Síntese de Nanopartículas Metálicas:Desbloqueando Propriedades Avançadas de Materiais

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Nanopartículas metálicas
O termo nanopartícula metálica é usado para descrever metais de tamanho nanométrico com dimensões (comprimento, largura ou espessura) na faixa de tamanho de 1 a 100 nm. As nanopartículas metálicas apresentam propriedades bastante diferentes daquelas de átomos individuais, superfícies ou materiais a granel. As principais características das MNPs são grande relação área-área-volume em comparação com os equivalentes em massa, grandes energias superficiais, existência como uma transição entre estados moleculares e metálicos fornecendo estrutura eletrônica específica (densidade local de estados LDOS), têm excitação plasmônica, confinamento quântico, ordenação de curto alcance, aumento do número de torções, contêm um grande número de locais de baixa coordenação, como cantos e bordas, tendo um grande número de "ligações pendentes" e, consequentemente, propriedades específicas e químicas e a capacidade para armazenar elétrons em excesso.
As suas potenciais aplicações incluem, por exemplo, a utilização em bioquímica, em catálise e como sensores químicos e biológicos, como sistemas para nanoelectrónica e magnetismo nanoestruturado.
Síntese
Os métodos químicos incluem redução química de sais metálicos, processo de redução de álcool, processo de poliol, microemulsões, decomposição térmica de sais metálicos e síntese eletroquímica. Os métodos físicos incluem técnica de fio explosivo, plasma, deposição química de vapor, irradiação de microondas, ablação por laser pulsado, fluidos supercríticos, redução sonoquímica e radiação gama.
A redução de complexos metálicos em soluções diluídas é o método geral de síntese de dispersões coloidais metálicas, e uma variedade de métodos foram desenvolvidos para iniciar e controlar as reações de redução. Na maioria dos casos, a formação de nanopartículas metálicas monodimensionadas é conseguida por uma combinação de uma baixa concentração de soluto e monocamada polimérica aderindo às superfícies de crescimento. Tanto uma baixa concentração como uma monocamada polimérica podem impedir a difusão de espécies de crescimento da solução circundante para as superfícies de crescimento e o processo de difusão é provavelmente o passo limitante da taxa de crescimento subsequente dos núcleos iniciais, resultando na formação de nanopartículas de tamanho uniforme.
Precursores e reagentes
Na síntese de nanopartículas metálicas, ou mais especificamente, dispersão coloidal metálica, vários tipos de precursores, reagentes de redução, outros produtos químicos e métodos são utilizados para promover ou controlar as reações de redução, a nucleação inicial e o subsequente crescimento dos núcleos iniciais. Os precursores incluem:metais elementares, sais inorgânicos e complexos metálicos, tais como Ni, Co, HAuC14, H,PtCl,, RhC1 e PdCI2. Os reagentes de redução incluem:citrato de sódio, peróxido de hidrogênio, cloridrato de hidroxilamina, ácido cítrico, monóxido de carbono, fósforo, hidrogênio, formaldeído, metanol aquoso, carbonato de sódio e hidróxido de sódio.
Outros métodos de síntese
Nanopartículas metálicas também podem ser preparadas por um método de deposição eletroquímica empregando uma célula eletroquímica simples contendo apenas um ânodo metálico e um cátodo metálico ou de carbono vítreo. O eletrólito consiste em soluções orgânicas de halogenetos de tetra alquil amônio, que também servem como estabilizadores para as nanopartículas metálicas produzidas. Após a aplicação de um campo elétrico, o ânodo sofre dissolução oxidativa formando íons metálicos, que migrariam em direção ao cátodo. A redução de íons metálicos por íons de amônio leva à nucleação e subsequente crescimento de nanopartículas metálicas na solução. Com esse método podem ser produzidas nanopartículas de Pd, Ni e Co com diâmetros variando de 1,4 a 4,8 nm.
Nanopartículas de ouro
O ouro coloidal tem sido estudado extensivamente há muito tempo. Em 1857, Faraday publicou um estudo abrangente sobre a preparação e as propriedades do ouro coloidal. Uma variedade de métodos foram desenvolvidos para a síntese de nanopartículas de ouro e, entre eles, a redução com citrato de sódio do ácido cloráurico a 100°C foi desenvolvida há mais de 50 anos e continua sendo o método mais comumente utilizado.
Nanopartículas de prata
Vários métodos foram desenvolvidos para a formação de nanopartículas de prata. A síntese de nanopartículas de Ag pode ser alcançada pela iluminação UV de soluções aquosas contendo AgC104, acetona, 2-propanol e vários estabilizadores poliméricos. A iluminação UV gera radicais cetila através da excitação da acetona e subsequente abstração do átomo de hidrogênio do 2-propanol e o radical cetila pode ainda sofrer reação de dissociação protolítica. Tanto o radical cetil quanto os ânions radicais reagem e reduzem os íons de prata a átomos de prata.
As reações têm baixa taxa de reação e favorecem a produção de nanopartículas de prata monodimensionadas. Com a presença de polietilenoimina como estabilizador polimérico, as nanopartículas de prata formadas pelo processo de redução fotoquímica acima apresentam tamanho médio de 7 nm com distribuição de tamanho estreita.
Embora os estabilizadores poliméricos desempenhem um papel muito importante na síntese de nanopartículas metálicas, eles podem ser preparados sem a utilização de qualquer estabilizador polimérico. Nanopartículas de prata podem ser preparadas usando um conjunto de soluções disponíveis comercialmente. Sem adição de qualquer reagente estabilizador, pode ser sintetizado usando dispersão aquosa de nanopartículas de prata de 20-30 nm de tamanho. É provável que a dispersão seja estabilizada pelo mecanismo de estabilização eletrostática. No entanto, o tamanho das partículas depende sensivelmente da temperatura de síntese. Uma pequena variação de temperatura resultaria em uma mudança significativa nos diâmetros das nanopartículas metálicas.