TESIS CON
CARÁCTER ABIERTO
PROGRAMA: MAESTRÍ A E
N TECNOLOGÍ A D
E POLÍMERO S
AUTOR: n i AN
A F T J7ARET H MF7
A ROJA S
TITULO: Efect o d
e la s nanopartícula s d
e plat a e
n un a matri z
higroscópica sobre
las característica s físic
o mecánica s y
antimicrobianas
de una película plástic
a multicapa .
ASESORES: Dr . Saú
l Sánche z Valde
s
Dr. Eduard o Ramíre
z Varga FIRMA s
El Centr o d
e Investigació n e
n Químic a Aplicad
a clasific a e
l present e
documento de tesi s com
o ABIERTO .
Un documento
clasificado como
Abierto se expon e e
n lo s estante s de
l
Centro de Información
para su consulta. Dich
o document o n
o pued e se
r
copiado en ninguna
modalidad sin autorización
por escrit o de
l Titula r de
l
Centro de Información
o de l Directo r Genera
l de l CIQA .
Saltillo, Septiembre
de 200 9
Sello de l a Institució n
Dr. Jua n Ménde
z Nonel
l
TESIS
Efecto de las nanopartículas de plata en una matriz higroscópica sobre las características físico mecánicas y antimicrobianas
de una película plástica multicapa.
PRESENTADA POR:
Diana Elizabeth Meza Rojas.
PARA OBTENER EL GRADO DE:
Maestro en Tecnología de Polímeros.
ASESOR:
Dr. Saúl Sánchez Valdes.
CO-ASESOR:
Dr. Eduardo Ramírez Vargas.
Saltillo, Coahuila Septiembre 2009.
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA APLICADA
CENTRO DE INVESTIGACIÓN
EN QUÍMICA
APLICADA
Programa de Maestría
en Tecnología
de Polímeros
TESIS
Efecto de las nanopartícula s d
e plat a e n un a matri z higroscópic
a
sobre las característica s físic
o mecánica s y
antimicrobianas
de una película
plástica multicapa
Presentada por:
DIANA ELIZABETH
MEZA ROJAS
Para obtener el grado
de:
Maestro en Tecnología
de Polímeros
Asesorada por:
Dr. Saú l Sánche z Valde
s
Dr. Eduard o Ramíre
z Varga s
SINODALES
Dr. Robert o Benavide
s Cant ú
Presidente Dra. Ma
. Lydi a Berlang a Duart
e
Secretario
Dr. Vibra n Argeni
s Perer a Mercad
o
Vocal
DECLARACIÓN
Declaro que l a informació n contenid
a e n l a Part e Experimenta l as
í com o e
n
la Part e d
e Resultado s y
Discusiones d e est e document o y
que forma n part
e
de la s actividade s d
e investigació n y
desarrollo realizadas durant
e e l
período que s e m e asign ó par
a lleva r a
cabo mi trabaj o d
e tesis , ser
á
propiedad del Centr o d
e Investigació n e
n Químic a Aplicada
.
Saltillo, Coahuil a a
2 d e septiembr e d
e 200
9
DEDICATORIA
A mi esposo y amigo Reyes, por estar conmigo en los momentos en que el estudio ocuparon mi tiempo y esfuerzo.
Gracias por haber sido mi fuente de inspiración en mi deseo de proseguir mis estudios!
AGRADECIMIENTOS
A Dios. Por acompañarme siempre en todo mi camino, llenarme de bendiciones y darme siempre las fuerzas necesarias para seguir adelante.
A mis papás, Martha Rojas Monasterio y Héctor Meza Hernández. Por ser guías en mi formación para la vida e impulsarme siempre a mi superación.
Con cariño a mis hermanos, Rocío y Esaú. Gracias por su apoyo y por compartir la vida juntos.
A la Dra. Hortensia Ortega por su apoyo en la realización de las pruebas antimicrobianas.
A mis asesores, Dr. Saúl Sánchez y Dr. Eduardo Ramírez.
Por compartir sus conocimientos durante el desarrollo del presente trabajo así como su confianza y apoyo.
A mis sinodales, Dr. Roberto Benavides, Dra. Ma. Lydia Berlanga y Dr. Yibran Perera. Por su tiempo y asesoría para la mejora de este trabajo.
A la Ing. Ma. Concepción González Cantú, por la orientación técnica que me brindó en todo momento.
Al personal del Laboratorio de Caracterización Química por el lugar de trabajo otorgado para el desarrollo experimental y actividades relacionadas con la caracterización.
Al Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), por la oportunidad de realizar este trabajo de investigación.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo financiero concedido a través de la beca No. 211985.
ii
ÍNDICE
ÍNDICE ... ii
ÍNDICE DE FIGURAS ... viii
ÍNDICE DE TABLAS ... xii
LISTA DE SÍMBOLOS ... xiii
RESUMEN ... xiv
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Nanomateriales. ... 1
1.1.1 Nanopartículas metálicas. ... 1
1.1.2 Organización estructural. ... 1
1.2 Nanopartículas de plata. ... 3
1.2.1 Introducción. ... 3
1.2.2 Propiedades Físicas. ... 3
1.2.3 Propiedades Químicas. ... 5
1.2.4 Métodos de Síntesis. ... 6
1.2.4.1 Síntesis por Radiación γ. ... 7
1.2.4.2 Síntesis por Sacáridos. ... 8
1.2.5 Dispersión por procedimientos físicos. ... 9
1.3 Usos de la energía ultrasónica en Química y Procesado. ... 11
1.3.1 Velocidad y Presión. ... 13
1.3.2 Factores que afectan el umbral de cavitación. ... 14
1.3.2.1 Efecto de gases y partículas. ... 14
1.3.2.2 Efecto de la viscosidad. ... 15
1.3.2.3 Efecto de la frecuencia. ... 15
1.3.2.4 Efecto de la temperatura. ... 16
1.4 Propiedades Antimicrobianas. ... 17
iii
1.5 Toxicidad. ... 22
1.6 Nanocompuestos poliméricos. ... 24
1.6.1 Métodos de Síntesis. ... 24
1.6.1.1 Métodos Físicos. ... 24
1.6.1.2 Métodos Químicos. ... 25
1.6.1.3 Métodos Físico-Químicos. ... 25
1.7 Evaluación de la Actividad Antimicrobiana. ... 25
1.7.1 Por el método de difusión en placas. ... 25
1.7.1.1 Categorías interpretativas. ... 26
1.7.1.1.1 Sensible. ... 26
1.7.1.1.2 Intermedio. ... 26
1.7.1.1.3 Resistente. ... 26
1.7.2 Por el método de Peterson. ... 26
HIPÓTESIS ... 28
OBJETIVOS ... 29
CAPITULO 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL ... 30
2.1 Materiales y Solventes. ... 30
2.1.1 Polímeros para elaborar la película multicapa. ... 30
2.1.2 Nanopartículas de plata. ... 30
2.1.2.1 Medición del tamaño de partícula. ... 30
2.1.3 Agentes de acoplamiento. ... 31
2.1.4 Solventes (Agentes Dispersantes). ... 31
2.2 Equipo e instrumentación. ... 32
2.2.1 Elaboración de película multicapa. ... 32
2.2.2 Pruebas biológicas. ... 32
2.2.3 Caracterización. ... 32
2.3 Reactivos para pruebas antimicrobianas. ... 32
iv
2.3.1 Reactivo A. ... 32
2.3.2 Reactivo B. ... 33
2.3.3 Reactivo de Folin-Ciocalteu. ... 33
2.4 Medios de cultivo. ... 33
2.5 Microorganismos utilizados. ... 33
2.6 Evaluación de la actividad antimicrobiana. ... 33
2.6.1 Método de difusión en placa. ... 33
2.6.1.1 Preparación del medio de cultivo sólido. ... 34
2.6.1.2 Inoculación de las placas. ... 34
2.6.1.3 Aplicación de la muestra a las placas inoculadas. ... 34
2.6.1.4 Lectura de las placas e interpretación de los resultados. ... 35
2.6.2 Método de cultivo líquido. ... 35
2.6.2.1 Procedimiento Experimental. ... 35
2.6.3 Determinación de proteínas por el método de Peterson. ... 36
2.6.3.1 Procedimiento Experimental. ... 36
2.7 Determinación de la concentración del agente biocida (iones de plata)... 37
2.7.1.1 Inmersión del nanocompuesto PA6/Ag en medio acuoso para la liberación de Ag+ ... 37
2.7.1.2 Preparación previa del analito para la medición de Ag+ ... 38
2.7.1.3 Calibración del potenciómetro. ... 38
2.8 Elaboración de película multicapa. ... 39
2.9 Métodos para la elaboración de nanocompuestos PA6/plata. ... 40
2.9.1 Inmersión. ... 40
2.9.2 Aspersión. ... 40
2.9.3 Impregnación en ultrasonido. ... 41
2.10 Elaboración de soluciones coloidales de plata. ... 41
2.10.1 Ácido Fórmico como agente dispersante... 42
v
2.10.2 Etilenglicol como agente dispersante. ... 42
2.11 Pruebas Preliminares para la elaboración del nanocompuesto PA6/Ag. ... 43
2.12 Pruebas Finales para la elaboración del nanocompuesto PA6/Ag. ... 44
2.13 Técnicas de caracterización. ... 45
2.13.1 Caracterización Fisicoquímica. ... 45
2.13.1.1 Análisis de Difracción de Rayos X de Ángulo Amplio (WAXD). ... 45
2.13.1.2 Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR). ... 45
2.13.2 Caracterización Morfológica. ... 46
2.13.2.1 Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM). . 46
2.13.3 Caracterización Mecánica... 46
2.13.3.1 Tensión-Elongación. ... 46
2.13.4 Propiedades Ópticas. ... 46
2.13.5 Espectrofotometría de Absorción Atómica. ... 47
CAPITULO 3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 48
3.1 Caracterización de materias primas. ... 48
3.1.1 Poliamida 6. ... 48
3.1.1.1 Propiedades de Barrera. ... 48
3.1.1.2 Estructura química. ... 48
3.1.2 Polietilenos. ... 49
3.1.2.1 Propiedades de Barrera. ... 49
3.1.2.2 Estructura química. ... 50
3.2 Caracterización de nanopartículas. ... 52
3.2.1 Morfología de la nanopartícula de plata. ... 52
3.2.2 Difracción de Rayos X de nanopartículas de plata. ... 53
3.3 Pruebas Preliminares. Selección del medio de dispersión, concentración de nanopartícula de plata y de agente de acoplamiento. ... 54
3.3.1 Liberación de iones de plata. ... 54
vi
3.3.1.1 Ácido Fórmico como agente dispersante. ... 54
3.3.1.2 Etilenglicol como agente dispersante. ... 57
3.4 Pruebas Finales. Determinación del método de impregnación de nanopartícula. . ... 62
3.4.1 Propiedades mecánicas. ... 62
3.4.2 Pruebas ópticas. ... 65
3.4.3 Morfología y tamaño de partícula por microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM). ... 66
3.4.3.1 Método de inmersión. ... 67
3.4.3.2 Metodo por aspersión. ... 70
3.4.3.3 Método por ultrasonido. ... 71
3.4.4 Análisis elemental de plata por EDS (Espectroscopía de energía dispersiva de Rayos X) ... 74
3.4.4.1 Método por inmersión. ... 74
3.4.4.2 Método por aspersión. ... 75
3.4.4.3 Método por ultrasonido. ... 76
3.4.5 Liberación de iones de plata por el método de potenciometría. ... 77
3.4.5.1 Método de inmersión ... 78
3.4.5.2 Método por aspersión. ... 80
3.4.5.3 Método por ultrasonido. ... 83
3.4.6 Pruebas Antimicrobianas. ... 85
3.4.6.1 Pruebas Antimicrobianas con Aspergillus Niger. ... 85
3.4.6.1.1 Método por inmersión. ... 88
3.4.6.1.2 Método por aspersión. ... 89
3.4.6.1.3 Método por ultrasonido. ... 90
3.4.6.2 Pruebas Antimicrobianas con Pseudomona Aeruginosa. ... 91
3.4.7 Cuantificación de plata impregnada por espectrofotometría de absorción atómica. ... 92
vii CONCLUSIONES ... 96 APÉNDICE ... 98 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 101
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Página Figura 1. Transformación de los átomos metálicos en cuerpos sólidos metálicos. 2 Figura 2. Simulación del espectro de absorción de nanopartículas de plata esféricas
para diferentes diámetros de partículas. 4
Figura 3. Correlación entre la longitud de onda y tamaño de partícula para varias
morfologías. 5
Figura 4. Proceso de irradiación-reducción para elaborar nanopartículas de plata. 7 Figura 5. Imagen por TEM de las nanopartículas de plata. 7 Figura 6. Imágenes de TEM de nanopartículas de plata coloidal sintetizadas mediante
reducción de [Ag (NH3)2]+ por a) glucosa; b) galactosa; c) lactosa y d)
maltosa. 8
Figura 7. Micrografías por SEM de una suspensión que contiene 0.5 wt% de nanopartículas de plata, a) no dispersas; b) dispersadas con la mano; c) dispersadas por sonificador; d) dispersada por molino de tres rodillos. 11 Figura 8. Movimiento de ondulatorio de las partículas (a) ondas longitudinales, (b)
ondas transversales. 13
Figura 9. a) gráfica de desplazamiento x, y b) gráfico de presión P. 14 Figura 10. Variación del umbral de intensidad con respecto a la frecuencia (a) agua
en aerosol, (b) aire libre de agua. 16
Figura 11. Método de Peterson. 36
Figura 12. Curva de calibración para el potenciómetro. 38
Figura 13. Estructura de la película multicapa. 39
Figura 14. Técnica de Inmersión. 40
Figura 15. Técnica de aspersión 41
Figura 16. Técnica por ultrasonido. 41
Figura 17. Espectro infrarrojo del Nylon 6. 49
Figura 18. Espectro infrarrojo del PE. 51
Figura 19. Espectro infrarrojo del PEgAM 52
Figura 20. Fotografía de la morfología de la nanopartícula de plata. 52 Figura 21. Patrón de difracción de las nanopartículas de plata. 53
ix Figura 22. Cinética de liberación de iones de plata con 0.2 y 0.9 wt% de
concentración de plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión 55 Figura 23. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM)
como agente de acoplamiento y con 0.2 y 0.9 wt% de concentración de plata en Ácido Fórmico como agente de dispersión 56 Figura 24. Solución coloidal de plata con Ácido Fórmico después de aplicarle
ultrasonido, a) 0.9 wt% de plata sin Anhídrido Maleico; b) 0.9 wt% con
Anhídrido Maleico. 57
Figura 25. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI) como agente de acoplamiento a 25ºC en etilenglicol, mediante el método
de aspersión. 57
Figura 26. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Maleico (AM) como agente de acoplamiento a 25ºC en etilenglicol, mediante el método
de aspersión. 58
Figura 27. Cinética de liberación de iones de plata con Anhídrido Itacónico (AI) como agente de acoplamiento a 60ºC en etilenglicol, mediante el método
de aspersión. 60
Figura 28. Cinética de liberación de iones de plata a diferentes concentraciones de Anhídrido Itacónico (AI) a 25ºC en etilenglicol, mediante el método de
aspersión. 61
Figura 29. Nanocompuestos elaborados por el método de inmersión, (1a) Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC, (2a) Micrografía; (2b) Distribución de tamaño de aglomerado; (2c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido maleico a 25ºC, (3a) Micrografía; (3b) Distribución de tamaño de aglomerado; (3c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a
60ºC. 68
Figura 30. Nanocompuesto con Anhídrido Itacónico a 25ºC por el método de aspersión, 1a) Micrografía por FESEM del nanocompuesto PA6/Ag,1 b) Distribución de tamaño de aglomerados, 1c) Distribución probabilística. 70 Figura 31. Nanocompuestos elaborados por el método de ultrasonido, (1a)
Micrografía; (1a) Distribución de tamaño de aglomerado; (1a)
x Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a 25ºC, (2a) Micrografía; (2b) Distribución de tamaño de aglomerado; (2c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido maleico a 25ºC, (3a) Micrografía; (3b) Distribución de tamaño de aglomerado; (3c) Distribución probabilística del nanocompuesto con anhídrido itacónico a
60ºC. 72
Figura 32. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por el método de inmersión con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a 25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c) Anhídrido Itacónico a 60ºC. 75 Figura 33. Mapeo elemental mediante EDS para la muestra con impregnación por el
método de aspersión con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico a
25ºC. 75
Figura 34. Mapeo elemental mediante EDS para las muestras con impregnación por el método de ultrasonido con 0.8 wt% de plata, a) Anhídrido Itacónico a 25ºC, b) Anhídrido Maleico a 25ºC y c) Anhídrido Itacónico a 60ºC. 76 Figura 35. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el
medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agentes de acoplamiento mediante el método de inmersión. 78 Figura 36. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a
25ºC por el método de inmersión. 80
Figura 37. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en el medio acuoso, para el nanocompuesto PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agente de acoplamiento mediante el método de aspersión. 81 Figura 38. Velocidad de liberación para la muestra con Anhídrido Itacónico (AI) a
25ºC por el método de aspersión. 82
Figura 39. Liberación de iones de plata como función del tiempo de inmersión en medio acuoso, para el nanocomposito PA6/Ag con 0.8 wt% de plata y con Anhídrido Itacónico (AI) o Anhídrido Maleico (AM) como agente de acoplamiento mediante el método impregnación en ultrasonido. 83 Figura 40. Velocidad de liberación para la muestra con 0.8 wt% de plata y Anhídrido
Itacónico (AI) a 25ºC por el método de impregnación en ultrasonido. 84
xi Figura 41. Imágenes fotográficas para las muestras con deposición de nanopartícula
de plata por el método de inmersión (a,b,c), aspersión (d,e,f) e impregnación en ultrasonido (g,h,i) con Anhídrido Itacónico o Anhídrido Maleico como agente de acoplamiento: a,d,g) Anhídrido Itaconico (25ºC), b,e,h) Anhídrido Maleico (25ºC), c,f,i) Anhídrido Itacónico (60ºC) 87 Figura 42. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de
inmersión, con un porcentaje de inhibición de: 19.5% para M1-i (Anhídrido Itacónico 25º), 9.7 % para M2-i (Anhídrido Maleico 25ºC) y
10.3 % para M3-i (Anhídrido Itacónico 60ºC). 88
Figura 43. Prueba cuantitativa para los nanocompuestos elaborados por el método de aspersión, con un porcentaje de inhibición de: 35.7 % para M1-a (Anhídrido Itacónico 25º), 19.6 % para M2-a (Anhídrido Maleico 25ºC) y
23.0% para M3-a (Anhídrido Itacónico 60ºC). 89
Figura 44. Prueba cuantitativa para las muestras con deposición de plata por el método de impregnación en ultrasonido, con un porcentaje de inhibición de: 28.3 % para M1-u (Anhídrido Itacónico 25º), 21.3 % para M2-u (Anhídrido Maleico 25ºC) y 14.0 % para M3-u (Anhídrido Itacónico
60ºC). 90
Figura 45. Equipo empleado para la elaboración de nanocompuestos por el método
de aspersión. 99
Figura 46. Posiciones estudiadas con el aspersor para lograr una distribución homogénea de los aglomerados de partícula en la matriz polimérica. 100
xii
ÍNDICE DE TABLAS
Página Tabla 1. Número de átomos que contiene un aglomerado atómico en su superficie. 2 Tabla 2. Presión del sonido (P) que produce cavitación en varios líquidos a una
presión hidrostática de 1atm donde n es la viscosidad del aceite, p es la densidad y c es la velocidad de la partícula en el ultrasonido.. 15 Tabla 3. Materiales empleados para elaborar la película multicapa. 30 Tabla 4. Propiedades Físicas de los Agentes de Acoplamiento. 31 Tabla 5. Propiedades Físicas de los Agentes Dispersantes. 31 Tabla 6. Condiciones de los extrusores para elaborar película multicapa. 39 Tabla 7. Nanocompuestos con Ácido Fórmico como agente dispersante. 43 Tabla 8. Nanocompuestos con Etilenglicol como agente dispersante. 44 Tabla 9. Muestras con impregnación de plata por el método de inmersión, aspersión e
impregnación en ultrasonido. 45
Tabla 10. Propiedades de Barrera del Nylon 6. 48
Tabla 11. Propiedades de Barrera de Polietilenos 50
Tabla 12. Muestras con diferentes técnicas de deposición de nanopartícula de plata en la matriz polimérica con 0.8 wt% de plata para la realización de las
pruebas finales. 62
Tabla 13. Propiedades mecánicas de los nanocompuestos PA6/Ag a diferentes métodos de impregnación de la nanopartícula de plata. La concentración
de nanopartícula de plata es de 0.8 wt%. 63
Tabla 14. Propiedades ópticas de los nanocompuestos PA6/Ag. 65 Tabla 15. Respuesta de los nanocompuestos al Aspergillus Niger. 86 Tabla 16. Porcentaje de inhibición contra P. Aeruginosa 91 Tabla 17. Concentración de plata en la matriz polimérica. 93
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS
Ag+ Iones de Plata.
AI Anhídrido Itacónico.
AM Anhídrido Maleico.
EG Etilenglicol.
Khz Unidad de Frecuencia.
σ Tensión Superficial.
η Viscosidad
Pv Presión de vapor
Ph Presión hidrostática
R0 Burbuja de radio R0
LLDPE Polietileno Lineal de Baja Densidad.
PEgAM Polietileno Maleatado.
PA6 Poliamida 6.
PVP Polivinilpirrolidona.
SDS Dodecil Sulfato de Sodio.
NaOH Hidróxido de Sodio.
Na2CO3 Carbonato de Sodio.
CuSO4 Sulfato de Cobre.
PDA Agar Dextrosa y Papa.
CDP Caldo de Papa y Dextrosa.
EDS Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X.
STEM Microscopía Electrónica de Barrido con Módulo de Transmisión.
WAXD Difracción de Rayos X de ángulo amplio.
FTIR Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier.
xiv
RESUMEN
En este trabajo se estudió el efecto del uso de nanopartículas de plata localizadas en una capa externa de una película coextruída, sobre sus características físico-mecánicas y antimicrobianas con potencial uso en empaque de productos susceptibles al ataque de microorganismos patógenos tales como: fármacos, alimentos y otros. Como substrato se elaboró una película coextruída multicapa con una formulación similar a la utilizada en películas de barrera para empaque tanto de alimentos como fármacos y productos médicos.
Para la impregnación de la nanopartícula de plata se prepararon soluciones coloidales de plata en etilenglicol (EG) usando dos tipos de agentes de acoplamiento: anhídrido itacónico (AI) y anhídrido maleico (AM), con el fin de lograr una mayor cantidad de nanopartículas de plata impregnada en el substrato. A estas soluciones se les aplicó ultrasonido para lograr una dispersión homogénea de las nanopartículas en la solución. Se usaron tres diferentes métodos para depositar las nanopartículas en la matriz polimérica; el primer método es mediante la técnica de inmersión del substrato en la solución coloidal, el segundo método consistió en la aspersión de dicha solución sobre la superficie del Nylon 6 de la película multicapa y el último método consistió en la inmersión del substrato en la solución coloidal de plata aplicando ondas de ultrasonido.
Estas películas fueron caracterizadas en cuanto al grado de dispersión alcanzado, sus propiedades mecánicas de esfuerzo y deformación a la ruptura, propiedades ópticas, así como la capacidad de liberación de iones Ag+ y sus características de inhibición del crecimiento de hongos y bacterias, lográndose establecer el efecto de la concentración y el método de aplicación sobre estas propiedades.
El efecto fungicida de las películas multicapa con nanopartículas de plata y el grado de inhibición en el crecimiento de hongos fue relativamente más eficiente que en el control de las bacterias.
Imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) mostraron que el método de aspersión es el más adecuado ya que las nanopartículas mostraban una distribución bastante uniforme sobre la superficie del Nylon 6.
xv Se pudo concluir que las nanopartículas de plata depositadas en la capa superficial no tienen un efecto significativo en las propiedades mecánicas de esfuerzo y deformación de las películas multicapa.
Además se pudo apreciar que las propiedades ópticas de las películas multicapa se ven solo ligeramente alteradas con respecto a la transmisión de luz visible.
También se evaluó la cantidad de nanopartículas impregnadas en los nanocompuestos mediante absorción atómica así como la estabilidad de dicha impregnación.
1
CAPITULO 1.
INTRODUCCIÓN
1.1 NANOMATERIALES.
1.1.1 Nanopartículas metálicas.
Las partículas pueden ser subdivididas por su tamaño en tres tipos [1]: partículas de tamaño nanométrico o ultradispersadas de aproximadamente 1-50 nm, partículas altamente dispersadas de 50-100 nm y partículas de tamaño micrométrico.
A las nanopartículas metálicas con diámetros de 2-50 nm, así como los coloides cristalinos también se les llaman comúnmente partículas ultrapequeñas y nanocristales [2], y partículas subcoloidales [3]. El límite superior del tamaño de los nanocristales semiconductores en matrices poliméricas es la condición que da la homogeneidad óptica de las composiciones [4].
Hay dos tipos de nanopartículas [4]:
1. Aglomerados de 1-10 nm. Partículas con un ordenamiento estructural atómico comúnmente de 38-40 átomos y a veces más, por ejemplo Au55 y Pt309.
2. Aglomerados de 10-50 nm que consisten de 103-106 átomos.
1.1.2 Organización estructural.
La Figura1 ilustra las principales etapas de como un átomo individual se transforma en un cuerpo metálico. Iniciando con átomos individuales en estado de valencia cero (M0) hasta obtener una partícula metálica que presenta las propiedades de un metal denso, el sistema pasa a través de un número de estados intermedios, algunos son la agrupación y formación de nanopartículas.
2 Figura 1. Transformación de los átomos metálicos en cuerpos sólidos metálicos [5].
De forma ideal, la relación entre el número de átomos agrupados y su superficie compartida en presencia de un empaquetamiento hexagonal se da como en la Tabla 1 [6][7].
Tabla 1. Número de átomos que contiene un aglomerado atómico en su superficie [6].
Número de capas Número de átomos aglomerados
Proporción de átomos en la superficie, %
1 13 92 2 55 76 3 147 63 4 309 52 5 561 45 6 923
7 1415 3.2 nm de diámetro
La estructura de aglomerados homometálicos pequeños y de tamaño medio (3, 4, 5, 6, 10, 20 y 38 átomos) se han examinado por análisis de difracción de rayos-X. La estructura se ha encontrado que consiste de constituyentes [8]: cíclicos, carcasas y poliedros. Después de la transición de agrupaciones atómicas a nanopartículas el comportamiento monoatómico es menos prominente. Sin embargo, la simetría en la distribución de fuerzas es violada debido a la incompensación de enlaces entre átomos de las capas subsuperficiales. Estos átomos constituyen una porción sustancial del total de átomos en una partícula. Así hay ∼1023 átomos en 1 cm3 de Ni monocristalino, en contraste a 1 cm2, donde hay 2x1015 átomos. El número de átomos en la superficie puede incrementarse sustancialmente si se incrementa la superficie total (o grado de dispersión) de las partículas. Por ejemplo, la proporción de átomos encontrados en superficies de
Átomo 0.1nm
Aglomerado 1nm
Nanopartícula
≈10nm
Coloide
≈102nm
Metal sólido
>>103nm
3 nanopartículas con diámetros de 1 nm (∼12-15 átomos) es 100%, mientras que la proporción de partículas con tamaños de 5 nm es únicamente del 15%.
Nanopartículas con tamaños de 2 nm contienen cantidades de átomos en la superficie comparables con los que existen en el interior de la partícula. El empaquetamiento atómico en su interior corresponde a una estructura cúbica centrada en las caras, pero en la superficie de esta, se tiene una estructura isocaédrica [6].
1.2 NANOPARTÍCULAS DE PLATA.
1.2.1 Introducción.
Las nanopartículas se caracterizan por poseer una gran área superficial, ya que una fracción importante de los átomos que la forma, están en su superficie. En los últimos años, se han realizado muchas investigaciones en este campo, dado que las propiedades de estas nanopartículas están íntimamente relacionada con su tamaño y morfología, tal es el caso de las nanopartículas de plata, de las cuales se discutirán sus propiedades tanto físicas y química en función de su forma y tamaño.
1.2.2 Propiedades Físicas.
Dentro de las propiedades físicas de las nanopartículas de plata, sobresalen sus propiedades ópticas, las cuales son dominadas por la colección de las oscilaciones producidas por electrones conductores, resultantes de las interacciones con la radiación electromagnética.
Estas propiedades son principalmente observadas en el oro, plata y cobre, por la presencia de electrones conductores libres. El campo eléctrico producido por la radiación, induce la formación de un dipolo en la nanopartícula, una fuerza restauradora en la nanopartícula intenta compensar este efecto y, como resultado, se obtiene una única y característica resonancia a una longitud de onda determinada [9].
La longitud de onda de absorción de las nanopartículas, depende de factores como el tamaño de partícula, morfología, la naturaleza del medio que lo rodea, así como la distancia promedio entre nanopartículas vecinas, entre los más importantes [10].
4 Las técnicas de mayor utilización para la caracterización y estudio de nanopartículas de plata, ha sido el empleo del espectrofotómetro de absorción de luz (UV-Vis), apoyado por el uso del microscopio electrónico de transmisión (TEM); en partícular, las propiedades ópticas de las nanopartículas de plata, pueden ser predichas por la teoría de Mie [11] y las aportaciones realizadas por Mock y colaboradores [10].
Según la teoría de Mie [11], en el espectro de absorción UV-Vis de nanopartículas de plata, aumenta la intensidad del pico de absorción al incrementar el tamaño de las nanopartículas, acompañado de un decrecimiento en el ancho de banda; por otro lado, el espectro de absorción de nanopartículas muy pequeñas, es menos intenso y con un incremento en su ancho de banda. La Figura 2, muestra una simulación del espectro de absorción para varios tamaños de nanopartículas esféricas.
Figura 2. Simulación del espectro de absorción de nanopartículas de plata esféricas para diferentes diámetros de partículas [11].
Mock y colaboradores [10], recopilaron el espectro de absorción de nanopartículas de plata de diversas morfologías, las que correlacionaron su tamaño y forma con las longitudes de onda de absorción, apoyados en la microscopía electrónica de transmisión. La Figura 3 muestra la gráfica de correlación entre la longitud de onda y el tamaño de partícula para diferentes morfologías, en la que se aprecia que a medida que la nanopartícula se hace más asimétrica y de mayor tamaño, hay un desplazamiento hacia longitudes de onda mayores.
Longitud de onda (nm)
Absrobancia (U.A)
5 Figura 3. Correlación entre la longitud de onda y tamaño de partícula para varias morfologías [10].
1.2.3 Propiedades Químicas.
El área superficial de las nanopartículas, incrementa marcadamente con el decrecimiento del tamaño. Nanopartículas con un tamaño de 1 nm tendrán el 100 % de sus átomos en la superficie, en cambio las nanopartículas con un tamaño de 10 nm, tendrá cerca del 15 % de sus átomos en la superficie, por lo que una nanopartícula con gran área superficial será mucho más reactiva y tendrá excelentes propiedades catalíticas [9].
Entre las nanopartículas de metales inorgánicos, la plata ha recibido una considerable atención, debido a sus atractivas propiedades fisicoquímicas y la fuerte toxicidad para un amplio rango de microorganismos.
Estudios recientes han demostrado que el efecto bactericida de las nanopartículas de plata, está íntimamente relacionado con su morfología y distribución de tamaño [12][13].
Morones y colaboradores [12] realizaron un estudio de la interacción de las nanopartículas de plata con la bacteria Escherichia coli, en la que observaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), que de una población de nanopartículas de 1-40 nm, sólo las nanopartículas con un diámetro entre 1-10 nm interaccionaban con la bacteria, al igual que en otro estudio realizado con el virus VIH-1 [13].
Longitud de onda (nm)
Tamaño (nm)
6 Entre otras propiedades químicas de las nanopartículas de plata está su habilidad catalítica donde esto ha sido utilizado para el control de su morfología en algunos sistemas [14].
1.2.4 Métodos de Síntesis.
La preparación de nanopartículas de plata tiene aplicaciones potenciales en nanoelectrónica, magnéticas, biosensores, catálisis y excelente actividad antibacterial [15][16]. La mayoría de estas aplicaciones requiere de nanopartículas con tamaño de partícula pequeño con una distribución de tamaño angosto [17]. Se ha reportado un gran número de métodos para la preparación de nanopartículas, tales como reducción química [18][19], fotoreducción [17], microemulsión [20][21], radiación γ [22], electroquímica [23]
y líquido supercrítico [24]. Aunque las nanopartículas de plata preparadas mediante estos métodos u otros poseen propiedades superiores o únicas, la mayoría de los métodos dependen del uso de solventes orgánicos y agentes de reducción tóxicos tales como: N,N- dimetilformamida, hidracina hidratada y borohidruro de sodio. Todos estos métodos químicos son altamente reactivos y presentan posibles riesgos ambientales y biológicos.
Por otro lado, los métodos físicos requieren de métodos sofisticados y condiciones estrictas. Khanna y colaboradores [17], obtuvieron nanopartículas de plata por la fotoreducción de [Ag (NH3)2]+ en una solución acuosa de AgNO3. Sin embargo, la solución fue irradiada con luz UV por largos períodos de tiempo (entre 48 a 96 horas) para obtener nanopartículas de plata.
El método de síntesis de nanopartículas de plata más común es mediante la reducción química de una solución de sal de plata mediante un agente reductor tal como NaBH4, citrato y ascorbato [25][26]. Mediante el uso del borohidruro se obtienen partículas monodispersas, pero el control en la generación de partículas de gran tamaño es difícil.
Por otro lado, el uso de citrato de sodio, un agente reductor más débil, presenta una velocidad de reducción lenta, obteniéndose una distribución de tamaño polidispersa.
Las características de algunos métodos de síntesis de nanopartículas se observa brevemente a continuación:
7 1.2.4.1 Síntesis por Radiación γ.
Las nanopartículas de plata pueden sintetizarse mediante irradiación γ en una solución de quitosan. Los iones de plata son reducidos in situ por la irradiación γ y protegidos por fragmentos de quitosan. El resultado es la síntesis de nanopartículas de plata dispersos en la solución [27].
El quitosan es un amino polisacárido obtenido de la quitina, se degrada en fragmentos bajo la irradiación γ. Debido a su interacción con los grupos NH2 de la cadena de quitosan, las nanopartículas son envueltas por fragmentos de quitosan y así las nanopartículas pueden mantenerse aglomeradas durante el proceso de irradiación-reducción (Figura 4) [27].
Figura 4. Proceso de irradiación-reducción para elaborar nanopartículas de plata [27]
Figura 5. Imagen por TEM de las nanopartículas de plata [27].
De acuerdo a la Figura 5, el diámetro promedio de la nanopartícula formada se encuentra en el rango de 4-5 nm.
8 1.2.4.2 Síntesis por sacáridos.
Mediante este método, se sintetizan nanopartículas por la reducción de un catión complejo [Ag (NH3)2]+ con el uso de cuatro sacáridos. Cuatro sacáridos se usan para la síntesis; dos monosacáridos (glucosa y galactosa) y dos disacáridos (maltosa y lactosa). La síntesis se desarrolla variando la concentración de amonio (0.005-0.20 mol L-1) y las condiciones de pH (11.5-13.0), obteniéndose una distribución de tamaño angosto, especialmente a bajas concentraciones de amonio [28].
La concentración de amonio representa un parámetro crítico para obtener nanopartículas de plata de decenas a cientos de nanométros. Adicionalmente, el tamaño de partícula es influenciado por el pH de la reacción, la distribución de tamaño disminuye a bajos valores de pH por el contrario, con un incremento en el pH se obtienen grandes tamaños de partícula.
En la Figura 6 se observa la forma simétrica y la distribución de tamaño angosto para todas las muestras. Mediante el uso de disacáridos como agente reductor se obtiene partículas de tamaño más pequeño que cuando se usa monosacáridos [28].
Figura 6. Imágenes de TEM de nanopartículas de plata coloidal sintetizadas mediante reducción de [Ag (NH3)2]+ por a) glucosa; b) galactosa; c) lactosa y d) maltosa [28].
La ventaja de realizar la síntesis usando el catión complejo es la formación de nanopartículas de plata con tamaños controlables.
9 1.2.5 Dispersión por procedimientos físicos.
Debido a las propiedades únicas (estabilidad química, actividad catalítica y excelente conductividad eléctrica) de las nanopartículas de plata dispersas finamente, son de gran interés en muchas aplicaciones tecnológicas [29][30]. Estas aplicaciones incluyen el uso de nanopartículas de plata como catalizadores, como recubrimiento conductivo y como pigmento para cerámicos. Además, las nanopartículas de plata son también usadas como relleno metálico en adhesivos conductores eléctricos (ECAs) y en inyectores de tinta [31].
Sin embargo, la eficiencia total, si no toda, de estas aplicaciones depende del área de superficie de la partícula de plata, lo cual implica que el tamaño de la partícula y la propiedad de dispersión no pueden ser ignorados. Por lo tanto, es muy importante controlar y alcanzar la dispersión de partículas dentro de una distribución de tamaño estrecho.
Es necesario estabilizar las nanopartículas en el medio de dispersión para prevenir aglomeraciones. Esto puede ser logrado mediante la estabilización electrostática o estérica. Algunas de las rutas tradicionales para la síntesis de nanopartículas metálicas en medio acuoso cuentan con una estabilización electrostática por la formación de una capa doble eléctrica alrededor de la partícula. Esta doble capa es formada por la adsorción de especies cargadas negativamente, usualmente iones inorgánicos, en la superficie de la nanopartícula metálica. Esto resulta en una repulsión Coulombica entre partículas que previenen la coagulación [28].
La estabilización estérica normalmente involucra la adsorción de moléculas tales como polímeros o surfactantes en la superficie del polímero para proporcionar una capa protectora. El agente protector debe tener buena afinidad con la superficie de la partícula así como dispersarse fácilmente en el solvente deseado. Varios agentes estabilizadores tales como la gelatina, agar, ciclodextrina, polivinilalcohol (PVA), polivinilpirrolidona (PVP), péptidos entre otros, han demostrado ser útiles en la estabilización de las nanopartículas de plata [28].
Las partículas dispersas en una solución continua se encuentran en un constante movimiento Browniano. Cuando dos partículas se acercan una con otra, la energía existente entre las partículas determina si la partícula puede separarse o aglomerarse.
10 Generalmente, la aglomeración de las partículas ocurre como resultado de una gran energía de atracción que rebasa la energía de repulsión entre las partículas. La magnitud de la fuerza neta que interviene en la producción de estructuras aglomeradas depende, claramente, de las condiciones y la naturaleza del sistema. Conocer la estructura de la región interfacial es un factor importante en la compresión de la estabilidad de la dispersión de las partículas sólidas dentro de una solución [32].
Para producir buena dispersión de partículas de plata en una solución, es necesario un cambio en la región interfacial inter-partícula ya sea por métodos químicos y/o físicos. El efecto químico ocurre cuando las moléculas contienen surfactante adsorbido o macromoléculas para formar interferencias electrostáticas o estéricas dentro de las inter- partículas. Bajo ciertas condiciones, estas interferencias dan lugar a la repulsión, derivado de absorber capas de mezcla y perder la configuración entrópica en la inter-partícula [33].
Sin embargo, la capa absorbida puede causar la reducción del área de superficie disponible o disminuir la conductividad eléctrica. Por el contrario, tales desventajas pueden evitarse con el método físico. El efecto físico ocurre cuando las partículas absorben energía destructiva tal como la energía de ultrasonido. La propagación de ondas de ultrasonido en el medio líquido genera grandes presiones (llegando a miles de atmósfera de presión), causando un enorme esfuerzo que destruye la energía de enlace de las inter-partículas disminuyendo el diámetro del aglomerado de partícula. Las burbujas creadas de la cavitación penetran las grietas formadas por las inter-partículas disminuyendo así el diámetro de los aglomerados. Se ha reportado que la aplicación de energía de ultrasonido es un método efectivo para dispersar partículas de alúmina [34]. La dispersión por ultrasonido ha sido considerada como un método poderoso para alterar agregados en pequeñas partículas y aglomerados sin la dispersión de agentes químicos. El molino de rodillos proporciona un método físico alternativo para dispersar partículas. Esto indica que el movimiento axial de la mezcla en un molino de rodillos proporciona una mezcla más uniforme [35].
En la Figura 7, se muestran los estudios realizados por Hun-Wen Lin y colaboradores [32], donde se observa que la dispersión de las nanopartículas es mejorada mediante vibración ultrasónica y por mezclado mecánico. El tamaño de partícula que obtuvieron de la muestra mezclada manualmente (Figura 7b) fue de 90 nm. El tamaño de la nanopartícula de plata
11 mezclada por ultrasonido se encuentra en el rango de 25 a 90 nm (Figura 7c), mientras que el tamaño de partícula que obtuvieron mediante mezclado mecánico se encuentra entre 25 a 30 nm (Figura 7d).
Figura 7. Micrografías por SEM de una suspensión que contiene 0.5 wt% de nanopartículas de plata, a) no dispersas; b) dispersadas con la mano; c) dispersadas por sonificador; d) dispersada por molino de tres
rodillos [32].
1.3 USOS DE LA ENERGÍA ULTRASÓNICA EN QUÍMICA Y PROCESADO.
El sonido puede ser conceptualizado como una onda de choque elástico que se desplaza a través de la materia, que puede estar en su estado líquido, sólido o gaseoso. La frecuencia del sonido se mide en Hertz (1 Hertz=1 ciclo por segundo). El rango de audición humana es de 20Hz a 20kHz para una persona joven (el máximo se reduce con la edad). Otras especies tienen un amplio rango auditivo, por ejemplo, los perros de 40Hz a 45kHz y los murciélagos de 1 kHz a 150kHz. Los murciélagos usan sonido de alta frecuencia para ecolocalización al igual que las ballenas. El ultrasonido se define en términos de la capacidad de audición humana, y es un sonido que tiene una frecuencia mayor a la que puede escuchar una persona (>20kHz). El límite superior de la frecuencia ultrasónica no
12 está bien definido pero usualmente se toma como 5mHz para gases y 500 MHz para líquidos y sólidos. Para su uso, el amplio rango de frecuencias puede dividirse en dos zonas [36].
La primera involucra sonidos de baja amplitud (alta frecuencia) y es comúnmente referido como baja energía, o ultrasonido de alta frecuencia. Típicamente en el rango de 2 a 10 MHz, las ondas de baja amplitud se usan para propósitos de medición de velocidad y coeficiente de absorción de la onda en el medio. La información de este tipo de mediciones puede ser usada en imágenes médicas, análisis químico y estudio de fenómenos de relajación [36].
La segunda zona involucra ondas de alta energía, conocida como “Ultrasonido de Energía”, y se encuentra entre 20 y 100kHz. Esta zona se usa para limpieza, soldado en plásticos, y más recientemente, en sonoquímica. El rango en sonoquímica se ha extendido a 2MHz con el desarrollo de equipos de alta energía, capaces de generar cavitación con sistemas líquidos a estas altas frecuencias..
Al inicio de la onda ultrasónica, ésta se transmite a través de una sustancia, sólida, líquida o gaseosa, la cual posee propiedades elásticas. El movimiento vibratorio se transmite a las moléculas del medio, cada una de las cuales transmite el movimiento a una molécula adjunta antes de que regrese a su estado de movimiento inicial. En líquidos y gases, la oscilación de las partículas toma lugar en la dirección de las ondas y produce ondas longitudinales (Figura 8a). Los sólidos sin embargo, también poseen elasticidad cortante lo que da lugar a ondas transversales en las cuales el movimiento de la partícula se da de manera perpendicular a la dirección de la onda (Figura 8b) [36].
Una visualización sencilla de la onda transversal es cuando se deja caer una piedra en una piscina. La perturbación u onda de agua, puede verse cruzando toda la superficie en la forma de una cresta circular que incrementa su radio.
13 Figura 8. Movimiento de ondulatorio de las partículas (a) ondas longitudinales, (b) ondas transversales
[36].
1.3.1 Velocidad y Presión.
Para el caso de una onda longitudinal, el desplazamiento x de una molécula de aire desde su posición de reposo está dado por [36]:
2 Ecuación 1
Donde x0 es la amplitud de desplazamiento, o máximo desplazamiento de la partícula y, f la frecuencia del sonido.
Diferenciando se obtiene una ecuación que describe la velocidad de la partícula [36].
2 Ecuación 2
Donde: v0 es la velocidad máxima de la partícula.
La variación de posición en ambos lados de la molécula cuando es atravezada por la onda sonora produce una variación de presión. El punto donde las moléculas están comprimidas y muy juntas, la presión es mayor que la presión normal, mientras que en la región donde las capas están más alejadas, la presión es menor a la normal [36].
Al igual que el desplazamiento, la presión Pa en un instante de tiempo (t) y frecuencia (f) está dada por:
2 Ecuación 3
Donde: PA es la amplitud de la presión.
Vibración de la partícula
Dirección de la onda
(a)
Vibración de la partícula
(a)
Dirección de la onda
14 En la Figura 9 se muestra que el desplazamiento máximo de la partícula aparece en el punto de mínima presión (P=0). El desplazamiento y la presión están fuera de fase. Por otro lado, las moléculas en movimiento vibratorio poseen energía cinética. Usando este principio se puede deducir la energía asociada con el campo ultrasónico aplicado [34].
Figura 9. a) gráfica de desplazamiento x, y b) gráfico de presión P [34]
1.3.2 Factores que afectan el umbral de cavitación.
1.3.2.1 Efecto de gases y partículas.
Se sugirió previamente que el progreso de una onda de sonido a través de un medio líquido causa oscilación a las moléculas alrededor de su posición de reposo. Durante el ciclo de compresión, la distancia media promedio entre las moléculas decrece, mientras que durante la relajación las distancias se incrementan. Si se aplica al líquido una presión negativa Pc
suficientemente alta, la distancia entre las moléculas excede la distancia molecular crítica (R), necesaria para mantener el líquido intacto, lo que creará cavidades (por ejemplo, burbujas de cavitación). La producción de tales burbujas ha sido conocida por muchos años y un buen ejemplo se tiene en las propelas de los barcos o agitadores donde las cavidades son producidas por la rápida rotación del álabe a través del líquido. Una vez producidas estas cavidades, vacíos o burbujas, pueden crecer en tamaño hasta el máximo de la presión negativa alcanzada. En el siguiente ciclo de presión las ondas serán forzadas a contraerse y algunas de ellas podrán desaparecer en su totalidad. Las ondas de choque producidas durante el colapso de las burbujas como resultado de la enorme energía generada son la causa de la considerable erosión observada en los componentes.
Compresión Compresión Relajación
x0
PA
a) Desplazamiento (x)
b) Presión (P)
15 1.3.2.2 Efecto de la viscosidad.
Ya que requiere de una presión negativa en el ciclo de relajación para superar las fuerzas cohesivas naturales actuando en el líquido, cualquier incremento en estas fuerzas incrementará el umbral de la cavitación. Un método de incrementar estas fuerzas es incrementar la viscosidad del líquido. La Tabla 2 muestra la influencia de la viscosidad en la amplitud de la presión PA la cual inicia la cavitación en distintos líquidos a 25°C, a una presión de 1atm.
El efecto no es insignificante. Con aceites de castor y de maíz, por ejemplo con un incremento en la viscosidad de diez veces se tiene solamente un incremento del 30% de la presión acústica necesaria para lograr la cavitación.
Tabla 2. Presión del sonido (P) que produce cavitación en varios líquidos a una presión hidrostática de 1atm donde n es la viscosidad del aceite, p es la densidad y c es la velocidad de la partícula en el
ultrasonido.
Líquido η[poise] ρ[gcm-3] c[kms-1] PA[atm]
Aceite de Castor 6.3 0.969 1.477 3.9 Aceite de Oliva 0.84 0.912 1.431 3.61 Aceite de Maíz 0.63 0.914 1.463 3.05 Aceite de linaza 0.38 0.921 1.468 2.36
CCl4 0.01 1.6 0.926 1.75
1.3.2.3 Efecto de la frecuencia.
Para romper completamente el líquido y por lo tanto para proporcionar un vacío, que puede ser subsecuentemente llenado con gas o vapor, se requiere un tiempo determinado. Para las ondas sonoras con alta frecuencia, el tiempo requerido para crear la burbuja puede ser mayor que el disponible en el ciclo de relajación. A 20 kHz, por ejemplo, el ciclo de relajación es de 25 μs, alcanzando su máxima presión negativa en 12.5 μs, mientras que a 20 MHz el ciclo de relajación es de solo 0.025 μs. Por lo que podría anticiparse que como la frecuencia incrementa la producción de burbujas de cavitación es más difícil obtenerla en el tiempo disponible y que será necesario emplear una mayor intensidad de sonido en periodos cortos de tiempo para asegurar que las fuerzas cohesivas del líquido son superadas. Este efecto se demuestra claramente en la Figura 10 donde la variación en la
16 intensidad del umbral con la frecuencia se muestra para agua carbonatada y gas libre de vapor de agua [36].
Figura 10. Variación del umbral de intensidad con respecto a la frecuencia (a) agua en aerosol, (b) aire libre de agua [36].
Como es de esperarse, el umbral de agua carbonatada es más bajo que el gas libre de vapor de agua y el umbral se incrementa con el incremento de la frecuencia. El hecho es que requiere diez veces más para lograr cavitar el agua a 400 kHz que a 10 kHz. Esta es la razón por la cual generalmente se buscan frecuencias de 20-50 kHz para efectos de limpieza. Como puede verse en la Figura 10 que se necesita un poco más de energía para que el agua Cavite a 50 kHz que la que se requiere a 10 kHz. Sin embargo, a menos de 16 kHz el sistema puede hacerse muy ruidoso ya que se entra en el rango audible. Es por esta razón que las frecuencias de 20 kHz o más son usadas para aplicaciones en sonoquímica [36].
1.3.2.4 Efecto de la temperatura.
En general el umbral límite se ha encontrado que decrece con el incremento de la temperatura. Esto puede deberse en parte al incremento ya sea en la tensión superficial (σ) o la viscosidad (η) del líquido cuando la temperatura decrece, o esto puede deberse al decremento de la presión de vapor del líquido (Pv). Para entender mejor como estos
17 parámetros (σ, η, Pv) afectan el umbral de cavitación, consideremos una burbuja aislada de radio R0, en agua a una presión (Ph) hidrostática de 1atm [36].
Una burbuja dentro de un líquido está sujeta a fuerzas de aplastamiento de la presión hidrostática y estas a su vez dependen de los efectos de la tensión superficial (2 ⁄ ). Con el fin de que la burbuja deba permanecer en equilibrio, las fuerzas soportadas debido a la presión del gas (Pg) y de vapor (Pv) en la burbuja deben ser iguales a las fuerzas de aplastamiento [36].
2 / Ecuación 4
De este modo la presión de vapor se vuelve sumamente importante para lograr la cavitación. Tomando como ejemplo el agua que a 100 °C tiene una presión de vapor de 1atm, y a 25°C su presión de vapor es de sólo 0.023 atm. Esto significa que si la temperatura del medio es de 25°C se requerirá una mayor intensidad de sonido para poder generar un vacío casi cero, y de esta forma generar una burbuja que pueda generar cavitación. De lo anterior se concluye que entre más baja es la temperatura, mayor es la intensidad requerida para causar la cavitación [36].
1.4 PROPIEDADES ANTIMICROBIANAS.
El efecto antimicrobiano de las sales de plata se han observado desde la antigüedad y la plata se utiliza actualmente para el control del crecimiento de microorganismos en una variedad de aplicaciones, incluyendo trabajos dentales, catéteres, entre otros. De hecho, es bien sabido que los iones de plata y los compuestos a base de plata son altamente tóxicos en microorganismos, mostrando fuertes efectos biocidas a más de 12 especies de bacterias, incluyendo E. coli [25].
Es conocido que los iones y los compuestos de plata tienen fuertes efectos antimicrobianos [37], algunos investigadores están interesados en usar otro tipo de nanopartícula inorgánica como agente antibacterial [37][38]. Estas nanopartículas inorgánicas tienen una ventaja muy distintiva por encima de los agentes químicos convencionales antimicrobianos. El problema más importante causado por los agentes químicos antimicrobianos es su resistencia múltiple. Generalmente el mecanismo antimicrobiano de los agentes químicos
18 depende de su metabolismo en el microorganismo. Varios microorganismos han desarrollado resistencia a los agentes antimicrobianos a lo largo de generaciones. Hasta la fecha, estos agentes químicos antimicrobianos han sido eficaces para terapia, sin embargo, se ha limitado su uso para dispositivos médicos y en profilaxis antimicrobiana. Los iones y sales de plata se han utilizado por décadas como agentes antimicrobianos en varias áreas, debido a su capacidad de inhibición de crecimiento contra microorganismos. Además, muchos otros investigadores han tratado de medir la actividad de los iones de metal contra los microorganismos. Russel y Hugo [39], han reportado estudios de las propiedades antimicrobianas de la plata y cobre y Marsh de zinc [40]. Sin embargo, los iones de plata o sales de plata tienen una utilidad limitada como agentes antimicrobianos por varias razones, incluyendo efectos de interferencia de las sales y el mecanismo antimicrobiano (la continua liberación de suficiente concentración de iones de plata del metal). Por el contrario, este tipo de limitaciones puede superarse mediante el uso de nanopartículas de plata. Sin embargo, para usar la plata en varias áreas contra los microorganismos es esencial preparar la plata con métodos efectivos en costos y conocer el mecanismo del efecto antimicrobiano. Además, este último punto es importante para mejorar el efecto antimicrobiano.
El mecanismo de inhibición de las nanopartículas de plata en el crecimiento de microorganismos no ha sido bien entendido. Una posibilidad es que la inhibición puede ser debido a la formación de radicales libres en la superficie de la nanopartícula. La generación incontrolable de radicales libres puede atacar a los lípidos de la membrana y generar un debilitamiento en sus funciones [41].
Algunos estudios reportan que la carga positiva de los iones de plata es crucial para la actividad antimicrobiana a través de la atracción electrostática entre la carga negativa de la membrana celular de los microorganismos y la carga positiva de las nanopartículas de plata [42][43][44]. Por otro lado, Sondi y Salopek-Sondi [45] reportaron que la actividad antimicrobiana de las nanopartículas de plata en la bacteria Gram-negativo es dependiente de la concentración de las nanopartículas de plata y está estrechamente relacionado con la formación de “hoyos” en la pared celular de las bacterias. Por tanto, las nanopartículas de plata acumuladas en la membrana celular causan la permeabilidad, ocasionando la muerte de la célula. Amor [46] sugirió que la reducción del metal puede causar la formación de
19 hoyos en la membrana externa y cambiar la permeabilidad de la membrana causada por la liberación progresiva de moléculas de lipopolisacárido y proteínas de membrana. También Sondi y Slopek-Sondi [45] especularon que un mecanismo similar puede causar la degradación de la membrana de E. coli durante el tratamiento con nanopartículas de plata.
Aunque sigue sin estar claro el mecanismo de interacción entre las nanopartículas de plata y los componentes de la membrana externa. Recientemente, Danilczud y colaboradores [47] reportaron la generación de radicales libres de plata por medio del estudio de ESR (resonancia electrónica de spin) de las nanopartículas de plata. Por lo que concluyen que el mecanismo antimicrobiano de las nanopartículas de plata es debida a la formación de radicales libres.
Las bacterias poseen diferentes estructuras en su membrana por lo que es posible clasificarlas en Gram-negativa y Gram-positiva. Las diferencias entre sus estructuras son debidas a la organización de los principales componentes de la membrana, entre ellas el peptidoglicano. La bacteria Gram-negativa exhibe únicamente una capa delgada de peptidoglicano (∼2-3 nm) entre la membrana citoplasmática y la membrana externa [48];
por el contrario, la bacteria Gram-positiva carece de membrana externa pero tiene una capa de peptidoglicano de 30 nm de espesor, aproximadamente [49].
El efecto antimicrobiano de los iones de plata en los microorganismos es bien conocido, sin embargo, el mecanismo antimicrobiano es parcialmente conocido. También se ha propuesto que la plata iónica interactúa con los grupos tiol de las enzimas vitales y las inactiva [50][51]. Evidencia experimental sugiere que el DNA pierde su capacidad de replicación una vez que las bacterias han sido tratadas con iones de plata [52]. Otro estudio muestra un cambio estructural en la pared de la membrana así como la formación de gránulos de poca densidad electrónica formado por la plata y el azufre [52][53]. Los iones de plata han demostrado ser muy útiles y efectivos en aplicaciones antimicrobianas.
La partícula metálica en un rango de tamaño nanométrico, exhibe propiedades físicas diferentes que la de los iones de plata y que un volumen de material. Esta característica le permite exhibir propiedades extraordinarias tales como un incremento en la actividad catalítica debido a su morfología con caras altamente activas [54].
20 Partículas metálicas de tamaño ∼5 nm presentan efectos electrónicos, que se define como un cambio en la estructura electrónica local en la superficie debido al tamaño. Este efecto mejora la reactividad de la superficie de la nanopartícula. Además, la unión de las partículas a la bacteria dependerá del área de superficie de interacción. Con un porcentaje alto de superficie, la bacteria tendrá una interacción directa con partículas pequeñas que con partículas grandes [12].
El mecanismo por el cual las nanopartículas son capaces de penetrar la bacteria, no ha sido completamente comprendido, pero un estudio elaborado por Salopek [45] sugiere que en el caso de E. coli tratada con nanopartícula de plata el cambio generado en la morfología de la membrana puede causar un incremento significativo en su permeabilidad y afectar el adecuado transporte a través de la membrana.
La observación de las nanopartículas de plata atacando la membrana celular y dentro de ella, es fundamental para comprender el mecanismo antrimicrobiano [12].
Es bien conocido que la membrana de la bacteria contiene proteínas que contienen azufre, que pueden ser sitios preferenciales para las nanopartículas de plata. Las nanopartículas que se encuentran dentro de la bacteria tienden a reaccionar con estas proteínas, tales como el DNA [52]. Por tanto, los cambios presentados en la morfología de la membrana de la bacteria, así como la posible muerte causada por las nanopartículas que reaccionan con el DNA, afectan los procesos de la bacteria tales como división celular y la cadena respiratoria causando, finalmente, la muerte de la célula [12].
El efecto de las nanopartículas de plata es diferente del efecto de los iones de plata. Los i
![Tabla 1. Número de átomos que contiene un aglomerado atómico en su superficie [6].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/22.892.203.723.147.275/tabla-1-número-átomos-contiene-aglomerado-atómico-superficie.webp)
![Figura 2. Simulación del espectro de absorción de nanopartículas de plata esféricas para diferentes diámetros de partículas [11]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/24.892.256.655.522.805/simulación-espectro-absorción-nanopartículas-esféricas-diferentes-diámetros-partículas.webp)
![Figura 4. Proceso de irradiación-reducción para elaborar nanopartículas de plata [27]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/27.892.188.730.457.649/figura-proceso-irradiación-reducción-elaborar-nanopartículas-plata-27.webp)
![Figura 6. Imágenes de TEM de nanopartículas de plata coloidal sintetizadas mediante reducción de [Ag (NH 3 ) 2 ] + por a) glucosa; b) galactosa; c) lactosa y d) maltosa [28]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/28.892.293.614.672.991/figura-imágenes-nanopartículas-coloidal-sintetizadas-mediante-reducción-galactosa.webp)
![Figura 9. a) gráfica de desplazamiento x, y b) gráfico de presión P [34]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/34.892.216.712.264.550/figura-9-gráfica-desplazamiento-gráfico-presión-p-34.webp)
![Figura 10. Variación del umbral de intensidad con respecto a la frecuencia (a) agua en aerosol, (b) aire libre de agua [36]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12548009.0/36.892.306.615.189.477/figura-variación-umbral-intensidad-respecto-frecuencia-aerosol-libre.webp)
