra. María Antonia Luna Velasco por su apoyo y colaboración para la
caracterización de las muestras, ya que sin ello no se podría haber culminado este
proyecto.
También me permito agradecer al MCM Roberto Carlos Carrillo Torres por su
colaboración en la realización de este proyecto.
A la Universidad de Sonora, ya que nuevamente contribuyo en mi formación
académica.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el financiamiento otorgado para la realización de este proyecto. Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados por permitirme realizar el posgrado. Y por último un agradecimiento a todos mis compañeros de posgrado.
iv
RESUMEN
Las nanopartículas de plata se están considerando en gran variedad de
aplicaciones que comprenden desde el área electrónica hasta biomédicas. Características
como tamaño, morfología y cristalinidad son parámetros muy importantes a controlar
para sus posibles aplicaciones. En aplicaciones biológicas además de los parámetros antes
señalados, es de vital importancia la estabilidad de las nanopartículas en medio acuoso a
temperatura ambiente.
En el presente trabajo el objetivo principal fue optimizar el método de síntesis de
nanopartículas de plata por reducción química, con el fin de obtener nanopartículas
esféricas con un tamaño aproximado de 15 nm y estables en medio acuoso a temperatura
ambiente. En la síntesis se utilizó nitrato de plata como precursor metálico,
polivinilpirrolidona como agente estabilizante e hidracina como agente reductor. La
optimización del método se basó principalmente en probar diferentes concentraciones de
reactantes así como también en la modificación de temperatura y tiempos de reacción.
Las nanopartículas de plata sintetizadas se caracterizaron en cuanto a tamaño
(primario e hidrodinámico), morfología, potencial Z (carga de superficie) y espectro de
absorción, mediante el uso de técnicas de Microscopia Electrónica de Transmisión
(TEM), Microscopia Electrónica de Barrido acoplada a Energía Dispersiva de rayos-X
(SEM -EDX), Dispersión de luz modo dinámico (DLS), Potencial Z y Espectroscopia
UV-Visible.
El método optimizado de síntesis de nanopartículas de plata por reducción
química consistió en hacer reaccionar nitrato de plata 25 mM (8 ml) con hidracina 70
v
mM (1 ml) en presencia de polivinilpirrolidona 0.13 mM a una temperatura de 6 ºC; del
cual se obtuvieron nanopartículas de plata con morfología esférica, tamaño promedio de
16 nm, carga de superficie negativa y estabilidad en medio acuoso a temperatura
ambiente (periodo > 6 meses).
vi
ABSTRACT
Silver nanoparticles are being considered in a variety of applications ranging from
biomedical to electronic areas. Characteristics such as size, morphology and crystallinity
are important parameters to control for potential applications of nanoparticles. Besides
those parameter, the stability of nanoparticles in aqueous media at room temperature is of
vital importance in biological applications.
In this study the main purpose was to optimize the synthesis method of silver
nanoparticles by chemical reduction, in order to obtain spherical nanoparticles with less
than 20 nm in size and stable in aqueous media at room temperature. In the synthesis
process, silver nitrate was used as the metal precursor, polyvinylpyrrolidone as a
stabilizer and hydrazine as a reducing agent. The optimization method was mainly based
on testing different concentrations of reactants as well as the modification of temperature
and reaction times.
The synthesized silver nanoparticles were characterized in terms of size (primary
and hydrodynamic), morphology, Z potential (surface charge ) and absorption spectrum,
through the use of advanced techniques, such as Transmission Electron Microscopy
(TEM ), Scanning Electron Microscopy coupled to Energy Dispersive X-ray
Spectroscopy (SEM -EDX), dynamic light scattering mode (DLS), laser Doppler
velocimetry and UV-Visible Spectroscopy.
vii
The optimized synthesis method of silver nanoparticles by chemical reduction,
consisted in reacting silver nitrate 25 mM (8 ml) with 1 ml of hydrazine 70 mM in
presence of 0.13 mM polyvinylpyrrolidone at a temperature of 6 °C. Resulting, silver
nanoparticles with spherical morphology of an average size of 16 nm , negative surface
charge and stable in aqueous media at room temperature (for a period > 6 months).
.
viii
TABLA DE CONTENIDO
DEDICATORIA .......................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... iii RESUMEN ................................................................................................................... iv ABSTRACT ................................................................................................................. vi LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. .Error! Bookmark not defined. LISTA DE TABLAS .................................................................................................... xiii INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1 CAPITULO 1: Marco teórico ...................................................................................... 5
1.1 Nanociencia y Nanotecnología ....................................................................... 5 1.2 Nanomateriales ................................................................................................ 6 1.3 Nanopartículas metálicas ............................................................................... 7 1.4 Métodos de síntesis para la obtención de nanopartículas metálicas .............. 8
1.4.1 Métodos Top-Down .............................................................................. 9 1.4.2 Métodos Bottom-Up ............................................................................. 10 1.4.3 Métodos biológicos ............................................................................... 11
1.5 Estabilidad de nanopartículas metálicas en sistemas coloidales ..................... 12 1.6 Tipos de estabilización de nanopartículas metálicas en sistemas coloidales .. 14
1.6.1 Estabilización electroestática ................................................................ 15 1.6.2 Estabilización estérica ........................................................................... 19 1.6.3 Estabilidad electroestérica .................................................................... 21
1.7 Nanopartículas de plata ................................................................................... 21 1.7.1 Síntesis de nanopartículas de plata por el método de reducción
química. .................................................................................................. 22 1.8 Propiedades de las nanopartículas de plata ..................................................... 25
1.8.1 Propiedades ópticas ............................................................................... 26 1.8.1.1 Resonancia del plasmón superficial ........................................... 26
1.8.2 Propiedades antimicrobianas ................................................................ 29 CAPITULO 2: Materiales y Métodos .......................................................................... 32
ix
2.1 Materiales y reactivos ..................................................................................... 32 2.1.1 Preparación de soluciones madre .......................................................... 32
2.2 Metodología Experimental .............................................................................. 33 2.3 Técnicas de caracterización ............................................................................ 37
2.3.1 Dispersión de luz modo dinámico (DLS). ............................................ 37 2.3.2 Potencial Z ............................................................................................ 38 2.3.3 Espectroscopía UV-Visible ................................................................... 38 2.3.4 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM). ...................................... 39 2.3.5 Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM). ................................ 39
CAPITULO 3: Resultados y discusión ........................................................................ 40
3.1 Síntesis de nanopartículas de plata .................................................................. 40 3.2 Tamaño hidrodinámico de las nanopartículas ................................................. 42 3.3 Potencial Z ...................................................................................................... 56 3.4 Espectros de absorción de nanopartículas de plata ......................................... 60 3.5 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM). ................................................... 61
3.5.1 Espectroscopía de energía dispersiva (EDS) ........................................ 64 3.6 Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM) ............................................ 65
CONCLUSIONES ....................................................................................................... 70 REFERENCIAS ........................................................................................................... 71
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Nanopartículas con diferentes Morfologías. ....................................................... 9
Figura 2. Procesos de aglomeración de partículas en sistemas coloidales. ...................... 14
Figura 3. A) Predominio de fuerzas de Van der waals, B) Presencia de fuerzas de
repulsión electroestática. ............................................................................................ 15
Figura 4. Dos maneras distintas de visualizar la doble capa, en el lado izquierdo se
muestra la densidad de carga alrededor del coloide y en el lado derecho se muestra la
concentración de iones positivos y negativos sobre el coloide. ................................. 17
Figura 5. Variación de concentración de iones y variación de densidad de carga en la
capa difusa. ................................................................................................................ 18
Figura 6. Esquema de condiciones para que ocurra la repulsión electroestática entre dos
partículas, donde “So” es la distancia entre partículas y “r” el radio de partícula. .... 18
Figura 7. Tipos de interacción entre polímero y superficie sólida. a) Polímero anclado, b)
polímero adsorbido. ................................................................................................... 19
Figura 8. Esquema de la estabilización electroestérica. ................................................... 21
Figura 9. Mecanismo de formación de nanopartículas a partir de la reducción química.
................................................................................................................................... 23
Figura 10. Modelo representativo del plasmón de resonancia en nanopartículas metálicas.
a) Nanopartícula esférica con núcleos e iones atómicos además de electrones de
conducción; b) Interacción del campo eléctrico con la nanopartícula; c) Polarización
de la nanopartícula; d) Presencia del campo eléctrico restaurador; e) Oscilación
colectiva de los electrones de conducción. ................................................................ 27
Figura 11. Espectros de absorción de nanopartículas de plata de diferente tamaño. Donde
se observa el corrimiento y ensanchamiento de la banda a mayores longitudes de
onda debido al incremento del tamaño de partícula. .................................................. 28
Figura 12. Acciones bactericidas de nanopartículas de plata. .......................................... 30
xi
Figura 13. Mecanismo propuesto para la formación de nanopartículas de plata a través
del uso de hidracina para la reducción de los iones plata unidos a la PVP. ............... 42
Figura 14. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración
de nitrato de plata. ...................................................................................................... 44
Figura 15. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración
de nitrato de plata. ...................................................................................................... 44
Figura 16. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la
concentración de nitrato de plata y la temperatura de reacción. ................................ 45
Figura 17. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración
de nitrato de plata y la temperatura de reacción. ....................................................... 46
Figura 18. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la Concentración
de PVP y la temperatura de reacción. ........................................................................ 48
Figura 19. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración
de PVP y la temperatura de reacción. Manteniendo constante la concentración de
nitrato de plata. .......................................................................................................... 49
Figura 20. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración
de PVP manteniendo constante la concentración de nitrato de plata. ........................ 50
Figura 21. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración
de PVP manteniendo constante la concentración de nitrato de plata. ........................ 51
Figura 22. Comparación de graficas por intensidad de partículas de plata. Un día después
de la síntesis y 15 días después. ................................................................................. 52
Figura 23. Comparación de graficas por volumen de partículas de plata. Un día después
de la síntesis y 15 días después. ................................................................................. 53
Figura 24. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración
de PVP y el volumen de agente reductor en la reacción. ........................................... 54
Figura 25. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración
de PVP y el volumen de agente reductor en la reacción. ........................................... 55
Figura 26. Gráficas de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.11 mM de
PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -21.7 mV. .............................. 56
xii
Figura 27. Gráficas de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.13 mM de
PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -20.4 mV. .............................. 57
Figura 28. Gráficas de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.16 mM de
PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -21.2 mV. .............................. 57
Figura 29. Gráficas de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.19 mM de
PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -14.5 mV. .............................. 58
Figura 30. Gráficas de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.22 mM de
PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -13.8 mV. .............................. 58
Figura 31. Espectros de absorción de síntesis de nanopartículas de plata con 0.11 mM,
0.13 mM, 0.16 mM, 0.19 mM y 0.22 mM de PVP. ................................................... 60
Figura 32. SEM e histograma de muestra que contiene 0.11 mM de PVP. ..................... 62
Figura 33. SEM e histograma de muestra que contiene 0.22 mM de PVP. ..................... 62
Figura 34. SEM e histograma de muestra que contiene 0.32 mM de PVP. .................... 63
Figura 35. Análisis elemental EDS correspondiente a la muestra que contiene 0.22 mM
de PVP. ...................................................................................................................... 64
Figura 36. Micrografía de la muestra a la cual se realizó EDS, señalando la zona
analizada. ................................................................................................................... 65
Figura 37. TEM de la muestra que contiene 0.11 mM de PVP. ..................................... 66
Figura 38. TEM de la muestra que contiene 0.22 mM de PVP. ..................................... 67
Figura 39. TEM de la muestra que contiene 0.32 mM de PVP. ..................................... 67
Figura 40. Patrones de difracción; A) muestra con 0.11 mM de PVP, B) muestra con
0.22 mM de PVP, C) muestra con 0.32 mM de PVP. ............................................... 68
xiii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Relación entre el número total de átomos en la partícula y porcentaje de átomos
en superficie. ................................................................................................................ 7
Tabla 2. Agentes reductores con sus respectivos estabilizadores para la síntesis de
nanoparticulas en sistemas acuosos. .......................................................................... 25
Tabla 3. Modificación de la concentración de nitrato de plata en la síntesis de
nanopartículas. ........................................................................................................... 34
Tabla 4. Modificación de la concentración de Hidracina. ................................................ 35
Tabla 5. Cambios de temperatura de reacción. ................................................................ 35
Tabla 6. Variación en la concentración de PVP que se agrega a la reacción. .................. 36
Tabla 7. Modificación en el volumen del agente reductor (hidracina). ........................... 37
Tabla 8. Comparación de distancias interplanares calculadas con las establecidas para
cada plano cristalográfico. ......................................................................................... 69
1
INTRODUCCIÓN
Las nanopartículas metálicas son materiales que se caracterizan por presentar
propiedades muy diferentes a las que posee el mismo material pero en estado
volumétrico. Dentro de las propiedades que presentan estos nanomateriales destacan las
propiedades ópticas, electrónicas, catalítica, magnéticas y biomédicas. Estas propiedades
son extremadamente dependientes del tamaño, forma, cristalinidad, composición y
estructura de las nanopartículas, las cuales a su vez dependen de las condiciones en las
que se realice la síntesis de estás. Por lo anterior es que han surgido una gran cantidad de
métodos para la obtención de nanopartículas con fines y aplicaciones en diversos campos.
Dentro de las nanopartículas metálicas destacan considerablemente las de plata,
debido a que presentan de una manera excepcional propiedades ópticas, biomédicas y
antimicrobianas; estas propiedades le permiten tener múltiples aplicaciones en diferentes
áreas. En el área de la salud por ejemplo, las nanopartículas de plata se utilizan en el
recubrimiento de material dental, prótesis, catéteres, injertos vasculares, y tratamiento
tópico de quemaduras. También se utilizan en otros campos de aplicación como
monitoreo del medio ambiente, catálisis, tratamiento ambiental, electrónica, óptica,
fotónica y para ampliar y mejorar técnicas como SERS y MEF.
Dependiendo del tipo de aplicación las nanopartículas de plata requieren ciertas
características específicas (ej. tamaño, morfología, etc.) que definirán sus propiedades
fisicoquímicas, por tal motivo es de vital importancia seleccionar el método de síntesis
correcto y los agentes o materiales participantes en la reacción. Existen varios métodos
para la obtención de nanopartículas de plata tales como: ablación laser, molienda,
2
evaporación térmica, irradiación con microondas, síntesis solvotermal, método sol-gel,
reducción radioquímica, reducción fotoquímica, reducción electroquímica y reducción
química.
La síntesis de nanopartículas de plata por el método de reducción química es sin
duda el más utilizado por ser un método sencillo y económico. Además este permite
variar los agentes o materiales participantes en la reacción con el fin de obtener
nanopartículas de plata con las características deseadas.
En el presente trabajo se realizó la optimización del método de síntesis de
nanopartículas de plata por reducción química con el fin de obtener nanopartículas con un
tamaño menor a 20 nm, con morfología esférica y estables en medio acuoso a
temperatura ambiente. Así mismo se realizó la caracterización de las nanopartículas
usando técnicas de microscopía de alta resolución, dispersión de luz y técnicas
espectroscópicas.
El trabajo se presenta en tres capítulos como se indica a continuación.
El capítulo uno presenta los antecedentes históricos de las nanopartículas de plata,
definición de algunos conceptos importantes, así como también una descripción de los
métodos de síntesis, estabilización y propiedades fisicoquímicas de las nanopartículas.
El capítulo dos contiene la metodología sobre la síntesis de las nanopartículas,
incluyendo la mayoría de las reacciones que se realizaron para optimizar el método de
síntesis, así como también las técnicas que se utilizaron para caracterizar las
nanopartículas.
3
El capítulo tres muestra los resultados de la síntesis de nanopartículas de plata por
el método de reducción química, y la caracterización de estas. Al final se incluyen las
conclusiones del trabajo realizado.
Finalizando con las conclusiones del trabajo realizado.
HIPÓTESIS
Determinar los parámetros correctos de reacción como concentración de
reactantes participantes, temperatura y tiempo de reacción, permitirá sintetizar
nanopartículas de plata con un tamaño aproximado de 15 nm, presentando morfología
esférica y estabilidad en medio acuoso a temperatura ambiente.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Sintetizar nanopartículas de plata estables en medio acuoso a temperatura
ambiente con morfología esférica y un tamaño aproximado de 15 nm a través de la
optimización del método por reducción química utilizando hidracina.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1) Evaluar los parámetros (concentración de reactantes) y condiciones de
reacción (temperatura y tiempo de reacción) utilizados en el método de
reducción química con hidracina para la síntesis de nanopartículas de plata.
4
2) Caracterizar adecuadamente (morfología, tamaño, carga de superficie,
espectro de absorción, naturaleza cristalina y estabilidad en medio acuoso a
temperatura ambiente) las nanopartículas de plata sintetizadas.
3) Confirmar los parámetros de caracterización de las nanopartículas de plata
(tamaño, morfología, estabilidad en medio acuoso) que son relevantes para
aplicaciones biológicas, por al menos dos técnicas confirmativas.
5
CAPITULO 1: Marco teórico
En el presente capítulo se hablará primeramente de tres conceptos importantes
que generalmente se prestan a confusión: nanociencia, nanotecnología y nanomateriales.
Continuando con una breve explicación sobre nanopartículas metálicas, métodos de
obtención y tipos de estabilización. Al final se hará una breve descripción de las
nanopartículas de plata y las principales propiedades que presentan estos nanomateriales.
1.1 Nanociencia y Nanotecnología
La nanociencia es un área emergente de la ciencia que se encarga del estudio de
los fenómenos y la manipulación de materiales de magnitudes atómicas y moleculares,
cuyas propiedades son significativamente diferentes a la de los mismos materiales en
escalas mayores. Esta área involucra la parte teórica y experimental, y se ha convertido
en un campo científico con entidad propia de la cual se desprende la nanotecnología
(Grassian, 2008; Almendáres y González 2011).
La nanotecnología es definida como la manipulación y control de la materia en
dimensiones entre 1 y 100 nm, lo que conlleva principalmente al desarrollo, fabricación y
caracterización de estructuras y sistemas novedosos (nanomateriales) de tamaños
nanométricos (nanoaparatos y nanoherramientas). El prefijo nano se refiere a un factor de
10!!, que tiene un valor de mil millonésimas partes de un metro (Liu, 2006; Raí 2009).
El desarrollo de la nanotecnología inicia cuando Richard Feynman (premio nobel
de física en 1959) considerado el padre de la nanociencia, propone fabricar productos a
partir de un reordenamiento de átomos y moléculas. La manipulación de la materia a
6
nano-escala promete diseñar e introducir nuevos materiales con un enorme potencial en
diversas aplicaciones e innovaciones en distintas áreas como la alimentaria, textil,
medicina, química, tecnologías de la información y energía (Grassian, 2008; Almendáres
y González 2011).
1.2 Nanomateriales
Los nanomateriales son materiales que poseen al menos una dimensión entre 1 y
100 nm. Éstos son sintetizados y modificados con el fin de mejorar sus propiedades
físicas-químicas (tales como área superficial, carga de superficie, morfología, tamaño,
reactividad y solubilidad) comparados con los mismos materiales pero en tamaños
volumétricos.
Muchas de las propiedades de los materiales dependen del acomodo de los átomos
en el arreglo estructural del material y de la oscilación de los electrones confinados en
éste. Cabe señalar que en materiales nanométricos el movimiento de los electrones está
muy limitado por las dimensiones del propio material, además la cantidad de átomos en
la superficie con respecto al interior, es por mucho, más elevada que en materiales de
mayor tamaño (Tabla 1, Izaguirre 2010).
7
Tabla 1. Relación entre el número total de átomos en la partícula y porcentaje de átomos en superficie.
Los nanomateriales pueden incluir agregados atómicos (clusters) y partículas de
hasta 100 nm de diámetro, fibras con diámetros inferiores a 100 nm, láminas delgadas de
espesor inferior a 100 nm, nanoporos y materiales compuestos conteniendo alguno de
estos elementos (figura 1). La composición del material puede ser cualquiera, si bien los
más importantes son silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros,
sulfuros, haluros, aleaciones metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y
materiales compuestos.
1.3 Nanopartículas metálicas
Las nanopartículas o nanocristales de metales han sido ampliamente estudiadas
debido a que poseen excelentes propiedades ópticas, mecánicas, eléctricas, magnéticas, y
químicas. Estas propiedades son generalmente producto la gran área superficial que
poseen las nanopartículas por la reducción de tamaño. Los materiales reducidos a tamaño
8
nanométrico exhiben un comportamiento y propiedades muy diferentes a las propiedades
en su estado macroscópico, por ejemplo sustancias opacas como el cobre se vuelven
transparentes en estado nanométrico, materiales inertes como el oro y platino adquieren
propiedades catalíticas, materiales estables como el aluminio cambian a combustibles, y
materiales como la plata que tiene efectos bactericidas en estado macroscópico, aumentan
su potencial bactericida cuando se presentan en estado nanométrico.
Recientemente las nanopartículas metálicas han resultado ser muy atractivas para
su desarrollo comercial debido a las propiedades antes mencionadas, por lo que se ha
incrementado su producción en diferentes industrias como la aeronáutica, agrícola,
alimenticia, automotriz, biomédica, cosmética, farmacéutica, informática, textil, entre
otras (Almendáres y González 2011).
Metales como el oro, plata, paladio y cobre, son empleados para la fabricación de
nanopartículas de diferentes formas y tamaños. Las técnicas y condiciones al momento de
realizar la síntesis de las nanopartículas influyen directamente en la morfología y
propiedades físico-químicas de estas.
1.4 Métodos de síntesis para la obtención de nanopartículas metálicas
Existe un gran número de métodos para la obtención de nanopartículas metálicas
de diversas morfologías como nanobarras, nanofibras, nanodiscos, cubos (cajas), prismas,
esferas, entre otros (figura. 1). Dependiendo del método utilizado y las condiciones en las
que se lleva a cabo la síntesis se obtendrán algunas de las nanoestructuras antes
señaladas. Debido a la amplia variedad de métodos, éstos se clasifican en dos categorías,
9
de arriba hacia abajo (Top Down), y de abajo hacia arriba (Bottom Up) (Rao 2004;
Schmid 2004) .
Figura 1. Nanopartículas con diferentes Morfologías.
1.4.1 Métodos Top-Down
Los métodos denominados “de arriba hacia abajo” o Top-Down consisten en la
división de sólidos másicos en porciones más pequeñas con tamaño nanométrico. Dentro
de estos procesos destacan la evaporación térmica, deposito químico en fase de vapor
(CVD), ablación laser y la molienda (Zanella 2012).
La evaporación térmica consiste en el calentamiento hasta la evaporación del
material que se pretende depositar; el vapor termina condensándose en forma de lámina
delgada sobre la superficie fría de un sustrato y la pared de la cámara de vacío. En esta
técnica el calentamiento del material se puede producir de dos maneras; calentamiento
por resistencia (efecto joule) o bien sometiendo al material a un bombardeo intenso de
10
electrones de alta energía, procedentes de un cañón de electrones (calentamiento por haz
de electrones).
El depósito químico en fase de vapor (CVD, por sus siglas en ingles chemical
vapor deposition) consiste en la reacción y descomposición de una mezcla de gases en el
interior de una cámara de vacío (reactor), cerca de la superficie de un sólido para dar
lugar a la formación de un material en forma de capa delgada o nanopartículas (Zanella
2012).
La molienda consiste en colocar el metal que se desea reducir de tamaño en un
molino de bolas de alta energía, las cuales pueden ser de diferentes materiales como
acero, zirconia y carburo de tungsteno; los choques entre sí de las bolas deforman,
fracturan, mezclan y alean los materiales que se encuentran en el interior del molino.
Dicho proceso puede ser en seco o en húmedo, con o sin atmosfera controlada y los
principales parámetros a controlar son temperatura, presión medio molienda y frecuencia
de impacto (Zanella 2012).
1.4.2 Métodos Bottom-Up
Los métodos Bottom-Up o “de abajo hacia arriba” consisten en la fabricación de
nanopartículas a partir de la condensación de átomos o moléculas ya sea en fase gaseosa
o en solución. Dentro de esta categoría se encuentran la reducción química, reducción
fotoquímica, reducción electroquímica, el método sol-gel (Zanella 2012).
La reducción química consiste en hacer reaccionar una sal metálica con un agente
reductor, en presencia de un agente estabilizante. El tamaño y la forma de las
11
nanopartículas pueden ser regulados por variaciones en las concentraciones de los
reactantes.
La reducción fotoquímica y radioquímica consisten en la generación de
reductores fuertes altamente activos como electrones, radicales y especies excitadas;
modificando el sistema químico por medio de altas energías. La reducción fotoquímica
se caracteriza por utilizar energías menores a 60 eV mientras que la radioquímica utiliza
energías de 103-104 eV. Este tipo de métodos presentan ventajas sobre el método de
reducción química debido a la ausencia de impurezas, presentes cuando se utilizan
agentes reductores. Este tipo de reducciones en solución se utilizan frecuentemente para
sintetizar partículas de metales nobles, estas partículas se obtienen a partir de las
correspondientes sales disueltas en agua, alcohol o solventes orgánicos (Zanella 2009 y
Park et al. 2011).
1.4.3 Métodos biológicos
En la actualidad el uso de sistemas biológicos ha surgido como un nuevo método
para la síntesis de nanopartículas, donde se emplean organismos como bacterias y hongos
para llevar a cabo la síntesis. Es bien conocido que varios organismos unicelulares y
multicelulares producen precipitados de tamaño nanométrico (materiales inorgánicos)
intracelularmente o extracelularmente, como mecanismos de defensa por su exposición a
esos compuestos (Martínez et al. 2012).
Hoy en día se ha encontrado gran diversidad de cepas productoras de
nanomateriales, en el caso de bacterias podemos mencionar a Pseudomonas Strutzeri la
12
cual produce nanopartículas de plata con un tamaño de 16 a 40 nm a partir de la
reducción de iones plata; De igual manera la especie Moraxella Guanajuatensis produce
nanopartículas de plata con un tamaño aproximado entre 5-10 nm y 50-100 nm
dependiendo de las condiciones del cultivo. En el caso de los hongos, que son
considerados potenciales microorganismos productores de nanomateriales se pueden citar
a especies como Aspergillus Fumigatus y Penicillium, los cuales también tienen la
capacidad de sintetizar nanopartículas de plata (Martínez et al. 2012; Vidales et al. 2006).
Algunos microorganismos cuentan con la capacidad de precipitar los iones de
plata tóxicos en forma de nanopartículas para evitar la interacción directa de los iones con
las células. Esto ocurre normalmente en microorganismos que han estado expuestos en
lugares que se encuentran contaminados con plata (u otros metales) y de esa forma
pueden sobrevivir en esos ambientes, como es el caso de la bacteria Moraxella
Guanajuatensis la cual fue aislada de una mina de plata en Guanajuato México (Vidales
et al. 2006).
1.5 Estabilidad de nanopartículas metálicas en sistemas coloidales
Los sistemas coloidales son suspensiones que poseen un tamaño de partícula en el
rango de 1 nm -1µm. A diferencia de las soluciones moleculares ordinarias en estos
sistemas el tamaño de partícula es mayor, por ello se comportan de una manera diferente
y se denominan suspensiones (Salager 2007).
Los métodos químicos en especial los Bottom-Up generalmente producen
sistemas coloidales de partículas pequeñas dentro de las cuales se encuentran presentes
13
fuerzas atractivas de van der Waals y movimientos brownianos. Las fuerzas de Van der
Waals son fuerzas de atracción débiles que en distancias cortas llegan a ser
significativamente fuertes; mientras que el movimiento browniano permite que las
partículas se encuentren interaccionando unas con otras todo el tiempo (Cao y Wang
2004).
En los sistemas coloidales las partículas metálicas generalmente tienden a
aglomerarse. El fenómeno de aglomeración o aglutinación se puede presentar por dos
procesos llamados adición o sinterización y Ostwald Ripening. En el proceso de adición
o sinterización, partículas individuales se combinan unas con otras para formar un estado
masivo, mientras que en el proceso llamado Ostwald Ripening partículas relativamente
grandes crecen a expensas de partículas mucho más pequeñas para la formación de
partículas grandes (Figura 2). Para proteger las partículas coloidales y evitar la
aglomeración por cualquiera de los dos procesos antes señalados, se utilizan
estratégicamente agentes pasivantes o estabilizantes, los cuales pueden asociarse a la
superficie de las partículas en solución y generar una fuerza repulsiva opuesta (fuerza
electroestática), que actuará en contra de las fuerzas de atracción de van der waals para
lograr la estabilización de las partículas y así evitar la aglomeración y pérdida de
propiedades de las mismas (Cao y Wang 2007).
14
Figura 2. Procesos de aglomeración de partículas en sistemas coloidales.
La estabilización de partículas metálicas en sistemas coloidales se puede llevar a
cabo de varias formas sobresaliendo la estabilización electroestática, la estabilización
estérica y una combinación de estas, llamada estabilización electroestérica.
1.6 Tipos de estabilización de nanopartículas metálicas en sistemas coloidales
Como se mencionó con anterioridad existen varias maneras de estabilizar los
sistemas coloidales para prevenir la aglomeración y precipitación de las partículas en
suspensión. Dentro de los agentes estabilizantes para los sistemas coloidales destacan la
polivinilpirrolidona (PVP), el quitosano, citrato de sodio, el dodecil sulfato de sodio
(SDS), el almidón, la celulosa, gelatina, hexadecilamina, bromuro de cetil trimetil
amonio (CTAB), polietilenglicol, entre otros (Monge 2009). De acuerdo con Petica y
Wang el utilizar la pilivinilpirrolidona como agente estabilizante ayuda en gran medida a
la dispersabilidad de nanopartículas de plata. Sin embargos si se utilizan cantidades
mayores de 6 gr/L de PVP (concentración 0.15 mM) se provoca un aumento en la
viscosidad del sistema y con ello la aglomeración y precipitación de las nanopartículas
(Wang et al. 2007, Petica et al. 2008).
15
A continuación se describirán brevemente los tres tipos de estabilización antes
señalados: estabilización electroestática, estabilización estérica y estabilización
electroestérica.
1.6.1 Estabilización electroestática
La estabilidad electrostática de partículas en suspensión es descrita correctamente
por la teoría DVLO (Derjaguin, Landau, Verwey y Overbek). Esta se basa en el
equilibrio entre las fuerzas opuestas de repulsión y fuerzas de atracción tipo Van der
Waals (Cao y Wang 2007).
Como se mencionó anteriormente los sistemas coloidales presentan movimiento
browniano, el cual provoca colisión entre las partículas en suspensión y si las fuerzas
atractivas de Van der Waals predominan, las partículas se aglomeran después de la
colisión (figura 3). Mientras que, si las fuerzas de repulsión electroestática están
presentes las partículas se mantienen separadas después de la colisión y el sistema
permanece estable (figura 3).
Figura 3. A) Predominio de fuerzas de Van der waals, B) Presencia de fuerzas de repulsión
electroestática.
16
La teoría de DVLO presenta varias hipótesis que son importantes considerar para
determinar la estabilidad de los sistemas coloidales, éstas son: a) Infinidad de superficies
solidas planas, b) Densidad de carga uniforme en superficie, c) No redistribución de
carga de superficie, d) Ningún cambio de perfiles de concentración tanto para el contra-
ion como para la carga de superficie, e) Ejercer influencias en el solvente únicamente a
través de la constante dieléctrica (Cao y Wang 2007).
Es muy evidente que no todas las hipótesis de la teoría DVLO se cumplen cuando
están las partículas en dispersión, por ejemplo la superficie de las partículas no es
infinitamente plana, además que la densidad de carga superficial es muy probable que
cambie si dos partículas cargadas están muy cerca una de la otra. A pesar de no cumplirse
algunas hipótesis la teoría DVLO funciona muy bien para explicar la interacción entre
dos partículas con carga eléctrica, por lo tanto es ampliamente utilizada en la comunidad
de investigación de la ciencia coloidal (Cao y Wang 2008).
La fuerza de repulsión electrostática entre partículas individuales resulta de la
interacción de la doble capa presente en cada una de ellas. Ésta doble capa eléctrica es
producto de la adsorción de iones en la superficie de las partículas.
Para definir y visualizar correctamente la formación de la doble capa eléctrica
vamos a partir de un coloide en solución cargado negativamente, el cual atrae a los iones
con carga positiva llamados contra-iones para formar una capa rígida alrededor de éste
denominada capa de Stern. Posteriormente otros iones positivos circundantes en la
solución se encuentran atraídos por el coloide pero rechazados por los contra-iones
presentes en la capa de Stern, dando lugar a la formación de la capa difusa de contra-
iones. Los contra-iones presentan una alta concentración cerca de la superficie del
17
coloide y disminuyen gradualmente conforme va aumentado la distancia hasta lograr el
equilibrio de contra-iones en el seno de la solución. De manera opuesta los iones
negativos o co-iones se encuentran alejados del coloide debido a que poseen la misma
carga y son encontrados en pequeñas cantidades en la capa difusa, sin embargo éstos
incrementan su concentración al alejarse del coloide (Figura 4)(Cao y Wang 2007).
La capa difusa puede ser visualizada como una atmosfera cargada rodeando al
coloide. La densidad de carga es igual a la diferencia de concentración entre iones
positivos y negativos, esta es mucho mayor cerca del coloide y va disminuyendo
conforme se aleja, hasta llegar a cero cuando las concentraciones de iones positivos y
negativos se asemejan (figura 5).
Figura 4. Dos maneras distintas de visualizar la doble capa, en el lado izquierdo se muestra la densidad
de carga alrededor del coloide y en el lado derecho se muestra la concentración de iones positivos y negativos sobre el coloide.
18
Figura 5. Variación de concentración de iones y variación de densidad de carga en la capa difusa.
Cuando dos partículas se encuentran separadas a una distancia la cual es más
grande que el tamaño de sus dobles capas, éstas no interaccionan. Conforme la distancia
existente entre las partículas se reduce, se produce un traslape entre las dobles capas de
las partículas lo que genera fuerzas de repulsión electroestática (Figura 6).
Figura 6. Esquema de condiciones para que ocurra la repulsión electroestática entre dos partículas,
donde “So” es la distancia entre partículas y “r” el radio de partícula.
19
1.6.2 Estabilización estérica
La estabilización estérica o polimérica es un método extensamente utilizado para
la estabilidad de sistemas coloidales, que utiliza comúnmente polímeros, macromoléculas
y surfactantes. Este tipo de estabilización se presenta por la adsorción de ligandos o
moléculas que cubren la superficie metálica de las partículas, generando una capa que
induce la formación de una barrera estérica (Kraynov y Muller 2011, Cao y Wang 2007).
La capa polimérica adsorbida en la superficie de las nanopartículas sirve como
una barrera de difusión para el crecimiento de especies, resultando en una difusión
limitada en el posterior crecimiento del núcleo. Dicha difusión limitada de crecimiento
podría reducir la distribución de tamaño en la nucleación inicial y con ello obtener
nanopartículas de un solo tamaño (Cao y Wang 2011).
Dependiendo de la interacción entre el polímero y la superficie sólida éste puede
ser agrupado como polímero anclado o polímero adsorbido, el primero unido
irreversiblemente a la superficie sólida solamente por un extremo, mientras que el
segundo es adsorbido débilmente en puntos aleatorios a lo largo de la columna vertebral
del polímero (figura 7).
Figura 7. Tipos de interacción entre polímero y superficie sólida. a) Polímero anclado, b) polímero
adsorbido.
20
La interacción entre el polímero y la superficie solida está limitada por la
adsorción de moléculas poliméricas sobre la superficie de la partícula. La adsorción
puede efectuarse por formación de enlaces químicos entre iones o átomos con moléculas
poliméricas en la superficie de la partícula, o por débil adsorción física. Además de que
no hay restricción si uno o múltiples enlaces son formados entre el sólido y el polímero.
La presencia de la capa polimérica gobernara la interacción de las partículas en el
sistema, evitando que éstas se acerquen demasiado provocando la aglomeración y la
inestabilidad del sistema.
Para una estabilidad estérica óptima, las partículas deben estar completamente
recubiertas por el polímero (capa polimérica), de tal manera que las cadenas
estabilizantes no puedan movilizarse lejos del sitio de interacción, y también evitar que se
generen enlaces entre partículas con las cadenas poliméricas actuando como puente entre
las partículas induciendo la floculación (Cao y Wang 2007).
La estabilización estérica comparada con la estabilización electroestática ofrece
algunas importantes ventajas, como el hecho de ser un método termodinámico en donde
las partículas son siempre redispersables, además de que las capas poliméricas dan lugar
a la formación de la barrera estérica que limita el crecimiento, lo cual permite tener el
control del tamaño de partícula y a su vez evitar la aglomeración de éstas (Malina et al.
2012).
21
1.6.3 Estabilidad electroestérica
Éste tipo de estabilización es una combinación entre la estabilidad electroestática
y estérica. La estabilidad electroestérica tiene lugar cuando un polímero se une a la
superficie de una partícula con carga, lo que podría provocar que una capa polimérica se
desarrollara, en adición con un potencial eléctrico adyacente en la superficie. Cuando
dos partículas se acercan una con otra, la repulsión electroestática y la restricción estérica
pueden prevenir la aglomeración de las partículas (figura 8).
Figura 8. Esquema de la estabilización electroestérica.
1.7 Nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata tiene un gran interés para la comunidad científica
primeramente por la característica principal de toda nanopartícula, su elevada área
superficial en relación al volumen comparado con el mismo material en estado
volumétrico, además de las excelentes propiedades ópticas, catalíticas, electrónicas, su
potente actividad antibacterial, antifúngica y antiviral (Stefanska 2010 y Krol et al 2012).
22
En la actualidad las nanopartículas de plata son utilizadas cada vez más en
medicina como apósitos para heridas, catéteres, prótesis, tratamientos dentales y
tratamientos médicos debido a su potencial antimicrobiano. También se encuentran
publicaciones importantes referentes a la actividad antiviral de las nanopartículas contra
el VIH-1, así como trabajos sobre la evaluación de su toxicidad empleando diversas
líneas celulares (Lara et al. 2010, Elechiguerre et al. 2005 y Lamb et al. 2010).
La síntesis de nanopartículas de plata se puede realizar a partir de diferentes
métodos como la ablación laser, termólisis, síntesis biológica, reducción fotoquímica,
reducción electroquímica y reducción química. La síntesis con el método por reducción
química es la más simple y económica, permitiendo controlar el tamaño y forma de
partícula (Stefanska et al. 2010 y Monge 2009).
1.7.1 Síntesis de nanopartículas de plata por el método de reducción química.
La síntesis de nanopartículas metálicas por el método de reducción química
consiste en hacer reaccionar una sal metálica (precursor metálico) con un agente reductor
en presencia de un agente estabilizante. En algunas reacciones no es necesario el uso del
agente estabilizante debido a que el agente reductor actúa también como agente
estabilizante.
El mecanismo de formación de las nanopartículas en sistemas coloidales a partir
del método de reducción de iones requiere de tres fases: nucleación, crecimiento y
terminación. La nucleación requiere una alta energía de activación, mientras que, el
crecimiento requiere una baja energía de activación, y la terminación ésta mediada por la
23
presencia de agentes estabilizantes. El tamaño y forma de las nanopartículas dependerá
fuertemente de las velocidades relativas de estos procesos, que pueden ser controlados a
través de la modificación de parámetros como concentración, temperatura, pH, poder
reductor y pasivante al momento de realizar la reacción (Monge 2009).
La formación de las nanopartículas se basa en primer lugar, en la reducción de la
sal metálica al correspondiente átomo metálico cerovalente. Posteriormente estos átomos
actúan como centros de nucleación dando lugar a racimos atómicos o clústers, los cuales
seguirán creciendo mientras se mantenga el suministro de átomos, formándose así las
nanopartículas. Sin embargo los coloides metálicos solo son estables cinéticamente, por
ello es necesario estabilizar las nanopartículas; la estabilidad se logra al proveer de
moléculas estabilizadoras al sistema, ya que estas se adsorben en la superficie de las
partículas y de esta manera se previene la aglomeración (figura 9).
Figura 9. Mecanismo de formación de nanopartículas a partir de la reducción química.
24
En el caso de las nanopartículas de plata los primeros dos métodos descritos son
el método Lee Meisel y el método Creighton. El primero es una variación del método
turkevich, en el cual se utiliza nitrato de plata en lugar de ácido cloro áurico (HAuCl4)
como precursor metálico y citrato de sodio como agente reductor, en este método se
obtienen nanoparticulas de plata con una amplia distribución de tamaños de partícula
(polidisperso). Mientras que el método Creighton consiste en la reducción de nitrato de
plata (AgNO3) con borohidruro de sodio (NaBH4) como agente reductor, este método sin
duda alguna, es el más utilizado actualmente ya que permite obtener nanopartículas de
plata con un tamaño aproximado de 10 nm y con una estrecha distribución de tamaños
(Monge 2009).
A partir de los dos métodos anteriormente citados se han desarrollado una gran
cantidad de reacciones químicas que permiten la síntesis de nanopartículas de plata,
mediante la reducción de una sal de plata. En este tipo de reacciones se producen
sistemas coloidales de baja y alta fuerza iónica, esto debido al alto potencial de reducción
de la plata. Los sistemas coloidales de baja fuerza iónica no necesitan de agentes
estabilizantes, debido a que las dobles capas eléctricas formadas alrededor de las
partículas evitan la agregación de éstas; mientras que los sistemas de alta fuerza iónica
requieren de agentes estabilizantes para prevenir la aglomeración de nanopartículas, y
además éstos juegan un papel importante en el control del tamaño y forma de
nanopartículas (Monge 2009).
Los métodos que sintetizan nanopartículas de plata a través de la reducción
química son los que más variaciones presentan, por ejemplo se pueden utilizar como
agentes reductores Hidracina, Borohidruro de sodio, citrato de sodio, ácido ascórbico,
25
polioles, monosacáridos, entre otros. Mientras que como agente estabilizante pueden
utilizar Polivinilpirrolidona PVP, almidón, citrato de sodio, hexadecilamina, CTAB, entre
otros (tabla 2) (Monge 2009).
Tabla 2. Agentes reductores con sus respectivos estabilizadores para la síntesis de nanopartículas en sistemas acuosos.
PRECURSOR REDUCTOR ESTABILIZANTE AgNO3 Citrato No se utiliza AgNO3 Borohidruro de sodio No se utiliza AgNO3 Ac. Ascórbico No se utiliza AgNO3 Polioles Polivinilpirrolidona (PVP) AgNO3 β-D-Glucosa Almidón AgNO3 Dimetilformamida Aminopropiltrietoxisilano AgNO3 Dimetilformamida polivinilpirrolidona AgNO3 Ac. Ascórbico CTAB AgNO3 Hidracina Sulfosuccinato de sodio AgNO3 Radiación UV Polivinilpirrolidona (PVP) AgNO3 Radiación UV Polietilenglicol (PEG)
Las condiciones de síntesis de nanopartículas por el método de reducción química
como temperatura, concentración de reactantes, poder reductor y sobre todo el tipo de
agente estabilizante, además de influir drásticamente en el tamaño y forma de las
nanopartículas, éstas afectan las propiedades fisicoquímicas de las mismas
1.8 Propiedades de las nanopartículas de plata
Particularmente las nanopartículas de plata son excepcionales debido a sus
excelentes propiedades ópticas, térmicas, catalíticas, electromagnéticas y
antimicrobianas, que difieren en gran medida a las propiedades que presenta la plata en
26
tamaños volumétricos. Esto se debe a la reducción del tamaño lo cual produce un
aumento en el área superficial en relación al volumen, así como también a la forma que
presente la nanopartícula (Noritomi et al 2011 y Kumar et al. 2013).
1.8.1 Propiedades ópticas
Las propiedades ópticas de las nanopartículas dependen fuertemente del tamaño
de partícula y del índice de refracción del medio. Las dependencias de estas propiedades
respecto al tamaño de partícula pueden ser de dos clases, por el incremento de la energía
provocado por el confinamiento cuántico del sistema o por la resonancia del plasmón
superficial (Majles et al. 2009).
1.8.1.1 Resonancia del plasmón superficial
Los plasmones de superficie se definen como la oscilación colectiva de los
electrones de conducción en la superficie de la partícula, resultado de la interacción con
el campo eléctrico de la radiación electromagnética (Noginov et al 2007 y Majles et al.
2009).
Para comprender lo que son los plasmones de resonancia, visualizaremos una
nanopartícula metálica como una red de núcleos e iones atómicos con su estructura
cristalina bien definida, junto con los electrones de conducción que se mueven libremente
en el interior de la partícula, pero confinados dentro de ella. Posteriormente dicha
nanopartícula interacciona con una radiación electromagnética, la cual posee un campo
27
eléctrico que al entrar en contacto con la nanopartícula actuará sobre las cargas presentes
en ésta, provocando que los electrones de conducción por tener carga negativa se muevan
en sentido contrario al campo eléctrico, mientras que las cargas positivas se moverán en
sentido contrario a los electrones resultando en la polarización de la partícula; esto
origina que las cargas positivas den lugar a la aparición de otro campo eléctrico
denominado restaurador, debido a que se opone al campo eléctrico de la luz y trata de
llevar a los electrones a su posición de equilibrio, provocando la oscilación colectiva de
los electrones (figura 10).
Figura 10. Modelo representativo del plasmón de resonancia en nanopartículas metálicas. a) Nanopartícula esférica con núcleos e iones atómicos además de electrones de conducción; b) Interacción del campo eléctrico con la nanopartícula; c) Polarización de la nanopartícula; d) Presencia del campo eléctrico restaurador; e) Oscilación colectiva de los electrones de conducción.
La oscilación colectiva de los electrones de conducción es la que se conoce como
resonancia del plasmón superficial, la cual da origen a un intenso y sensible espectro de
absorción de luz en la región UV-Visible. Dicho espectro de absorción presenta alta
sensibilidad a cambios en la morfología de nanopartículas, tamaño, medio de dispersión,
28
sustancias adsorbidas en la superficie de las nanopartículas y arreglos geométricos (figura
11).
Figura 11. Espectros de absorción de nanopartículas de plata de diferente tamaño. Donde se observa el
corrimiento y ensanchamiento de la banda a mayores longitudes de onda debido al incremento del tamaño de partícula.
Las propiedades ópticas como el plasmón de resonancia han permitido
caracterizar a las nanopartículas metálicas incluyendo las de plata, además de poder
determinar mecanismos de formación y crecimiento de las mismas. Gracias a esta
propiedad las nanopartículas metálicas pueden ser utilizadas como biosensores ópticos,
en biomedicina. También están siendo ampliamente estudiadas otras propiedades como
SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) y MEF (Metal Enhanced Fluorescence)
(Monge 2009).
29
1.8.2 Propiedades antimicrobianas
El efecto antimicrobiano de la plata se conoce bien desde el siglo XlX, ya que ésta
se utilizaba como agente desinfectante con fines higiénicos y médicos; así desde la
antigüedad se empleaban vasijas y monedas de plata para almacenar líquidos como agua,
vino y leche, ya que se consideraba que se preservaban sus propiedades. Una de las
primeras aplicaciones médicas de la plata, fue el empleo en forma de polvo para la
curación de heridas y tratamiento de ulceras, pero sin duda la mayor utilidad de la plata
fue para el tratamiento de quemaduras (Monge 2009).
La reducción de tamaño de la plata a escala nanométrica provoca un aumento
significativo en su potencial antimicrobiano, debido a que las nanopartículas presentan
mayor área superficial en relación al volumen que la plata en tamaño volumétrico. Por lo
tanto, es evidente que la actividad o potencial antimicrobiano de las nanopartículas de
plata, depende fuertemente del tamaño y la forma de partícula.
El efecto antimicrobiano de las nanopartículas de plata es bien conocido, sin
embargo su mecanismo de acción es poco claro. Algunos mecanismos propuestos sobre
la acción antimicrobiana de las nanopartículas de plata se mencionan a continuación:
Interacción con los grupos tiol de las enzimas provocando su inactivación (Rai et al.
2012); anclaje y penetración en la pared celular de bacterias Gram negativas, lo que
provocara cambios estructurales en la membrana celular aumentando su permeabilidad y
cuyo destino será la muerte celular (Morones et al 2005). Otras investigaciones revelan
que la actividad antimicrobiana de las nanopartículas es producto de la formación de
radicales libres que provocan daño a la membrana celular (figura 12). Además las
30
nanopartículas de plata también tienen la capacidad de inhibir la producción de la
biopelícula por los microorganismos, que es una barrera protectora de las colonias
bacterianas (Rai et al 2012).
Figura 12. Acciones bactericidas de nanopartículas de plata.
Como se mencionó anteriormente el tamaño y forma de las nanopartículas de
plata influyen considerablemente en su potencial antimicrobiano; algunas investigaciones
indican que nanopartículas con un tamaño entre 1 y 10 nm tiene un alto porcentaje de
interacción con las bacterias, mientras que nanopartículas con un tamaño aproximado de
25 nm poseen alta actividad antimicrobiana (Morones et al 2005 y Panaceck et al 2006).
Por otro lado se indica que nanopartículas de plata con forma triangular tienen un mayor
efecto antimicrobiano comparado con las de forma esferoidales y cilíndricas; esto puede
asociarse a que las nanopartículas triangulares presentan planos cristalinos preferentes
[111], en los cuales se ha comprobado que existe una mayor densidad atómica lo que
favorece su actividad antimicrobiana.
31
El potencial antimicrobiano de las nanopartículas de plata no solo depende del
tamaño y la forma, sino también de la concentración de nanopartículas y la cantidad de
microorganismos presentes. En la actualidad hay una gran cantidad de trabajos referentes
a la actividad antimicrobiana de las nanopartículas indicando tamaños y concentraciones
para inhibir el crecimiento bacteriano; por ejemplo en el estudio realizado por M. Monge
(2009) se reporta una concentración mínima inhibitoria y una concentración bactericida
mínima de 12.5 y 25 µg/ml respectivamente, con nanopartículas de plata de un tamaño
entre 1 y 10 nm frente a tres tipos de microorganismos (Escherichia coli ATCC 25922,
Staphylococcus aureus ATCC 25923 y Listeria monocytogenes CECT4032.
Actualmente es de vital importancia continuar con el estudio de las propiedades
antimicrobianas y el mecanismo de acción de las nanopartículas de plata, debido a que
surgen enfermedades nuevas y más agresivas, producto de la resistencia que adquieren
los microorganismos frente a los antibióticos. Por lo que estudiar la capacidad
antimicrobiana de estos nanomateriales, nos podría proveer la solución para este tipo
retos de la medicina.
32
CAPITULO 2: Materiales y Métodos
En el presente capítulo se mencionan los materiales y el método utilizados para la
síntesis de nanopartículas de plata, así como la mayoría de las modificaciones realizadas
para conseguir la optimización del método de síntesis. Finalizando con una breve
explicación acerca de la preparación de las muestras para cada técnica de caracterización.
2.1 Materiales y reactivos
En nuestro trabajo se utilizó nitrato de plata como precursor metálico (AgNO3,
PM 169.87 gr/mol, pureza 99.99%), polivinilpirrolidona como agente estabilizante
(PVP, PM 40000 gr/mol) e hidracina como agente reductor (N2H4 al 50 - 60 %, PM 32.05
gr/mol, densidad 1.029 gr/ml,). Todos los reactivos de adquirieron en sigma aldrich.
Además de utilizar agua desionizada como disolvente para realizar las síntesis.
2.1.1 Preparación de soluciones madre
Nitrato de plata 0.1 Molar:
Se prepararon 100 ml de una solución de nitrato de plata 0.1 M de la siguiente
manera: se agregaron 1.1698 gramos de nitrato de plata en 100 ml de agua desionizada en
constante agitación, para obtener una buena homogenización.
33
Hidracina 0.1 Molar:
Se prepararon 100 ml de solución de hidracina 0.1 de la siguiente manera: se
añadieron 618.72 µL de hidracina al 60% p/v con una densidad de 1.029 gr/ml, a 100 ml
de agua desionizada en constante agitación, para obtener una buena homogenización.
A partir de estas dos soluciones madre se realizaron diluciones según lo requería
cada síntesis del trabajo realizado.
2.2 Metodología Experimental
La síntesis de nanopartículas de plata por el método de reducción química, se basó
inicialmente en un método previamente reportado (Loeschner et al. 2011). Sin embargo
no se lograron obtener los tamaños de nanopartículas reportados, ni la estabilidad de estas
en medio acuoso. Características importantes de las nanopartículas para aplicaciones
biológicas, es la homogeneidad de tamaños y la estabilidad en sistemas acuosos. Por lo
que se procedió a realizar modificaciones en el método de referencia, con el fin de
optimizar este y obtener nanopartículas en el orden de 15 nm y estables en medio acuoso.
Las condiciones de reacción que se modificaron fueron principalmente las
concentraciones de reactantes, temperatura y tiempo de reacción.
El método original (Loeschner) consiste en disolver 300 mg de
polivinilpirrolidona (concentración 0.32 mM) en 8 ml de nitrato de plata 25 mM.
Posteriormente la mezcla es diluida con 14 ml de agua desionizada, y después de 5
minutos se agregan gota a gota 4 ml de hidracina 70 mM. Todos estos pasos se
realizaron bajo agitación constante a través de un agitador magnético.
34
Posteriormente las nanopartículas en dispersión se centrifugaron a 13500 rpm
durante 60 minutos utilizando una microcentrífuga (marca Thermo Scientific modelo
5424R). El sobrenadante se descartó y el pellet de nanopartículas de plata se resuspendió
en agua desionizada. Este procedimiento se realizó dos veces con el fin de proporcionarle
lavados a las nanopartículas y reducir los residuos de la reacción. Después del último
lavado las nanopartículas se suspendieron nuevamente en agua desionizada y se
almacenaron en viales ámbar a temperatura ambiente.
En base a la metodología mencionada, se modificaron primeramente las
concentraciones de nitrato de plata, manteniendo constantes las demás condiciones de
reacción, como se muestra en la tabla 3.
Tabla 3. Modificación de la concentración de nitrato de plata en la síntesis de nanopartículas.
Síntesis Concentración de AgNO3
Concentración Polivinilpirrolidona
Concentración y volumen de N2H4
s-001 2.5 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM s-002 5 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM s-003 10 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM Inicial 25 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM s-004 50 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM
Posteriormente se modificó la concentración del agente reductor (disminuyo de 70
a 50 mM) manteniendo constantes las demás condiciones de reacción como se muestra en
la tabla 4. Además de reducir el tiempo para agregar el agente reductor de 5 a 2 minutos
(incrementando la velocidad de reacción).
35
Tabla 4. Modificación de la concentración de Hidracina.
Síntesis Concentración de AgNO3
Concentración Polivinilpirrolidona
Concentración y volumen de N2H4
s-005 2.5 mM 0.32 mM 4 ml 50 mM s-006 5 mM 0.32 mM 4 ml 50 mM s-007 10 mM 0.32 mM 4 ml 50 mM s-008 25 mM 0.32 mM 4 ml 50 mM s-009 50 mM 0.32 mM 4 ml 50 mM
Después de evaluar diferentes concentraciones del agente reductor (hidracina) y el
precursor metálico (nitrato de plata), así como la velocidad de adición del agente reductor
en la síntesis de las nanopartículas, se procedió a modificar la temperatura a la cual se
realiza la reacción. Inicialmente la síntesis se realizó a temperatura ambiente, la cual se
cambió a una temperatura de 6 + 2º C (tabla 5).
Tabla 5. Cambios de temperatura de reacción.
Síntesis Concentración AgNO3
Concentración PVP
Concentración y volumen de N2H4
Temperatura de reacción
s-010 2.5 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-011 5 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-012 10 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-013 25 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-014 50 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C
.
Después de modificar la temperatura de reacción se procedió a la modificación
de la concentración de PVP que participa en la reacción, manteniendo la concentración
inicial de nitrato de plata constante (25 mM), así como también la concentración (70
mM) y volumen de hidracina (4 ml). Estas síntesis se realizaron a temperatura ambiente y
a 6 + 2º C (tabla 6).
36
Tabla 6. Variación en la concentración de PVP que participa en la reacción.
Síntesis Concentración de AgNO3
Concentración PVP
Concentración y volumen de
N2H4
Temperatura de reacción
s-015 25 mM 0.05 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-016 25 mM 0.11 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-017 25 mM 0.16 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-018 25 mM 0.22 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-019 25 mM 0.27 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-020 25 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-021 25 mM 0.65 mM 4 ml 70 mM 6 + 2 º C s-022 25 mM 0.05 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-023 25 mM 0.11 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-024 25 mM 0.16 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-025 25 mM 0.22 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-026 25 mM 0.27 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-027 25 mM 0.32 mM 4 ml 70 mM 25 º C s-028 25 mM 0.65 mM 4 ml 70 mM 25 º C
Al realizar las síntesis a diferentes temperaturas y compararlas, se pudo
determinar que el bajar la temperatura de reacción favorecía la formación de las
nanopartículas de plata con las características deseadas, más sin embargo estas no eran
estables a temperatura ambiente. Así que se procedió a seguir modificando las
condiciones de reacción, pero sintetizando solo a 6 + 2 º C.
La siguiente modificación que se realizó fue disminuir el volumen del agente
reductor de 4 ml a 1 ml, ya que se observó que la reacción inicia aproximadamente
después de agregar los primeros 500 µl (tabla 7), y probablemente el exceso de hidracina
no favorecía a la formación y estabilidad de las nanopartículas. Estas síntesis se
realizaron solo a baja temperatura.
37
Tabla 7. Modificación en el volumen del agente reductor (hidracina).
Síntesis Concentración de AgNO3
Concentración PVP
Concentración y volumen de
N2H4
Temperatura de reacción
s-029 25 mM 0.11 mM 1 ml 70 mM 6 + 2 º C s-030 25 mM 0.13 mM 1 ml 70 mM 6 + 2 º C s-031 25 mM 0.16 mM 1 ml 70 mM 6 + 2 º C s-032 25 mM 0.19 mM 1 ml 70 mM 6 + 2 º C s-033 25 mM 0.22 mM 1 ml 70 mM 6 + 2 º C
Después de realizar las modificaciones antes mencionadas, se determinó que para
la síntesis de nanopartículas de plata con las características deseadas se debían utilizar las
condiciones señaladas en la tabla 7.
2.3 Técnicas de caracterización
La caracterización del tamaño hidrodinámico, tamaño primario, morfología, carga
de superficie y espectro de absorción de las nanopartículas de plata se realizó utilizando
las siguientes técnicas: dispersión de luz modo dinámico (DLS), Microscopia electrónica
de transmisión (TEM) y Microscopia electrónica de barrido (SEM) Potencial Z,
Espectroscopia UV-Visible. A continuación se describe el método para la preparación de
la muestra y los equipos utilizados para cada parámetro de caracterización.
2.3.1 Dispersión de luz modo dinámico (DLS).
El tamaño de las nanopartículas de plata se determinó mediante dispersión de luz
modo dinámico, utilizando un equipo Malvern Zetasizer Nano ZS. La preparación de la
38
muestra se realizó colocando 50 µl de la suspensión de nanopartículas de plata en una
cubetilla para medir tamaño, para posteriormente agregar 950 µl de agua desionizada
(dilución de 1:20). Todas las muestras se procesaron a temperatura ambiente,
realizándose tres mediciones por muestra.
2.3.2 Potencial Z
El potencial Z de las nanopartículas de plata (carga de superficie) se determinó
por velocimetría láser Doppler utilizando un equipo Malvern Zetasizer Nano ZS. Las
muestras de igual manera se diluyeron 1:20 y se colocaron en una celda para medir
potencial Z, la cual tiene 2 electrodos por donde atraviesa un potencial eléctrico y esto es
lo que permite determinar la carga de superficie de la partícula. El volumen necesario
para la prueba es aproximadamente 800 µL.
2.3.3 Espectroscopía UV-Visible
Se obtuvieron espectros de absorción de las nanopartículas de plata utilizando un
espectrofotómetro marca Perkin Elmer Lambda 19 UV/Vis/NIR, realizando un barrido de
200 nm hasta 600 nm. A las muestras se les realizó una dilución de 1:30, y
posteriormente se colocaron en una celda de cuarzo para realizar la medición.
39
2.3.4 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).
Las micrografías de SEM se obtuvieron utilizando un microscopio electrónico de
barrido de emisión de campo JSM-7401F, el cual cuenta con un cañón de emisión de
campo en frio de 30 kV, resolución de 1.0nm (15kV) 1.5nm (1.0kV), voltaje acelerador
de 0.1 a 30 kV, detectores de electrones secundarios y retractable de retro-dispersados,
detectores “in-lens” con filtro “r”, modo haz atenuado (gentle beam), detector de modo
STEM y sistema EDS. Las muestras se diluyeron 1:100 con agua bidestilada y
posteriormente se sonicaron por 20 minutos en un sonicador de baño. Después se
depositó una microgota sobre un soporte de silica y se dejó evaporar el agua, para
posteriormente realizar el análisis de las muestras.
2.3.5 Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM).
Las micrografías de TEM se obtuvieron utilizando un microscopio electrónico de
transmisión marca Philips CM-200, el cual cuenta con un filamento de hexaboruro de
lantano, un voltaje máximo de aceleración de 200kV, máxima resolución punto a punto
de 0.27 nm, modos TEM/STEM, sistema EDS, sistema PEELS 766 y sistema de
adquisición de imágenes CCD. Las muestras se prepararon realizando una dilución 1:100
con agua bidestilada y posteriormente se sonicaron por 20 minutos en un sonicador de
baño. Después se depositó una gota sobre una rejilla de cobre y se dejó evaporar el agua,
para posteriormente realizar el análisis de las muestras.
40
CAPITULO 3: Resultados y discusión
En el presente capitulo se muestran los resultados obtenidos de la optimización
del método por reducción química para la síntesis de nanopartículas de plata y su
caracterización. Así mismo se presenta en conjunto la discusión de los resultados.
3.1 Síntesis de nanopartículas de plata
Las nanopartículas de plata con tamaño aproximado de 15 nm, morfología
esférica y estables en medio acuoso a temperatura ambiente, se obtuvieron a través de la
optimización del método por reducción química. El método se basó en utilizar AgNO3
como precursor metálico, hidracina como agente reductor y PVP como agente
estabilizante, tomando como referencia el método establecido por Loeschner 2011. Al
método original, se le modificó principalmente la concentración de los reactantes y
estabilizador, así como la temperatura y la velocidad de reacción. El método óptimo
obtenido para la síntesis de nanopartículas de plata por reducción química, consistió en
hacer reaccionar nitrato de plata 25 mM (8 mL) con hidracina 70 mM (1 mL) en
presencia de PVP con una concentración entre 0.11 y 0.16 mM. La reacción se realizó a
una temperatura de 6 °C.
El posible mecanismo de formación de las nanopartículas de plata se presenta en
la figura 13, donde se indica que los iones de plata primeramente forman compuestos con
moléculas de PVP mediante dos rutas y posteriormente se reducen a su estado elemental
por la presencia de hidracina. La primera ruta se presenta por la unión mediante enlace
de coordinación del ion plata, con los átomos de nitrógeno y oxigeno presentes en el
41
grupo polar de una molécula de PVP (figura 13, reacción 1). Mientras que la segunda ruta
tiene lugar cuando un ion de plata está compartiendo pares de electrones con átomos de
oxigeno de dos moléculas de PVP, ambas rutas se ilustran en la figura 13, reacción 1.
Una vez unidos los iones plata (Ag+) a las moléculas de PVP, estos son reducidos a plata
elemental (Ag0) por la hidracina, quedando protegida la Ag por las moléculas de PVP
(figura 3.1, reacción 2). El proceso de la reducción de los iones plata (Ag+) a plata
elemental (Ag0), se puede explicar por la transferencia de electrones de las moléculas de
hidracina causando la oxidación de esta a N2. Donde una mol de hidracina tiene la
capacidad de transferir 4 electrones, los cuales son suficientes para reducir 4 Ag+ como se
muestra en la reacción 3. Sin embargo puede existir la oxidación parcial de la hidracina
cuando esta cede solamente un electrón y por lo tanto reduce un Ag+ a Ag0 (figura 13,
reacción 4) (Cheng et al. 1996, Zhang et al. 1996). Las reacciones 5 y 6 siempre existen
simultáneamente en la reacción de hidracina con iones plata.
42
Figura 13. Mecanismo propuesto para la formación de nanopartículas de plata a través del uso de
hidracina para la reducción de los iones plata unidos a la PVP.
3.2 Tamaño hidrodinámico de las nanopartículas
A continuación se muestran los resultados del tamaño hidrodinámico de las
nanopartículas de plata obtenidos mediante la técnica de dispersión de luz modo
dinámico (DLS). La figura 14 muestra las gráficas de las síntesis pertenecientes a la tabla
3, en las cuales se modificó la concentración de nitrato de plata (2.5 mM, 5mM, 10 mM
25 mM y 50 mM), manteniendo constantes las demás condiciones de reacción. De
acuerdo a las gráficas de distribución de tamaño en base a la intensidad de luz, se
observaron dos valores máximos (picos) de distribución para las reacciones de síntesis de
nanopartículas de plata donde se utilizaron concentraciones 10 mM y 25 mM. El valor de
distribución más pequeño corresponde a tamaños 17 y 13 nm, mientras que el valor de
43
distribución más alto fue para tamaños de 118 y 91 nm. Lo contrario se observó al
analizar los gráficos de distribución de tamaño de las mismas muestras (síntesis de
nanopartículas de plata 10 mM y 25 mM de nitrato de plata), pero en base al volumen
(figura 15), notándose que el valor de distribución más grande corresponde a tamaños de
partícula de 13 y 10 nm, y el valor de distribución más pequeño fue para tamaños de
partícula de 50 y 46 nm. Lo cual nos indica que específicamente en esas dos condiciones
de reacción, hay mayor volumen de partículas en el orden de 10 y 17 nm. En las síntesis
realizadas con 2.5 mM, 5 mM y 50 mM de nitrato de plata se obtuvo solo una banda de
distribución de tamaño en base a intensidad de luz, con valor máximo a 164, 132 y 105
nm respectivamente. Mientras que la distribución de tamaño por volumen varió un poco
mas, notando los valores máximos a 220, 68 y 50 nm (para 2.5 mM, 5 mM y 50 mM de
nitrato de plata respectivamente). Esto nos demuestra que no se logró obtener el tamaño
homogéneo de nanopartículas de plata deseado (aproximadamente 15 nm). Por tal motivo
se procedió a seguir modificando las condiciones de reacción.
44
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
16
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
2.5 mM AgNO3 5 mM AgNO3 10 mM AgNO3 25 mM AgNO3 50 mM AgNO3
Figura 14. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración de nitrato
de plata.
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Vol
ume
(Per
cent
)
Size (nm)
2.5 mM AgNO3 5 mM AgNO3 10 mM AgNO3 25 mM AgNO3 50 mM AgNO3
Figura 15. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración de nitrato de
plata.
45
La figura 16 presenta las gráficas de las síntesis pertenecientes a la tabla 5 en las
cuales se evaluaron nuevamente las mismas concentraciones de nitrato de plata (2.5 mM,
5 mM, 10 mM, 25 mM, 50 mM), pero cambiando la temperatura de reacción (de
temperatura ambiente a 6 + 2 ºC). Las gráficas de distribución de tamaño en base a la
intensidad de luz, muestran que las síntesis de las nanopartículas con 10 mM, 25 mM y
50 mM de nitrato de plata presentan dos bandas, los máximos de las bandas de menor
intensidad se encuentran ubicados en 25, 21 y 18 nm y no se encuentran bien definidos.
Mientras que los máximos de las bandas de mayor intensidad se encuentran ubicados en
124, 157 y 143 nm respectivamente. Las síntesis con 2.5 y 5 mM de nitrato de plata
muestran una distribución de tamaño con un valor máximo bien definido en 164 y 140
nm, respectivamente.
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
16
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
2.5 mM AgNO3 (6 ºC) 5 mM AgNO3 (6 ºC) 10 mM AgNO3 (6 ºC) 25 mM AgNO3 (6 ºC) 50 mM AgNO3 (6 ºC)
Figura 16. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración de nitrato
de plata y la temperatura de reacción.
46
La figura 17 muestra las gráficas de distribución de tamaños en base al volumen,
para las mismas condiciones de síntesis presentadas anteriormente (2.5 mM, 5 mM, 10
mM, 25 mM y 50 mM y temperatura de reacción de 6 + 2 ºC), donde al igual que en los
gráficos de distribución de tamaño en base a la intensidad de la luz, se observó la
presencia de dos bandas con diferente volumen para las síntesis con 10, 25 y 50 mM de
nitrato de plata. Las distribuciones de tamaño con valores máximos de volumen indican
tamaños de 10, 4 y 3 nm que corresponden a las síntesis donde se utilizaron 10, 25 y 50
mM de nitrato de plata. En las reacciones de síntesis donde se utilizó nitrato de plata 2.5
mM y 5 mM, se observó una distribución de tamaño en base al volumen con forma
irregular y un valor máximo que corresponde a 220 y190 nm respectivamente.
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Vol
ume
(Per
cent
)
Size (nm)
2.5 mM AgNO3 (6 ºC) 5 mM AgNO3 (6 ºC) 10 mM AgNO3 (6 ºC) 25 mM AgNO3 (6 ºC) 50 mM AgNO3 (6 ºC)
Figura 17. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración de nitrato de
plata y la temperatura de reacción.
47
Lo anterior indicó que la temperatura de síntesis menor a la temperatura ambiente,
en este caso 6 ºC produce partículas de tamaños menores a 10 nm cuando se utilizan 25 o
50 mM de nitrato de plata. Sin embargo no es una monodispersión, ya que también se
forman partículas con tamaños superiores a los 100 nm. Por lo que en las siguientes
síntesis se mantendrá la temperatura de 6 ºC (como referencia la temperatura ambiente) y
una concentración de nitrato de plata 25 mM. El efecto de la temperatura en la síntesis de
nanopartículas de plata aun no es propiamente comprendido (Jiang et al. 2011).
Las figuras 18 y 19 muestran las gráficas de distribución de tamaño en base a la
intensidad de luz y volumen respectivamente, pertenecientes a las condiciones de síntesis
indicadas en la tabla 6, donde se utilizó nitrato de plata 25 mM, modificando en este
punto la concentración de PVP (0.05 mM, 0.11 mM, 0.16 mM, 0.22 mM, 0.27 mM, 0.32
mM y 0.65 mM) en la reacción. Además la síntesis se realizó a temperatura ambiente y a
6 + 2 ºC.
Primeramente se mostraran los gráficos de distribución de tamaño obtenidos en
las síntesis realizadas a 6 + 2 ºC. En la figura 18 se muestran dos bandas de intensidad en
las síntesis donde se utilizaron concentraciones de PVP 0.11 mM, 0.16 mM, 0.22 mM,
0.27 y 0.32 mM, de las cuales las que presentan el valor más alto de intensidad
corresponden a tamaños de partícula de 105, 122, 98, 98 y 140 nm respectivamente.
Mientras que las bandas de menor intensidad se localizan en 15, 18, 12, 15 y 21 nm
respectivamente. En el caso donde se utilizaron concentraciones de PVP 0.05 mM y 0.65
mM solo se obtuvo una banda de intensidad donde el valor máximo corresponde a
tamaños de partícula mayores a 100 nm.
48
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
0.05 mM PVP (6 ºC) 0.11 mM PVP (6 ºC) 0.16 mM PVP (6 ºC) 0.22 mM PVP (6 ºC) 0.27 mM PVP (6 ºC) 0.32 mM PVP (6 ºC) 0.65 mM PVP (6 ºC)
Figura 18. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración de PVP y la
temperatura de reacción.
La figura 19 proporciona las gráficas de distribución de tamaño en base al
volumen de las muestras antes mencionadas, en la cual se observan las bandas con
valores máximos de volumen para tamaños de partícula de 13, 15, 10 y 11 nm,
pertenecientes a las síntesis que contienen concentraciones de PVP 0.11 mM, 0.16 mM
0.22 mM y 0.27 mM, respectivamente. En la síntesis que contiene una concentración de
PVP 0.32 mM la banda se desplazó hacia una zona de menor tamaño, ubicada en 4 nm.
En las síntesis de nanopartículas con concentraciones 0.05 mM y 0.65 mM de PVP se
observaron dos y una banda de distribución de tamaño respectivamente. Para la síntesis
con 0.05 mM de PVP, los máximos se encuentran ubicados en 154 y 4796 nm, mientras
que para la síntesis que contienen 0.65 mM de PVP el máximo se encuentra ubicado en
91 nm.
49
0,1 1 10 100 1000 100000
5
10
15
20
25
Vol
umen
(Per
cent
)
Size (nm)
0.05 mM PVP (6 ºC) 0.11 mM PVP (6 ºC) 0.16 mM PVP (6 ºC) 0.22 mM PVP (6 ºC) 0.27 mM PVP (6 ºC) 0.32 mM PVP (6 ºC) 0.65 mM PVP (6 ºC)
Figura 19. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración de PVP y la
temperatura de reacción. Manteniendo constante la concentración de nitrato de plata.
De igual forma la figura 20 muestra las gráficas de distribución de tamaño en base
a la intensidad de luz para la síntesis que se realizaron a temperatura ambiente bajo las
condiciones indicadas en la tabla 6. En estas gráficas se puede observar uniformidad en la
mayoría de las síntesis a excepción de las que contienen concentraciones de PVP 0.05
mM y 0.65 mM, las cuales presentan bandas muy diferentes. Las síntesis realizadas con
concentraciones de PVP 0.11 mM, 0.16 mM, 0.22 mM, 0.27 mM y 0.32 mM, presentan
las bandas de mayor intensidad con valores máximos que corresponden a tamaños de 91,
91, 98, 98 y 91 nm, mientras que los máximos de las bandas de menor intensidad se
encuentran en 17, 15, 12, 12 y 13 nm respectivamente.
50
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
0.05 mM PVP 0.11 mM PVP 0.16 mM PVP 0.22 mM PVP 0.27 mM PVP 0.32 mM PVP 0.65 mM PVP
Figura 20. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración de PVP
manteniendo constante la concentración de nitrato de plata.
La figura 21 muestra las gráficas por volumen en las cuales de igual manera se
observa uniformidad en las bandas pertenecientes a las muestras que contienen
concentraciones de PVP entre 0.11 mM y 0.32 mM. Los máximos de las bandas de
mayor volumen se encuentran entre 10 y 13 nm, mientras que los máximos de las bandas
de menor volumen se encuentran entre 43 y 54 nm.
51
0,1 1 10 100 1000 100000
5
10
15
20
25
Vol
ume
(Per
cent
)
Size (nm)
0.05 mM PVP (6 ºC) 0.11 mM PVP (6 ºC) 0.16 mM PVP (6 ºC) 0.22 mM PVP (6 ºC) 0.27 mM PVP (6 ºC) 0.32 mM PVP (6 ºC) 0.65 mM PVP (6 ºC)
Figura 21. Gráficas por volumen de tamaño de partícula, modificando la concentración de PVP
manteniendo constante la concentración de nitrato de plata.
En base a los resultados de las condiciones presentadas anteriormente para la
síntesis de nanopartículas de plata, se nota claramente que las limitaciones o exceso de
PVP (0.05 mM y 0.65 mM), resulta en la formación de partículas con tamaños mayores a
100 nm.
Luego de las modificaciones antes señaladas, es evidente que en varias síntesis se
logró sintetizar nanopartículas de plata con el tamaño deseado, sin embargo éstas no eran
estables a temperatura ambiente y además en su mayoría no se trataba de un sistema
monodisperso. Para establecer la estabilidad de las nanopartículas en dispersión y a
temperatura ambiente, después de realizar las síntesis las nanopartículas se almacenaban
y se monitoreaba su tamaño hidrodinámico constantemente. Notándose que al transcurrir
un tiempo aproximado de 15 días las suspensiones comenzaban a cambiar de color, y en
52
las gráficas obtenidas por DLS desaparecía la banda de nanopartículas pequeñas,
apareciendo con mayor intensidad la banda de nanopartículas de mayor tamaño (figura
22). Así como también en la gráfica por volumen se observa un corrimiento hacia la
derecha de la banda de mayor intensidad, indicando el crecimiento o aglomeración de las
nanopartículas pequeñas. (figura 23).
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
Día 1 despues de la síntesis Día 15 despues de la síntesis
Figura 22. Comparación de gráficas por intensidad de nanopartículas de plata. Un día después de la
síntesis y 15 días después.
53
0,1 1 10 100 1000 100000
5
10
15
20
25
Vol
ume
(Per
cent
)
Size (nm)
Día 1 despues de la síntesis Día 15 despues de la síntesis
Figura 23. Comparación de gráficas por volumen de partículas de plata. Un día después de la síntesis y
15 días después.
Después de analizar los resultados obtenidos se determinó continuar utilizando
nitrato de plata 25 mM y concentraciones entre 0.11 mM y 0.22 mM de PVP. Además de
reducir el volumen de hidracina que se agrega en la reacción de 4 a 1 ml, ya que se
observó que a partir de agregar los primeros 500 µl inicia la reacción.
La figura 24 presenta las gráficas de distribución de tamaño en base a la
intensidad de luz para las condiciones de síntesis indicadas en la tabla 7. En la cual se
utilizó nitrato de plata 25 mM, un rango menor en la concentración de PVP (0.11 mM,
0.13 mM, 0.16 mM, 0.19 mM y 0.22 mM) y se disminuyó el volumen del agente reductor
(hidracina 70 mM) de 4 ml a solamente 1 ml. Las gráficas de intensidad muestran dos
bandas bien definidas y ubicadas aproximadamente en la misma posición en todas las
condiciones de síntesis. Los máximos de las bandas de mayor intensidad corresponden a
54
tamaños de partícula entre 84 y 90 nm. Mientras que los valores máximos de las bandas a
menor intensidad se encuentran ubicados entre 12 y 14 nm.
0,1 1 10 100 1000 100000
2
4
6
8
10
12
14
Inte
nsity
(Per
cent
)
Size (nm)
0.11 mM PVP (6 ºC) 0.13 mM PVP (6 ºC) 0.16 mM PVP (6 ºC) 0.19 mM PVP (6 ºC) 0.22 mM PVP (6 ºC)
Figura 24. Gráficas por intensidad de tamaño de partícula, modificando la concentración de PVP y el
volumen de agente reductor en la reacción.
La figura 25 presenta las gráficas de distribución de tamaño en base al volumen.
De la misma forma que en los gráficos de distribución en base a intensidad de luz se
observaron dos bandas bien definidas y ubicadas aproximadamente en la misma posición
en todas las síntesis. Los valores máximos de las bandas de mayor volumen se encuentran
ubicados entre 10 y 11 nm, mientras que los valores máximos de las bandas de menor
volumen se encuentran ubicados entre 35 y 46 nm.
55
0,1 1 10 100 1000 100000
5
10
15
20
25
Vol
ume
(Per
cent
)
Size (nm)
0.11 mM PVP (6 ºC) 0.13 mM PVP (6 ºC) 0.16 mM PVP (6 ºC) 0.19 mM PVP (6 ºC) 0.22 mM PVP (6 ºC)
Figura 25. Grafica por volumen de tamaño de partícula , modificando la concentración de PVP y el
volumen de agente reductor en la reacción.
Después de realizar las síntesis en las cuales se modificó la concentración de PVP
y el volumen de agente reductor, se procedió a almacenar las suspensiones y realizar
mediciones periódicas del tamaño hidrodinámico (cinéticas del tamaño) con el fin de
detectar algún cambio en el tamaño con respecto al tiempo. En base a las gráficas de
distribución de tamaño obtenidas por DLS, no se notaron cambios del tamaño
hidrodinámico de las nanopartículas sintetizadas bajo las condiciones indicadas en la
tabla 7 (nitrato de plata 25 mM (8mL), concentraciones de PVP (0.11 mM, 0.13 mM,
0.16 mM, 0.19 mM y 0.22 mM), 1 mL de hidracina 70 mM y temperatura de reacción de
6 ºC). Por lo que esas condiciones se tomaron como las ideales para las síntesis de
nanopartículas de plata con el tamaño deseado y estables en medio acuoso a temperatura
ambiente.
56
3.3 Potencial Z
El potencial Z se midió con el fin de comprobar la estabilidad de las
nanopartículas de plata en medio acuoso, ya que esta técnica permite determinar la carga
de superficie y esto contribuye a la determinación de la magnitud de atracción o repulsión
de las partículas. A continuación se presentan las gráficas de potencial Z de
nanopartículas de plata en suspensión, en las cuales se utilizaron concentraciones 0.11
mM, 0.13 mM, 0.16 mM, 0.19 mM y 0.22 mM de PVP para su elaboración, presentando
valores absolutos de potencial Z de -21.7, -20.4, -21.2, -14.5 y -13.8 mV, respectivamente
(figura 26, figura 27, figura 28, figura 29 y figura 30).
Figura 26. Gráfica de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.11 mM de PVP en la síntesis, la cual presenta valor absoluto de -21.7 mV.
57
Figura 27. Gráfica de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.13 mM de PVP en la síntesis,
la cual presenta valor absoluto de -20.4 mV.
Figura 28. Gráfica de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.16 mM de PVP en la síntesis,
la cual presenta valor absoluto de -21.2 mV.
58
Figura 29. Gráfica de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.19 mM de PVP en la síntesis,
la cual presenta valor absoluto de -14.5 mV.
Figura 30. Gráfica de potencial Z de nanopartículas de plata utilizando 0.22 mM de PVP en la síntesis,
la cual presenta valor absoluto de -13.8 mV.
59
Tomando en cuenta que una suspensión se considera o clasifica como estable
cuando el valor promedio de la carga de superficie es superior a 30 mV o bien inferior a -
30 mV (Malvern Instruments, 2004). Entonces, es evidente que los valores absolutos de
potencial Z para las suspensiones de nanopartículas que contienen concentraciones 0.11
mM, 0.13 mM, 0.16 mM 0.19 mM y 0.22 mM de PVP se encuentra dentro del rango de
inestabilidad (+30 mV a -30 mV)
Analizando las gráficas es evidente que las suspensiones de nanopartículas en las
que se utilizaron concentraciones 0.11 mM, 0.13 mM y 0.16 mM de PVP, presentan
potencial Z más próximo a los valores en los cual se considera estable a una suspensión.
Mientras que las suspensiones de nanopartículas en las que se utilizaron 0.19 mM y 0.22
mM de PVP presentan valores más alejados a la estabilidad. De hecho la síntesis en la
cual se utilizó una concentración de 0.13 mM de PVP es sin duda la más estable ya que
presenta un valor promedio de -20.4 mV y su distribución se presenta en un rango
estrecho. De tal forma que esto refuerza y soporta los resultados obtenidos por dispersión
de luz modo dinámico, donde se determinó que las suspensiones de nanopartículas de
plata en la que se utilizó entre 0.11 mM y 0.16 mM de PVP, presentan mayor estabilidad.
De aquí se establece que las condiciones óptimas de reacción por el método de
reducción química para obtener nanopartículas de palta esféricas de aproximadamente 15
nm y estables en medio acuoso a temperatura ambiente, son utilizando nitrato de plata 25
mM (8 mL), concentración de PVP 0.13 mM e hidracina 70 mM (1 mL), con temperatura
de reacción a 6 + 2 ºC.
60
3.4 Espectros de absorción de nanopartículas de plata
Por medio de espectroscopía UV-Visible se obtuvieron los espectros de absorción
de las nanopartículas sintetizadas con las condiciones ideales de reacción (anteriormente
señaladas). La figura 31 muestra los espectros de absorción pertenecientes a las síntesis
de nanopartículas de plata con concentraciones de PVP 0.11 mM, 0.13 mM, 0.16 mM
0.19 mM y 0.22 mM. En estos espectros de absorción se puede observar que las
nanopartículas sintetizadas utilizando 0.11 mM de PVP presentan su máximo en 396 nm,
mientras que en el resto de las síntesis el máximo se observa en 400 nm.
250 300 350 400 450 500 550 600
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
abso
rban
ce (u
.a.)
wavelength (nm)
0.11 mM PVP 0.13 mM PVP 0.16 mM PVP 0.19 mM PVP 0.22 mM PVP
Figura 31. Espectros de absorción de síntesis de nanopartículas de plata con concentraciones 0.11 mM,
0.13 mM, 0.16 mM 0.19 mM y 0.22 mM de PVP.
61
Las nanopartículas de plata de forma esferoidal y con un tamaño menor de 20 nm
presentan su pico de plasmón de resonancia aproximadamente en 400 nm, y conforme va
aumentando el tamaño de partícula éste se desplaza a mayor longitud de onda (Murray y
Barnes, 2007; Mitra A. y Bhaumik A., 2007). Por lo anterior podemos reafirmar que las
síntesis realizadas producen nanopartículas con un tamaño inferior a 20 nm, lo que resulta
favorable para nuestro trabajo.
3.5 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM).
Las nanopartículas de plata se caracterizaron mediante microscopia electrónica de
barrido con el fin de observar su tamaño y forma, para determinar si realmente cumplían
con las características antes señaladas. Se obtuvieron imágenes de las nanopartículas con
tres concentraciones diferentes de PVP (0.11mM, 0.22 mM y 0.32 mM). Las
concentraciones de 0.11 mM y 0.22 mM de PVP pertenecientes a las síntesis ideales, y
con el fin de comparar los resultados obtenidos se realizó el análisis a la muestra
perteneciente a la síntesis inicial, la cual contiene 0.32 mM de PVP.
La figura 32 presenta la micrografía e histograma de la muestra que contiene 0.11
mM de PVP. La micrografía corrobora la presencia de nanopartículas con un tamaño
menor a 20 nm, así como también la presencia de nanopartículas de mayor tamaño pero
en mínimas cantidades. El histograma indica que el diámetro de partícula es de 16 + 2
nm, con un ancho total a media altura del pico (FWHM) de 6 nm. Esto nos indica que
tenemos una suspensión de nanopartículas monodispersas.
62
5 10 15 20 25 30 35 40 450
10
20
30
40
50
60
70
cuen
tas
diametro de particula (nm)
D = 16 +/- 2 nmFWHM= 6 nm
Figura 32. SEM e histograma de muestra que contiene 0.11 mM PVP.
La figura 33 muestra la micrografía e histograma de la muestra que contiene 0.22
mM de PVP. En la micrografía se observan nanopartículas de forma esferoidal con un
tamaño aproximado de 20 nm. El histograma indica la presencia de nanopartículas con un
tamaño de 18 + 5 nm, con un ancho total a media altura del pico (FWMH) de 13 nm. Por
lo tanto también tenemos un sistema monodisperso solo que con una variación de
tamaño de partículas más elevado.
0 10 20 30 40 50
0
5
10
15
20
25
30
cuen
tas
diametro de particula (nm)
D = 18 +/- 5 nm.FWMH = 13 nm
Figura 33. SEM e histograma de muestra que contiene 0.22 mM de PVP.
63
La figura 34 muestra de igual manera la micrografía e histograma de la síntesis
inicial, a partir de la cual se empezaron a realizar modificaciones. Esta contiene una
concentración de nitrato de plata 25 mM, 0.32 mM PVP y 4 ml de Hidracina 70 mM. En
la micrografía se puede apreciar que el tamaño y la forma de las nanopartículas son muy
diferentes, encontrándose partículas con tamaños de 30, 40, 60, 80 y superiores a 100 nm,
además de que presenta formas diferentes de partícula como prismas, hexágonos y
barras. El histograma indica la presencia de nanopartículas con un tamaño de 34 + 15
nm, con un ancho total a media altura del pico de 36 nm. Por lo tanto, es evidente que en
esta síntesis de nanopartículas se obtiene una suspensión polidispersa y de variada
morfología.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
cue
nta
s
diametro de particula (nm)
D = 34 +/- 15 nmFWHM = 36 nm
Figura 34. SEM e histograma de muestra que contiene 0.32 mM de PVP.
Después de realizar la caracterización de las nanopartículas de plata por
microscopía electrónica de barrido, se confirmó que en las síntesis con concentraciones
64
inferiores a 0.22 mM de PVP y utilizando solamente 1 ml de hidracina 70 mM (tabla 7)
se obtienen nanopartículas con un tamaño de 16 nm y con morfología esférica.
3.5.1 Espectroscopía de energía dispersiva (EDS)
Los resultados obtenidos del análisis de espectroscopía de energía dispersiva se
presentan en la figura 35, la cual corresponde a la muestra que contiene 0.22 mM de
PVP. En este análisis elemental se observa la presencia de plata en un porcentaje
relativamente bajo, así como también es evidente la presencia de elementos como
carbono, oxígeno y silicio, los cuales corresponden a la hojuela o sustrato sobre la cual
fue colocada la muestra para realizar el análisis. La aparición de un porcentaje bajo de
plata pudiera atribuirse a que en la zona donde se realizó el análisis no se encontrase una
cantidad suficiente de nanopartículas, lo que provoca que aparezcan los elementos que
contiene el sustrato (Figura 36).
Figura 35. Análisis elemental EDS correspondiente a la muestra que contiene 0.22 mM de PVP.
65
Figura 36. Micrografía de la muestra a la cual se realizó EDS, señalando la zona analizada.
Aunque los resultados obtenidos mediante el análisis elemental muestran un bajo
porcentaje de plata en la zona analizada, esto nos sirve para confirman que las
nanopartículas formadas están compuestas de este metal
3.6 Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM)
Las nanopartículas de plata también se caracterizaron mediante microscopia
electrónica de transmisión (TEM), para determinar la forma y tamaño de partículas. De
igual forma que para el análisis SEM, se obtuvieron imágenes TEM de las nanopartículas
obtenidas con tres concentraciones diferentes de PVP (0.11 mM, 0.22 mM y 0.32 mM),
como se mencionó anteriormente las muestras con 0.11 mM y 0.22 mM de PVP
pertenecen a las síntesis ideales, mientras que la muestra con 0.32 mM de PVP
corresponde a la síntesis con el método original. La figura 37 muestra las micrografías de
las nanopartículas de plata sintetizadas con 0.11 mM de PVP, en las cuales se observa
claramente la forma esférica y el tamaño que presentan (entre 15 y 20 nm), coincidiendo
con lo reportado por microscopía electrónica de barrido.
66
Figura 37. TEM de la muestra que contiene 0.11 mM de PVP.
La figura 38 presenta las micrografías correspondientes a las nanopartículas
sintetizadas utilizando 0.22 mM de PVP. En las micrografías se puede observar que las
nanopartículas tienen un tamaño aproximado de 25 nm y forma esférica. También se
observan agregados de nanopartículas que pudieran provocar la aglomeración y
crecimiento de éstas.
67
Figura 38. TEM de la muestra que contiene 0.22 mM de PVP.
La figura 39 muestra las micrografías correspondientes a nanopartículas de la
síntesis inicial, como se mencionó anteriormente esta síntesis contiene nitrato de plata 25
mM, 0.32 mM de PVP y 4 ml de hidracina 70 mM.
Figura 39. TEM de la muestra que contiene 0.32 mM de PVP.
68
En las micrografías se observan nanopartículas con tamaños entre 30 y 80 nm,
aun con tendencia a la morfología esférica. También se aprecian agregados que provocan
la aglomeración y crecimiento de éstas. Además de la presencia de un halo alrededor de
las nanopartículas que puede asociarse al exceso de PVP que hay en la reacción.
La figura 40 muestra los patrones de difracción de los tres diferentes tipos de
nanopartículas de plata, los cuales permitieron determinar su estructura cristalina. A
partir de estos patrones de difracción se obtuvieron las distancias interplaneares entre los
átomos que forman su estructura cristalina, los valores obtenidos se presentan en la tabla
8, la cual también contiene para comparación las distancias interplanares de los planos
cristalinos en la estructura cubica centrada en las caras de la plata metálica. En el caso de
las nanopartículas sintetizadas con 0.11 mM de PVP, las cuales presentaron menor
tamaño, no fue posible establecer la distancia interplanar ya que no se contó con el
equipo que permitiera tener la resolución para este tamaño de partícula.
Figura 40. Patrones de difracción; A) muestra con 0.11 mM de PVP, B) muestra con 0.22 mM de PVP,
C) muestra con 0.32 mM de PVP.
69
Tabla 8. Comparación de distancias interplanares calculadas con las establecidas para cada plano cristalográfico.
Distancia interplanar establecida
Distancia interplanar calculada (nm)
Planos cristalográficos
nm A B C (hkl)
0,23588 0.22439 (111) 0,20428 (200) 0,14444 (220) 0,12318 (311) 0,11794 (222) 0,10214 0.10203 0.10445 (400) 0,09373 (331) 0,09135 (420) 0,08339 0.08693 (422)
70
CONCLUSIONES
Se consiguió sintetizar nanopartículas de plata con un tamaño aproximado de 16
nm presentando morfología esférica y estabilidad en medio acuoso a temperatura
ambiente, a partir de la modificación y optimización del método por reducción química
propuesto por Loeschner 2011.
La modificación de la concentración de reactivos participantes en la reacción de
síntesis de las nanopartículas de Ag por el método de reducción química, indicó que el
tamaño y forma de nanopartículas depende fuertemente de la cantidad del agente
estabilizante (polivinilpirrolidona) y la concentración del agente reductor (hidracina).
También fue evidente que la temperatura de reacción es un factor importante para
la formación de las nanopartículas, ya que cuando las síntesis se realizaron a una
temperatura de 6 + 2 ºC se obtuvieron tamaños mas pequeños que cuando se sintetizo a
temperatura ambiente.
El tamaño y forma de las nanopartículas de plata obtenidas con el método de
síntesis optimizado se comprobó con técnicas de microscopia electrónica de alta
resolución y dispersión de luz modo dinámico. Además también se confirmó con el
espectro de absorción de las nanopartículas.
Considerando que la estabilidad de las nanopartículas en medio acuoso a
temperatura ambiente es de vital importancia para aplicaciones biológicas y que las
nanopartículas obtenidas presentan estabilidad por más de 6 meses, entonces éstas
pueden tener un gran potencial para su posterior evaluación en este tipo de aplicaciones.
71
La estabilidad que exhibe las nanopartículas en medio acuoso (> 6 meses), es
consecuencia de la carga de superficie que estas presentan (repulsión electroestática),
además de la adición del efecto estérico (repulsión estérica) proporcionado por la
presencia de PVP en la reacción, dando lugar a una estabilización electroestérica.
Para finalizar es importante señalar que el método utilizado para la síntesis es
relativamente sencillo, ya que a diferencia de otros, no es necesario utilizar altas
temperaturas para la síntesis y el tiempo de reacción es muy corto, lo que permite que
sea un método rápido y práctico.
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