NANOPARTÍCULAS PLASMÓNICAS
Alejandro Miguel angel Huaman Velasque
Estudiante de
Ingeniería Ambiental
23 junio 2020
Investigación realizada por: Lady Vanessa Quispe Garrido licenciada en Química pura de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) y con una maestría en Química en la Universidad de Sao Paulo -Brasil.
Abstracción
La máster en química Vanessa Quispe, cuya curiosidad por saber el por qué del color particular y la cristalización de ciertos materiales, la cual empezó con su formación en química pura en la Universidad Nacional de Ingeniería y la llevó a estudiar una maestría en Química de los Nanomateriales. Nos detalla algunas características y una propiedad de las nanopartículas, llamada efecto plasmónico, la cual da origen a interesantes fenómenos como la coloración características de algunas soluciones coloidales.
El mundo de los plasmones
La investigadora en Química de los Nanomateriales Lady Vanessa Quispe Garrido nos narra algunas de las características de este mundo fascinante oculto a nuestra vista. Siendo de dimensiones del orden de 10-9 m (nano) las nanopartículas presentan propiedades muy interesantes una es el efecto plasmónico este efecto está presente en ciertos materiales como el oro, la plata, el cobre entre otros.
Una nanopartícula está conformada por cientos o miles de átomos entrelazados entre sí. Cuando una nanopartícula es irradiada con luz los electrones de sus superficie se excitan (incrementan su energía) lo que origina que estos electrones suban a un nivel energético más elevado (banda de conducción), este fenómeno sucede en la superficie creando pequeños dipolos que oscilan en la dirección del campo eléctrico, que es uno de los componentes de la radiación de la luz, este fenómeno se le denomina, resonancia plasmónica superficial como se ilustra en la imagen.
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Figura 1: Efecto plasmónico sobre la superficie de la nanopartícula al interactuar con la luz formando dipolos en la superficie (2)
¿Por qué se estudia este tipo de interacciones?
La interacción entre los electrones y la luz pueden explicar algunas de sus propiedades, como por ejemplo la solución coloidal de oro al ser expuesta a la luz es de color rojo, el cual es diferente en otros metales, así como la solución coloidal de la plata al ser expuesta a la luz es de color naranja. A la vez el color de los coloides es diferente al de los metales en sí, ya que el oro es de color dorado y la plata es de color plateado; esto se ilustra en el siguiente gráfico.
Figura 2: Efecto plasmónico en la superficie esférica de oro y de plata con sus respectivas bandas de absorción a diferentes longitudes de onda de la radiación UV-Visible. (1)
Conociendo este fenómeno, ¿cuáles son sus aplicaciones?
Estas nanopartículas al interactuar con la luz presentan una intensificación del campo eléctrico debido al conjunto de dipolos que oscilan en su superficie, variando sus propiedades ópticas y electrónicas, además de eso, la variación en forma y tamaños de estas pueden modificar aún más intensamente sus propiedades generando también los puntos calientes(hotspots), como podemos ver en la figura 3. Actualmente el campo de la plasmónica está siendo explorado en diversas áreas como la física, química, biología y la medicina.
Figura 3: Modos de oscilación de los electrones alrededor de la superficie de las nanoestructuras, creando puntos calientes en las puntas conllevando a una intensificación del campo eléctrico (1)
Trabajo de investigación de maestría
El trabajo de maestría de Vanessa Quispe consistió en la síntesis de nanopartículas de cobre(CuNPs), eligió este metal por ser más económico que la plata y el oro, también por poseer propiedades plasmónicas además de ser un buen conductor eléctrico.
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El desafío fue llevar el cobre hasta su estado neutro Cu0 ya que el cobre posee un alto potencial de oxidación en comparaciòn con otros metales tal como el Au o Ag, esto quiere decir que el cobre tiende a perder electrones fácilmente y presentarse en la forma Cu+1 y Cu+2 formando oxidos(Cu2O y CuO) y no en su forma metálica. Actualmente en la literatura existen pocos trabajos acerca de la síntesis de CuNPs, además su síntesis es complicada y posee poca estabilidad, por lo que se busca tener sumo cuidado en medios inertes para evitar su oxidación. Para poder estabilizar a la nanopartícula se necesita moléculas alrededor de ella que interactúan con los átomos que están expuestos en la superficie, este tipo de interacciòn se puede dar por cargas iónicas como por enlaces químicos.
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Trabajo de investigación de maestría
El trabajo de maestría de Vanessa Quispe consistió en la síntesis de nanopartículas de cobre(CuNPs), eligió este metal por ser más económico que la plata y el oro, también por poseer propiedades plasmónicas además de ser un buen conductor eléctrico.
El desafío fue llevar el cobre hasta su estado neutro Cu0 ya que el cobre posee un alto potencial de oxidaciòn en comparaciòn con otros metales tal como el Au o Ag, esto quiere decir que el cobre tiende a perder electrones fácilmente y presentarse en la forma Cu+1 y Cu+2 formando óxidos(Cu2O y CuO) y no en su forma metálica. Actualmente en la literatura existen pocos trabajos acerca de la síntesis de CuNPs, además su síntesis es complicada y posee poca estabilidad, por lo que se busca tener sumo cuidado en medios inertes para evitar su oxidación. Para poder estabilizar a la nanopartìcula se necesita moléculas alrededor de ella que interactúan con los átomos que están expuestos en la superficie, este tipo de interacción se puede dar por cargas iónicas como por enlaces químicos.
Figura 4: En la figura superior izquierda se observa la imagen de una microscopía electrónica de transmición (TEM) de las nanopartículas de cobre (CuNPs) siendo estabilizadas por moléculas alrededor de ella. En la figura inferior izquierda CuNPs de 1.86nm y en la figura inferior derecha de 16nm.(2)
Se consiguio sintetizar el CuNPs de forma amigable con el medio ambiente ya que no se usó ningún reactivo tóxico, ademas de eso se llegó a sintetizar nanopartículas de 1.86 nm que presentaron nuevas propiedades como la fotoluminiscencia que es debido a su comportamiento molecular, también consiguieron la síntesis de CuNPs en forma de nanodendritos como se observa en la figura 5, que presentaba una fuerte adsorción de la luz visible en una longitud de onda de 530 nm, las nanopartículas se encuentran en un estado intermedio entre el metal bulk y las moléculas, estas poseen bandas de valencia y bandas de conducción con estados energéticos degenerados . En el caso de nanopartículas se observa una oscilación colectiva de electrones, pero no se observa transiciones electrónicas de un nivel más bajo a uno mayor de energía y eso se evidencia en una banda de adsorción conocida como banda de adsorción plasmónica.
Figura 5: Emisión de la fluorescencia de las CuNPs (1.86nm) (1)
REFERENCIAS:
1. Clavero, c.(2014). plasmon- inducet hot-electron generation at nanoparticle/ metal-oxide interfaces for photovoltaic and photocatalytic devices.
Nature photonics.8(January),95-103. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.328
2. Garrido,L.V.Q.,Goncalves ,J.M,Rocha.,J.C.,Bastos, E.L .,& Toma,H.E (2020)
intriguing plasmonic and Fluorescence Duality in Copper Nanoparticles , 1-7.