Cómo fabricar nanopartículas utilizando la inestabilidad que hace que el chorro líquido de un grifo gotee

Se publica en Nature un nuevo método para fabricar partículas esféricas de tamaño diverso, desde unos 20 nanómetros hasta unos 2 milímetros, basado en la inestabilidad de Rayleigh-Plateau en un chorro líquido, la que hace que un grifo gotee. En la fabricación de fibras ópticas por estirado de una preforma calentada en un horno, la velocidad de estirado no puede superar cierto valor crítico, pues en caso contrario aparece esta inestabilidad y el núcleo de la fibra colapsa. Pero este grave problema ha sido convertido en virtud, pues permite la fabricación de microgotas esféricas. El núcleo de la preforma, que se convertirá en las partículas esféricas negras de la figura, es triseleniuro de diarsénico, mientras que el recubrimiento es de un polímero, de color ámbar en la figura, polietersulfona (PES). Hay otros métodos de fabricación de microgotas esféricas, pero pocos son tan eficientes para generar una suspensión de nanopartículas de decenas de nanómetros. Las aplicacicones, sobre todo en biomedicina, son muy prometedoras. Nos lo cuentan Ali Passian, Thomas Thundat, “Materials science: The abilities of instabilities,” Nature, Published online 18 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de Joshua J. Kaufman et al., “Structured spheres generated by an in-fibre fluid instability,” Nature, Published online 18 July 2012.

Esta figura muestra la fabricación por estirado de la fibra. La preforma (a) se calienta en un horno a cierta altura hasta que se licúa y cae por la gravedad como caería un chorro de leche condensada. La fibra se solidifica al caer y su núcleo es muy pequeño comparado con el revestimiento, como muestra la figura (b). El estirado se logra enrollando la fibra en un tambor que hace rotar a gran velocidad (a). La novedad viene más allá de este tambor, donde se coloca otro tambor que estira más aún la fibra provocando la aparición de la inestabilidad de Rayleigh-Plateau y el goteo del núcleo de la fibra (c). En función del diámetro del núcleo de la preforma, el perfil de temperatura del horno y la velocidad de estirado se logra fabricar una gran variedad de micropartículas esféricas, tanto en la microescala (e) como en la nanoescala (f).

Este vídeo muestra una simulación tridimensional de la evolución de la inestabilidad que provoca la formación de las gotas en el interior de la fibra de polímero; se han simulado las ecuaciones de Navier-Stokes para el chorro líquido compuesto para bajos números de Reynolds. La gran limitación del método de Kaufman y sus colegas es el tipo de materiales que se pueden utilizar para fabricar las nanopartículas. Cualquier material que cambie sus propiedades al ser calentado, que se degrade o cambie de estado, provocará inestabilidades anteriores a la formación de las gotas. Otra gran limitación es la dificultad de encapsular substancias en las nanopartículas.

Kaufman y colegas han demostrado además que es posible sintetizar micropartículas de dos materiales con dos caras, lo que los autores llaman “partículas de Jano” (por el dios de la mitología romana que tenía dos caras). Para ello basta introducir la estructura de Jano en el núcleo de la preforma, como muestra la figura. Estas partículas son muy interesantes porque se pueden utilizar en sensores, actuadores y dispositivos de conversión de energía, así como bloques de construcción para la auto-ensamblaje de estructuras. Obviamente, el procedimiento de fabricación de estas “partículas de Jano” requerirá importantes avances técnicos antes de llegar a aplicaciones comerciales.

5 pensamientos en “Cómo fabricar nanopartículas utilizando la inestabilidad que hace que el chorro líquido de un grifo gotee

    • Muy interesante, César, no lo sabía. Profundizaré en el asunto.

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