UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA PROFESIONAL DE QUÍMICA
PRACTICA DE LABORATORIO LABORATORIO N°5 y N°6 CURSO:
FISICOQUIMICA 3
INTEGRANTES: - Coronel Solano, David - Quispe Infantes, Giovanni
2016 - II
OBTENCIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE PLATA VÍA LA TÉCNICA DE ABLACIÓN LASER PULSADA EN FASE LIQUIDA Y SU CARACTERIZACIÓN
INTRODUCCIÓN Durante las últimas décadas, la investigación en ciencia y tecnología se ha centrado en la fabricación de estructuras atómicas y materiales a escalas nanométricas (1 nm = 10-9 m), lo que comúnmente se conoce como “Nanotecnología”. Esta nueva ciencia multidisciplinar proporciona productos con nuevas propiedades fisicoquímicas diferentes a las de las moléculas individuales o sólidos de la misma composición. Las fuentes de nanopartículas (NPs) pueden ser clasificadas como naturales o como derivadas de actividades antropogénicas intencionales o accidentales. En teoría, las NPs pueden ser producidas a partir de casi cualquier producto químico, sin embargo, la mayoría de las NPs que están actualmente en uso hoy en día, han sido fabricadas a partir de metales de transición, silicio, carbono y óxidos de metal. Según Lux Research Inc, los nanotubos de carbón, los fullerenos, los nanomateriales que contienen metales (incluyendo cerámicas y puntos cuánticos) y los dendrímeros son los nanomateriales más importantes. Las NPs poseen una mayor relación de superficie-volumen y por tanto una mayor superficie de contacto con el entorno. Esto hace que los nanomateriales sean muy atractivos para su explotación en múltiples sectores y que la nanotecnología se expanda a un gran ritmo. Las AgNPs se están convirtiendo en una de las categorías de productos de mayor crecimiento en la industria de la nanotecnología, según un informe de investigación de mercado realizado por Bourne research (http://www.bourneresearch.com). Su fuerte actividad antimicrobiana es la principal característica para el desarrollo de productos con AgNPs, actualmente, una amplia categoría de productos se encuentran disponibles en el mercado. Para este informe se uso un método de obtención físico de Ablación con Láser Pulsado en un Medio Líquido (PLALM) es un procedimiento que se usa para quitar o extraer el material de la superficie de un sólido en un medio líquido, mediante la irradiación de este con un rayo láser. Cuando el flujo de radiación es bajo, la superficie del material se calienta al absorber la energía de los fotones del rayo y sublima, o se evapora. Cuando el flujo de radiación es muy intenso, usualmente, el material se transforma en un plasma. Con ello se obtuvo soluciones que contenían nano partículas de plata en medios como agua ultra pura y etanol, luego fueron sometidas a un análisis de espectroscopia ultravioleta-visible (UV/VIS) que es una espectroscopia de emisión de fotones y una espectrofotometría, y también a una Dispersión Dinámica de Luz (DDL o DLS, por sus siglas en inglés de "Dynamic light Scattering"), de los cuales se tiene como resultado el diámetro de las nanopartículas en agua ultra y etanol.
OBJETIVOS
Obtener nanopartículas (NPs) de plata por el método PLAL (laser ablation pulsed in liquids) utilizando como medio liquido agua ultrapura, y etanol. Realizar la caracterización estructural de las NPs de plata mediante la técnica Dynamic light scattering(DLS) y Uv-visible.
FUNDAMENTO TEÓRICO Plata y propiedades físicas: Es un metal de transición blanco, brillante, blando, dúctil, maleable. Se encuentra en la naturaleza formando parte de distintos minerales (generalmente en forma de sulfuro) o como plata libre.
Propiedades físicas Estado ordinario: Sólido Densidad: 10490 kg/m3 Punto de fusión: 961.78 °C Punto de ebullición: 2435 K (2162 °C) Entalpía de vaporización: 250,58 kJ/mol Entalpía de fusión: 11,3 kJ/mol Presión de vapor: 0,34 Pa a 1234 K
Nanoparticulas de plata y propiedades fí sicas: De los más de 800 productos nanontecnológicos que se producen, aproximadamente un 30% contienen nanopartículas de plata (AgNP). La nanotecnología es el campo más promisorio en la generación de nuevas aplicaciones en la medicina. Los productos más prominentes son las AgNP debido a sus fuertes propiedades antibacterianas, esta se ha utilizado en el tratamiento de heridas y quemaduras o como anticonceptivo. Los rasgos físico químicos más importantes que repercuten en las diferencias entre las Np y los materiales en su estado natural son el tamaño de partícula, el área superficial, las formas, la carga superficial, la superficie química, el estado de agregación, entre otras Las AgNP muestran gran variabilidad en la forma, tamaño y superficie química. Se conoce que la actividad biológica de las nanopartículas incrementa con la disminución del tamaño de estas. Se ha descubierto que las partículas nanométricas son biológicamente más activas (más tóx icas) que partículas de igual composición y mayor tamaño (incluso en el rango de los micrómetros) desde que estas pueden alcanzar lugares que no son accesibles para partículas de mayor tamaño. Estudios revelan que llas AgNP de menor tamaño muestran mayor actividad antibacteriana y mayor citotoxicidad.
E spectroscopia UV-Visible: Es una espectroscopia de emisión de fotones y una espectrofotometría. Utiliza radiación electromagnética (luz) de las regiones visible, ultravioleta cercana (UV) e infrarroja cercana (NIR) del espectro electromagnético, es decir, una longitud de
onda entre 380nm y 780nm. La radiación absorbida por las moléculas desde esta región del espectro provoca transiciones electrónicas que pueden ser cuantificadas.La espectroscopia UVvisible se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de moléculas, y además, para determinar el contenido y fuerza de una sustancia. Se utiliza de manera general en la determinación cuantitativa de los componentes de soluciones de iones de metales de transición y compuestos orgánicos altamente conjugados. Se utiliza extensivamente en laboratorios de química y bioquímica para determinar pequeñas cantidades de cierta sustancia, como las trazas de metales en aleaciones o la concentración de cierto medicamento que puede llegar a ciertas partes del cuerpo.
Plasmon Superficial.: Los plasmones de superficie son aquellos plasmones que están confinados a las superficies y que forman un polaritón cuando interactúan con la luz. Ocurren en la interfaz entre un dieléctrico y un metal. Permiten explicar las anomalías en la difracción de una red de difracción metálica (Anomalía de Wood) y también son útiles en la espectroscopia Raman de superficie entre otras aplicaciones. La resonancia de plasmones superficiales es utilizado en bioquímica para el estudio de mecanismos y la cinética de los enlaces entre los ligandos y los receptores ( el enlace entre un sustrato y una enzima).
Dispersión de luz dinámica (DLS): Es una técnica en la física que se puede utilizar para determinar el perfil de distribución de tamaño de las pequeñas partículas en suspensión o polímeros en solución . En el ámbito de DLS, las fluctuaciones temporales se suelen analizar por medio de la intensidad o la función de fotones autocorrelación (también conocida como espectroscopía de correlación de fotones o cuasi-elástica de dispersión de luz). En el análisis del dominio del tiempo, la función de autocorrelación (ACF) generalmente se descompone a partir de un tiempo de retardo cero, y una dinámica más rápida debido a partículas más pequeñas conduce a una decorrección más rápida de la traza de intensidad dispersa. Se ha demostrado que el ACF intensidad es la transformación de Fourier de la espectro de potencia , y por tanto las mediciones DLS puede ser igualmente bien realiza en el dominio espectral. DLS también se pueden utilizar para investigar el comportamiento de los fluidos complejos Tales como soluciones poliméricas concentradas.
Ablación Laser Pulsada en fase líquida: La ablación láser es un procedimiento que se usa para quitar o extraer el material de la superficie de un sólido (de manera ocasional se puede usar en líquidos) mediante la irradiación de este con un rayo láser. Cuando el flujo de radiación es bajo, la superficie del material se calienta al absorber la energía d e los fotones del rayo y sublima, o se evapora. Cuando el flujo de radiación es muy intenso, usualmente, el material se transforma en un plasma. Normalmente, la ablación láser h ace referencia a quitar material superficial mediante un pulso de radiación láser, pero también es posible conseguir la ablación de l material con un flujo continuo de radiación láser, si la intensidad de esta es lo suficientemente alta.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y OBSERVACIONES (Se va describir el procedimiento visto ya que no se pudo utilizar el equipo laser) Se verifico el láser, generador de ondas DG535 y encendido de la lámpara flash, de tal manera que el cabezal esta de forma vertical. Luego realizamos las debidas calibraciones de la incidencia del láser a través de una lente biconvergente (focalización de 10cm y diámetro de 5 cm) y unas chispas del láser para que pueda llegar una potencia eficiente del target. Se usa un target de plata del 99.9% de pureza y espesor de 2mm, antes de colocar se lija su superficie para que al ablantar todo sea a las mismas condiciones. Colocamos el target de la plata dentro de un vaso, al cual se le ha agregado 10ml de agua ultrapura (luego respectivamente etanol) en un dispensador rotatorio, de tal manera que durante el tiempo de ablación esté siempre girando y con un sistema de ventilación con la finalidad de mantener la temperatura del líquido constante y evitar que algunas sustancias se inflamen por el calor producido por el láser. El láser irradiaba al target de plata en intervalos de tiempo pequeñísimos mediante pulsos. Se observó que el color de la luz del láser era verde. Al término de la ablación se observó en cada una de las soluciones un leve color amarillo opaco y el consumo del target de plata en forma circular. Luego se sometió a UV-Visibles y DLS
RESULTADOS
Gráfica de Absorbancia vs longitud de onda para los medios donde se ha obtenido las Nps Ag. Grafica N°1: Espectroscopia UV-Visible para las Nanopartículas de plata en agua
Banda SPR Ajuste Gauss 0.6 ) .a u ( ia c n a b o
r
0.3 b
s A
0.0 300
350
400
Longitud de onda(nm)
450
500
Equation
y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)
Adj. R-Square 0.99674 Value
B
Standard Error
y0
0.0752
0.00278
xc
404.09072
0.09728
w
59.23857
0.36636
A
47.71234
0.43078
sigma
29.61928
FWHM
69.74808
Height 0.64264 Se obtienen los siguientes datos: λmax = 404.09072 nm, FWHM= 69.74808
Grafica N°2 : Espectroscopia UV-Visible para las Nanoparticulas de plata en etanol Banda SPR Ajuste Gauss
0.58
0.56
0.54 ) a. u (
0.52 ai c n a b
0.50 r o s b A
0.48
0.46
0.44 360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
Longitud de onda (nm)
Equation Adj. RSquare
y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) 0.99459 Value
B
Standard Error
y0
-1.33283
1.93332
xc
404.10161
0.1806
w
232.63092
122.13416
A
551.25756
853.01869
sigma
116.31546
FWHM
273.90198
Height 1.89072 También se obtienen los siguientes datos: λ max = 404.10161 nm, FWHM= 273.90198
Completamos la tabla siguiente:
NPS AG EN DIFERENTES MEDIOS AGUA ETANOL
NÚMERO DE ONDA MÁXIMA (nm)
FWHM (nm)
404.09072
69.74808
404.10161
273.90198
Gráfica de Intensidad de distribución de luz vs diámetro de la partícula para los medios. Gráfica N°5 : Dinámica de Light Scattering (DLS) para Nanopartículas de plata en agua
Gráfica N°6 : Dinámica de Light Scattering (DLS) para Nanopartículas de plata en etanol
Completamos la siguiente tabla:
Nps Ag en diferentes medios
Diámetro efectivo por DLS (nm)
AGUA
133.2
ETANOL
462.9
DISCUSIÓN DE RESULTADOS La técnica de PLALM es uno de los métodos físicos más eficientes para la síntesis de nanomateriales, dado que no es necesario el uso de cámaras de alto vacío; no requiere el uso de agentes reductores químicos, evitando así la eliminación de los mismos en las soluciones coloidales obtenidas. Esta técnica de PLALM nos permite utilizar una gran variedad de líquidos como etanol y agua ultrapura para la obtención de nanoparticulas y también se estudian los factores que intervienen en la formación de los materiales de Ablación, los cuales de manera general se pueden clasificar en dos grupos principales: los parámetros del Láser y las propiedades del medio, es decir, la naturaleza del mismo determina también las propiedades finales de los materiales sintetizados, así como las también las concentraciones en caso del uso de soluciones. Los espectros de extinción óptica de nano partículas de la plata tienen picos en alguna longitud de onda debido a la resonancia de plasmón de superficie. La posición y el número de los picos que se relacionan con el tamaño, la forma y el material del tipo de las nanopartículas. La ampliación de la extinción óptica está relacionada con la distribución del tamaño y la agregación de las nanopartículas. Para las nanopartículas de plata se espera que la posición máxima de los espectros de extinción óptica está situado a unos 400 nm ( para nuestro caso nos salio a 404 aprox. ) . Las curvas muestran los espectros de extinción óptica de las muestras que se prepararon en agua ultrapura, y etanol. Los espectros presentan picos de absorción a longitudes de onda visibles situados entre 400 a 410nm. Comparado con el agua y etanol, la extinción óptica de las nanopartículas de plata en etanol es más amplio. En el agua, los espectros de extinción también son fuertes aunque la anchura de los espectros aumenta ligeramente. Según la teoría de Mie de absorción y dispersión de la luz por partículas pequeñas, la longitud de onda de la extinción óptica máxima y la forma de los espectros depende de la función dieléctrica del medio, tamaño, forma y material de tipo de las nanopartículas (eso se puso observar en el cálculo del FWHM de la gaussiana a la curva). En todos los medios las nanopartículas de plata son de forma esférica. Dado que los medios tienen funciones dieléctricas similares, por lo tanto, el cambio del máximo de la extinción óptica es debido a un aumento en el tamaño de las partículas en los diferentes ambientes. Estas observaciones sugieren que la distribución y la estabilidad de las nanopartículas dependen de la naturaleza que rodea ambientes líquidos durante la ablación (en nuestro caso fue agua y etanol) además por el DLS nos podemos dar cuenta que nuestros sistemas son polidispersos, pudiendo eso haber influido en las medidas del diámetro de la nanoparticula. Además el DLS mide el radio hidrodinámico lo que implica que este aumente debido al agua de hidratación que rodea la partícula.
CONCLUSIONES Se logró obtener nanopartículas(NPs) de plata por el método PLAL utilizando como medio liquido agua ultrapura, y etanol. Se realizó la caracterización estructural de las NPs de plata mediante la técnica de UV-Vis y Dynamic light scattering(DLS).
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
R. M. Tilaki, A. Iraji-Zad, and S. M. Mahdavi, “Stability, size and optical properties of silver nanoparticles prepared by laser ablation in different ca rrier media,” Applied Physics A, vol. 84, no. 1-2, pp. 215 – 219, 2006. Rescatado de la web, 02/11/16 a las 08:58 pm: https://upcommons.upc.edu/ bitstream/handle/2117/76381/TFM Potencial de Nanoparticulas de plata - Ultrasonido Daniel_V3.pdf.