Polvos cerámicos recubiertos con una capa de nanopartículas y proceso para obtención de los mismos.

Proceso para la preparación de polvos cerámicos recubiertos con una capa de nanopartículas que comprende la introducción de una emulsión (W/O) de al menos un precursor bien sea:

- en estado sólido o

- disuelto en una emulsión (W/O),

que por descomposición durante una etapa de detonación origina nanopartículas (b), las cuales se depositan sobre la partícula base (A) prevista para ser recubierta, formando así una capa de recubrimiento,

en donde las partículas cerámicas base (A) son bien sea:

- sintetizadas durante la detonación de la emulsión (W/O) o

- colocadas y homogenizadas previamente en la emulsión (W/O),

en el cual la formación del recubrimiento es controlada por la temperatura de detonación de la emulsión (W/O) que está por debajo de la temperatura de descomposición de la partícula cerámica (A) prevista para ser recubierta y por debajo de la temperatura de reacción en estado sólido entre la partícula base (A) y las nanopartículas (b).

Polvos cerámicos recubiertos con una capa de nanopartículas y proceso para obtención de los mismos Dominio técnico de la invención La presente invención se relaciona con polvos cerámicos recubiertos con capas de nanopartículas de estructuras cristalinas, espesor, grados de adhesión y tamaño de cristalita múltiples y procesos para obtener estos polvos recubiertos.

Por lo tanto, los polvos cerámicos de acuerdo con la presente invención presentan propiedades ópticas, mecánicas, eléctricas, magnéticas, catalíticas y reactivas sustancialmente diferentes de las de partículas no recubiertas, lo que las hace particularmente atractivas para un conjunto de aplicaciones en el campo de la nanotecnología, tales como electrónica - por ejemplo en producción de semiconductores, la biomedicina – por ejemplo, en tratamientos para el cáncer con nanopartículas magnéticas con superficie recubierta con nanopartículas funcionalmente potenciadas con el fin de adherirse a anticuerpos específicos, química - por ejemplo, en fotocatálisis, en la industria de la cerámica – tales como para obtener aditivos de sinterización, en aplicaciones en energía – tales como en la deposición de materiales de nanográfito sobre las superficie de ciertos materiales, con el fin de incrementar su conductividad eléctrica.

Antecedentes de la invención En los años anteriores, el uso de polvos de cerámica encapsulados en recubrimientos de nanopartículas ha sido el objetivo de intensa investigación en todo el mundo, para un vasto conjunto de aplicaciones, en los campos de la química, biomedicina, electrónica, cerámica y energía, pretendiendo obtener beneficio de la conjugación de las propiedades de la partícula base y los efectos únicos introducidos por la capa de nanopartículas, la cual compone el recubrimiento de su superficie.

Últimamente, considerando la carencia de conocimiento con relación al impacto resultante de la absorción de nanopartículas en los seres vivos, así como de las dificultades asociadas con su manejo, la técnica relacionada con la adhesión de la capa de nanopartículas a la superficie de partículas de dimensiones más grandes ha sido utilizada en la búsqueda de la conjugación de las propiedades únicas provistas por la nanodimensión, pero sin los riesgos asociados con la misma.

Los métodos usualmente utilizados para preparar recubrimientos cerámicos, se dividen generalmente en cuatro categorías:

I – Recubrimientos a través de procesos químicos (húmedos)

Las técnicas de microemulsión y deposición sol-gel son ejemplos en este proceso. En este último, las cuatro etapas principales son las siguientes:

a) Las partículas coloidales con las que se busca recubrir forman una dispersión estable en un líquido, el cual también comprende los precursores del recubrimiento;

b) Deposición de estos precursores sobre las superficies de las partículas por aspersión, inmersión o rotación;

c) Las partículas son polimerizadas durante la remoción de los estabilizantes, produciendo así un gel en una red continua;

d) El manejo térmico final da como resultado la remoción por pirólisis de los materiales orgánicos, dejando un recubrimiento cristalino o amorfo.

La principal dificultad en los procesos de recubrimiento a través de química húmeda consiste en el control de la velocidad de reacción de la formación de partículas de recubrimiento, haciendo difícil obtener recubrimientos uniformes, con altas adhesiones.

II. Recubrimientos través de deposición en fase gaseosa La tecnología de deposición química en vapor (CVD) es un ejemplo muy común de esta categoría. En este caso, el precursor de recubrimiento es calentado y vaporizado a alta temperatura (700 – 1000 °C) , siendo depositado después en un sustrato fijo.

Este es un método comúnmente utilizado en recubrimiento de herramientas; el espesor del recubrimiento es alto, típicamente entre 5 y 12 micrones, y no hay un recubrimiento de partículas individuales, sino más bien un sustrato que podría tener varias formas geométricas.

Otra técnica es la deposición por capa atómica (ALD) que permite formar capas finas en un sustrato sólido, comprendiendo dos etapas:

a) Un gas, usualmente un precursor organometálico gaseoso, es absorbido en la superficie del sustrato;

b) La reacción del primer precursor gaseoso con un segundo gas, que forma una monocapa, siendo el número de ciclos de reacción entre ambos precursores el factor que controla el espesor final de la película.

Otra técnica más elaborada consiste de la síntesis de partículas base y de las partículas de recubrimiento a partir de dos precursores gaseosos inyectados en diferentes momentos en un reactor de flujo de aerosol de pared caliente.

Un ejemplo clave de esta técnica es el recubrimiento de partículas de titania (TiO2) con sílica (Si02) . La principal desventaja de este método consiste en los bajos volúmenes de producción y sus altos costes.

III - Recubrimientos electroquímicos Esta metodología aparte de la suspensión de partículas con las que se busca recubrir, las cuales se agregan a un conjunto de cationes, siendo los cationes reducidos electrogénicamente a continuación, formando un conjunto de nanopartículas conjunto que se deposita sobre la superficie de la partícula base. La formación y deposición de nanopartículas de óxido de cobre (CuO) sobre partículas de sílica (SiO2) es un ejemplo clásico de la implementación de esta técnica.

IV – Recubrimientos en seco Como ejemplo, la técnica de proyección, donde un objetivo cerámico denso que comprende el material de recubrimiento es asperjado con electrones, depositando así casi átomo por átomo en un sustrato, formando de esa manera una película. Sin embargo, cuando se trata de recubrir con partículas de dimensiones submicrométricas, se hace difícil obtener un recubrimiento homogéneo en la partícula, además del hecho de que es un método bastante costoso.

Se ha establecido que las cuatro familias de métodos previamente numerados presentan las siguientes limitaciones:

a. dificultad en el recubrimiento de partículas cerámicas individuales, siendo más apropiado para recubrimiento de sustratos o superficies. Esta dificultad se incrementa a medida que la dimensión de la partícula base se reduce;

b. dificultad extrema en la obtención de recubrimientos homogéneos, esencialmente en términos de espesor y áreas recubiertas;

c. fuerte limitación sobre el tipo de estructuras cristalinas de nanopartículas que constituyen el recubrimiento;

d. dificultad en la producción de recubrimientos con excelente adhesión a la partícula base;

e. dificultad en la obtención de recubrimientos formados por nanopartículas individualizadas sobre la superficie de la partícula base; normalmente, las partículas son producidas con un recubrimiento de una película continua. Esta es una limitación importante, una vez que no permite el beneficio de las ventajas de los efectos resultantes de la dimensión nanométrica;

f. dimensión alta extrema de la cristalita de partícula base y partícula de recubrimiento debido a la etapa de tratamiento térmico.

A su vez, el método propuesto por la presente invención consistente de la detonación de una emulsión (W/O) , a la cual se ha agregado al menos previamente un precursor sólido, el cual se descompone durante la detonación de la emulsión, formando las nanopartículas que comprenden la composición, cantidad y estructura cristalina deseadas para el recubrimiento. Este método presenta una versatilidad enorme, dado que rápidamente permite dos medios de preparación diferentes de los polvos cerámicos recubiertos por una capa de nanopartículas:

a) Síntesis en la misma etapa de detonación de la emulsión (W/O) , tanto de los polvos cerámicos que van a ser recubiertos como de las nanopartículas que forman la capa de recubrimiento. Para este propósito, se utilizan dos cinéticas de reacción de manera diferente para los precursores de los mismos, siendo la reacción de formación extremadamente rápida para los polvos cerámicos y más lentos en el caso de la descomposición de los precursores, lo cual deriva en las nanopartículas que componen la capa de recubrimiento.

b) Colocación previa en la composición de partida de la emulsión (W/O) de los polvos cerámicos que van a conformar el recubrimiento, ya preparados, junto con los precursores que durante la detonación se descomponen en las nanopartículas que formarán la capa de recubrimiento.

Además de dicha flexibilidad el proceso permite:

a. polvos cerámicos de recubrimiento... [Seguir leyendo]

1. Proceso para la preparación de polvos cerámicos recubiertos con una capa de nanopartículas que comprende la introducción de una emulsión (W/O) de al menos un precursor bien sea:

- en estado sólido

o

- disuelto en una emulsión (W/O) ,

que por descomposición durante una etapa de detonación origina nanopartículas (b) , las cuales se depositan sobre la partícula base (A) prevista para ser recubierta, formando así una capa de recubrimiento,

en donde las partículas cerámicas base (A) son bien sea:

- sintetizadas durante la detonación de la emulsión (W/O)

o

- colocadas y homogenizadas previamente en la emulsión (W/O) ,

en el cual la formación del recubrimiento es controlada por la temperatura de detonación de la emulsión (W/O) que está por debajo de la temperatura de descomposición de la partícula cerámica (A) prevista para ser recubierta y por 15 debajo de la temperatura de reacción en estado sólido entre la partícula base (A) y las nanopartículas (b) .

2. Proceso para la preparación de polvos cerámicos recubiertos, de acuerdo con la reivindicación previa, caracterizado porque la emulsión prevista para la detonación es del tipo (W/O) , que comprende dos fases, íntimamente enlazadas, bajo la acción de un surfactante: la fase acuosa interna y la fase insoluble externa.

3. Proceso para la preparación de polvos cerámicos recubiertos de acuerdo con las reivindicaciones previas

caracterizado porque los precursores de las nanopartículas de recubrimiento se agregan en estado sólido a la emulsión (W/O) y tanto las partículas cerámicas base (A) como las nanopartículas de recubrimiento (b) se forman durante la detonación de la emulsión (W/O) .

4. Proceso para la preparación de polvos cerámicos recubiertos de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2,

caracterizado porque las partículas cerámicas (A) previstas para ser recubiertas se colocan y homogenizan 25 directamente en la estructura interna de la emulsión (W/O) .

5. Polvos cerámicos recubiertos obtenidos de acuerdo con el proceso descrito en las reivindicaciones previas caracterizados porque poseen dimensiones desde 20 nm hasta 500 micrones y porque presentan tamaños de cristalita inferiores a 50 nm.