Método y reactor para la producción de nanopartículas recubiertas de carbono.

La presente invención se refiere a un método y un reactor de descarga por arco de plasma para la producción de nanopartículas superparamagnéticas recubiertas de carbono a partir de un precursor metálico en condiciones atmosféricas. El método comprende los pasos de suministrar un gas dentro de la cámara de reacción; formar una descarga de arco entre al menos dos electrodos de grafito, un ánodo y un cátodo, situados en la cámara de reacción; ionizar el gas para formar un plasma dentro de una zona de plasma en el interior de la cámara de reacción; e introducir el precursor metálico líquido directamente en el arco de la zona de plasma, por goteo gravitacional y de forma continua.

Método y reactor para la producción de nanopartículas recubiertas de carbono.

La presente invención se refiere en general al campo de la producción de nanopartículas recubiertas de carbono. Más concretamente se refiere a nanopartículas superparamagnéticas recubiertas de carbono, a un reactor y a un método para su producción.

Estado de la técnica

Las nanopartículas son partículas que tienen al menos una dimensión en un rango inferior a 100 nm. Tienen una alta relación superficie-volumen y por lo tanto, la transferencia de masa y las propiedades de transferencia de calor son más altas que en los materiales en volumen. Teniendo en cuenta la amplia gama de aplicaciones que las nanopartículas encuentran en diversos campos de la ingeniería y la ciencia, las nanopartículas se han convertido en una opción prometedora en comparación con los materiales convencionales utilizados. En particular, el uso de nanopartículas en el campo de la biomedicina se destaca debido a los tamaños micro-nanométricos de sus entidades: las células (10-100 μm), los virus (10-300 nm), las proteínas (5-50 nm) o el ADN (2 nm de longitud y 0.33 nm de amplitud). Las nanopartículas magnéticas basadas en materiales de transición como el Fe, Co o Ni han llamado la atención en este campo por sus propiedades magnéticas (superparamagnetismo), que permiten su uso como agentes de contraste en resonancia magnética ("magnetic resonante Imaging", MRI), en tratamientos de hipertermia para terapias contra el cáncer, para liberación de genes y fármacos, o como biosensores.

Además de su comportamiento superparamagnético, las nanopartículas deben ser biocompatibles, fácilmente funcionalizables, química y temporalmente estables, monodispersas y no agregadas. Por esta razón, algunos recubrimientos superficiales como la sílice, el carbono o algunos polímeros se utilizan en su síntesis (cf. p. ej. K.Y. Win et al., "Effects of particle size and surface coating on cellular uptake of polymeric nanoparticles for oral delivery of cáncer drugs", Biomaterials 2005, vol. 26, pp. 2713-22; A.H. Lu et al., "Magnetic nanoparticles: Synthesis, protection, functionalization, and application", Angew Chem Int Ed 2007, vol. 46, pp. 1222-44). El recubrimiento de carbono ofrece una gran variedad de propiedades en comparación con los otros recubrimientos mencionados anteriormente, como la protección contra la oxidación, la degradación química, en tratamientos ácidos y térmicos, y en condiciones de alta presión (cf. p. ej. L.Y. Ostrovskaya et al., "Characterization of different carbón nanomaterials promising for biomedical and sensor applications by the wetting método. Powder", Metall Met Ceram 2003, vol. 42, pp. 1-8). Además, el carbono presenta adecuadas propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, y absorción en el infrarrojo cercano para usos biomédicos.

A pesar de las muchas propiedades ventajosas que presentan las nanopartículas magnéticas recubiertas de carbono ("carbon-encapsulated magnetic nanoparticles", CEMNPs), las CEMNPs conseguidas hasta la fecha mediante procedimientos conocidos presentan una alta dispersión de tamaños, impurezas en los núcleos -lo que conlleva respuestas magnéticas inferiores-, y se encuentran en forma de agregados y en pequeñas cantidades.

Para ser utilizadas en aplicaciones biomédicas, las CEMNPs deben mostrar una distribución de tamaños estrecha, porque cuando el diámetro del núcleo magnético de las CEMNPs es inferior a un tamaño crítico, por ejemplo 14 nm para las nanopartículas esféricas de Fe, las CEMNPs pueden mostrar superparamagnetismo. De hecho, el comportamiento superparamagnético es necesario para evitar la agregación de las nanopartículas después de aplicar un campo magnético. De lo contrario, un agregado de nanopartículas podría causar un bloqueo en los vasos sanguíneos o la absorción de las nanopartículas por los macrófagos. J. Borysiuk et al. ("Structure and magnetic properties of carbón encapsulated Fe nanoparticles obtained by are plasma and combustión synthesis", Carbon 2008, vol. 46, pp. 1693-1701) investigaron nanopartículas de Fe recubiertas de carbono ("carbon-coated Fe nanoparticles", Fe@C) obtenidas por dos métodos de síntesis: plasma de arco y combustión rápida (también llamada detonación). Demostraron que el método de plasma es más eficaz para la conservación o creación de nanopartículas con alto contenido de fases magnéticas. Las Fe@C mostraban una excelente capacidad de absorción, las cuales superaban las capacidades de los nanotubos de carbono y del carbón activo (cf. M. Bystrzejewski et al., "Carbon-encapsulated magnetic nanoparticles as separable and mobile sorbents of heavy metal ions from aqueous solutions", Carbon 2009, vol. 47, pp.1189-1206). Sin embargo, la distribución de tamaños de las nanopartículas mostraban diámetros entre 40 y 90 nm con dispersiones superiores al 50%.

J.B. Park et al. ("Synthesis of carbon-encapsulated magnetic nanoparticles by pulsed láser irradiation of solution", Carbon 2008, vol. 46, pp. 1369-77) produjeron CEMNPs por irradiación de láser pulsado ("pulsed láser irradiation", PLIS). Se mostró que las CEMNPs obtenidas mediante PLIS presentaban una amplia gama de tamaños, diámetros de unos pocos a varios cientos de nanómetros, debido a la distribución de intensidad del láser en el volumen de reacción. Sin embargo, demostraron que las CEMNPs presentaban una buena estabilidad en soluciones con alta concentración de HCl. T. Enz et al. ("Structure and magnetic properties of iron nanoparticles stabilized in carbón", J Appl Phys 2006, vol. 99, pp. 1-7) produjeron partículas de Fe de unos 3 nm envueltas por una corteza de carbono. A pesar de estos buenos resultados en los tamaños alcanzados, sus estudios magnéticos mostraron una temperatura de bloqueo ("blocking temperature", T_B) de unos 30 K, i.e. el comportamiento superparamagnético no aparece hasta llegar a 30 K, un valor bastante alto teniendo en cuenta el pequeño tamaño de la partícula. Además, los resultados de dispersión de rayos X a bajo ángulo ("small angle X-ray scattering", SAXS) mostraron la existencia de aglomerados de 8.1 nm.

S. Majetich et al. ("Metal, alloy, or metal carbide nanoparticles and a process forforming same", US 5549973, 1996) estudiaron las propiedades magnéticas relacionadas con nanopartículas ferromagnéticas de aleaciones con recubrimiento de carbono. Las nanopartículas se produjeron mediante un método modificado del arco de carbono de Krastchmer-Huffman y los diámetros de las nanopartículas obtenidas estuvieron aproximadamente en el rango de 0.5 y 50 nm, el cual es un rango amplio de tamaños y por lo tanto no se puede asegurar un comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente.

Por consiguiente, en el estado de la técnica faltan técnicas para obtener nanopartículas superparamagnéticas monodispersas recubiertas de carbono. La amplia gama de aplicaciones de este tipo de nanopartículas, además del campo de la biomedicina, incluye, por ejemplo, la detección de contaminantes orgánicos en alimentos o agua potable, el uso en cabezales de grabación magnética, el uso para aplicaciones de microondas, el uso como catalizadores químicos, el uso en componentes eléctricos (p. ej. transformadores) y el uso en tintas ferrofluídicas. Este hecho sugiere que existe una necesidad de mejorar los métodos para producirlas.

Explicación de la invención

Existe, en consecuencia, una necesidad en la técnica para facilitar y optimizar la producción de nanopartículas superparamagnéticas monodispersas recubiertas de carbono.

La presente invención proporciona un nuevo reactor, concretamente un reactor de descarga por arco de plasma, el cual permite aumentar la producción de nanopartículas superparamagnéticas monodispersas recubiertas de carbono.

El reactor de descarga por arco de plasma consta de: una cámara de reacción, una entrada de gas que proporciona el gas para formar el plasma en la zona de plasma dentro de la cámara de reacción, por lo menos dos electrodos compuestos de grafito, siendo el primer electrodo un cátodo y el segundo un ánodo, y una fuente de alimentación capaz de formar un arco entre los electrodos.

El gas puede ser un gas puro, por ejemplo, helio, nitrógeno, oxígeno, hidrocarburos, hidruros de carbono, hidruros de nitrógeno, vapor de agua, y en general cualquier gas volátil que se craquee a temperaturas altas.

El reactor de descarga por arco de plasma... [Seguir leyendo]

1. Reactor de descarga por arco de plasma (100) para la producción de nanopartículas superparamagnéticas recubiertas de carbono a partir de un precursor metálico que comprende: