Los nanopolvos tienen características que los diferencian tanto de los átomos como de los cristales. Se pueden considerar un nuevo material, diferente de los materiales a granel. Tienen propiedades físicas y químicas que difieren significativamente de las de los materiales a granel.
La estructura superficial de las nanopartículas difiere de la estructura interna. El espaciamiento atómico dentro de las partículas es generalmente menor que en los materiales a granel, pero también puede aumentar. La estructura del nivel de energía electrónica de las nanopartículas es diferente de la de los sólidos a granel. Esto se debe a factores como la neutralidad eléctrica y las limitaciones en el movimiento de los electrones. Cuando el tamaño de las partículas pequeñas entra en la nanoescala, las partículas y los nanosólidos exhiben los siguientes efectos:
1. Características del nanopolvo
1) Discontinuidad de los niveles de energía electrónica.
La teoría de Kubo:La teoría de Kubo aborda la distribución de los niveles de energía electrónica cerca de la superficie de Fermi de partículas de polvo ultrafino de metal. Esta teoría difiere de los enfoques tradicionales, que suelen centrarse en la distribución de los niveles de energía electrónica cerca de la superficie de Fermi de los materiales a granel. Cuando el tamaño de la partícula alcanza el nivel nanométrico, los niveles de energía cuasi continuos del metal a granel original se vuelven discretos. Esto se debe al efecto del tamaño cuántico.
2) Efecto de tamaño cuántico
Cuando el tamaño de las partículas cae por debajo de un umbral, los niveles de energía electrónica cerca del nivel de Fermi del metal cambian de cuasi-continuos a discretos. Los niveles de energía del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y del orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) de las partículas nanosemiconductoras también se vuelven discontinuos, lo que lleva a un aumento en la brecha de energía. Este fenómeno se llama efecto de tamaño cuántico. La teoría de bandas indica que los niveles de energía electrónica cerca del nivel de Fermi del metal son generalmente continuos.
Sin embargo, en el caso de las nanopartículas, el número de átomos que contienen es limitado. El número de electrones conductores es muy pequeño, lo que hace que el espaciado entre los niveles de energía se divida. Cuando el espaciado entre los niveles de energía supera la energía térmica, la energía magnética, la energía magnetoeléctrica estática, la energía electrostática, la energía fotónica o la energía de condensación del estado superconductor, debe tenerse en cuenta el efecto del tamaño cuántico. Este efecto hace que las propiedades magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas, eléctricas y superconductoras de las nanopartículas sean significativamente diferentes de las de los materiales a granel.
3) Efecto de tamaño pequeño
Cuando el tamaño de las partículas ultrafinas es comparable o menor que las características físicas como la longitud de onda de la luz, la longitud de onda de De Broglie y la longitud de coherencia o profundidad de transmisión del estado superconductor, se alteran las condiciones límite de la periodicidad de la partícula. La densidad atómica cerca de la capa superficial de los nanopolvos amorfos disminuye, lo que da lugar a nuevos efectos de tamaño pequeño en sus propiedades acústicas, ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas y mecánicas.
4) Efecto de superficie
Los nanopolvos son de tamaño pequeño y tienen una energía superficial alta, y los átomos ubicados en la superficie representan una proporción significativa. Debido al aumento en el número de átomos de la superficie, la coordinación atómica insuficiente y la energía superficial alta, estos átomos de la superficie exhiben una alta actividad, son extremadamente inestables y se combinan fácilmente con otros átomos.
5) Efecto de túnel cuántico macroscópico
La capacidad de las partículas microscópicas de atravesar barreras de potencial se denomina efecto túnel. Se ha descubierto que magnitudes macroscópicas, como la intensidad de magnetización de las partículas y el flujo magnético en los dispositivos, también presentan efectos túnel. Estos se conocen como efectos túnel cuánticos macroscópicos.
2. Método de precipitación
Este método implica una solución de sal que contiene uno o más cationes solubles. Cuando se añade un precipitante (como OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ u otros aniones), se forman hidróxidos, carbonatos, oxalatos y sulfatos insolubles que precipitan de la solución. A continuación, se filtran el disolvente y los aniones originales de la solución y el precipitado se descompone térmicamente para obtener el polvo de óxido deseado. Cuando dos o más cationes precipitan simultáneamente en la solución, este proceso se denomina coprecipitación.
1) Formación de precipitaciones
Los tipos comunes de precipitación incluyen: precipitación cristalina gruesa (p. ej., MgNH₄PO₄·6H₂O), precipitación cristalina fina (p. ej., BaSO₄), precipitación tipo cuajada (p. ej., AgCl) y precipitación amorfa (p. ej., Fe₂O₃·xH₂O). La diferencia entre estos tipos radica principalmente en el tamaño de las partículas de precipitado. Las partículas de precipitación cristalina son grandes, las partículas de precipitación amorfa son pequeñas y la precipitación tipo cuajada se encuentra entre estos dos tamaños. Dado que la formación de la precipitación es un proceso complejo, no existe una teoría completamente establecida para describirlo. A continuación se proporciona una breve descripción del proceso general de formación de la precipitación.
2) Formación de núcleos cristalinos
Las moléculas de soluto o iones en estado sobresaturado, mediante la colisión e interacción entre sí, se agregan en cúmulos o grupos moleculares. Cuando estos cúmulos alcanzan un tamaño crítico, se convierten en núcleos cristalinos, entidades activas con la máxima energía libre para la formación de partículas precipitadas. Este proceso de agregación y nucleación se denomina nucleación cristalina. La nucleación cristalina es un fenómeno instantáneo y su estudio presenta muchos desafíos, lo que significa que su mecanismo aún no se ha resuelto por completo. En general, se cree que el núcleo cristalino no contiene más de 4 a 8 iones formadores de cristales o 2 a 4 pares de iones.
Conclusión
Los nanopolvos presentan características únicas que los distinguen de los átomos y de los materiales a granel. Su pequeño tamaño da lugar a propiedades físicas y químicas distintivas, como niveles de energía electrónica alterados, efectos de tamaño cuántico y mayor energía superficial. Estas propiedades dan como resultado una reactividad mejorada y comportamientos novedosos en diversos campos, incluidos la acústica, la óptica, el magnetismo y la electrónica. Además, el pequeño tamaño y la gran área superficial de las nanopartículas las hacen especialmente valiosas en aplicaciones en las que los materiales tradicionales no son suficientes. Comprender el comportamiento y los procesos de formación de los nanopolvos, por ejemplo mediante métodos como la coprecipitación, es esencial para aprovechar todo su potencial en aplicaciones tecnológicas e industriales avanzadas.
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