Nanomateriales

Rafael Abargues López

1 nm 100 nm 1 μm 10 μm 100 μm

Virus Bacteria Red Blood Cell Hair FleaGlucose

1 mm0.1 nm

Water

10 nm

DNA

Graphene Nanotubes Nanowires Thin Films

1 nm 10 nm 100 nm

NanoparticlesQuantum Dots

Nanomateriales

The Nanoscale

THE NANOSCALE

NanoparticleSoccer Ball

Earth

Order 10‐7

Order 1

Order 10 7

What is a Nanoparticle?

100 nm

WHY NANOMATERIALS?

The Macroscale

Silver Gold

The Nanoscale

Things are different at the NanoscaleSilver Gold

1 Partícula(Diámetro 1 cm)

1015 Partícules(Diámetro 100 nm)

Área Superficial 3 cm2 Área Superficial 30 m2

INCREMENTO 100.000 VECES

Área SuperficialLa Nanoescala

Nanopartículas En La Antigüedad

Copa de Licurgo

Siglo IV DCPrimer referente del uso de nanopartículas de Oro y plata

Dicroismo: Diferentes colores dependiendo de si la luzpasa o no a través de la copa

El vidrio de la copa contiene nanopartículas de Au y Ag.

Nanopartículas de Au y Ag deun tamaño entre 5 y 60 nm.

Vidrieras

Los colores se obtenían introduciendo nanoparticulas metálicasde Au y Ag en vidrio fundido.

Siglo XIEn la época Románica (siglo XI), las vidrieras comienzan a serusadas en los templos pero llegan a su apogeo en la época Gótica(S. XIII).

Vidrieras

Tamaño de Nanopartículas de Au

Forma de Nanopartículas de Ag

Síntesis Coloidal

Siglo XIXEn 1857 Michael Faraday sintetiza por primera veznanopartículas de oro coloidal.

Físico y QuímicoMichael Faraday

Tras 160 años, los coloides son aún estables

Experimental Relations of Gold and Other Metals to LightM. Faraday. Philos. Trans. Roy. Soc. London 1857, 145‐181

TIPOS DE NANOMATERIALES

Types of Nanomaterials

InorganicNanomaterials

OrganicNanomaterials

Metal NMs Semiconducting NMs Magnetic NMs Carbon‐based NMs

Dendrimes Micelles Liposomes

Nanopartículas Metalícas

Nanoescala

Las cosas son dintintas a escala nanométrica

Plata Oro

Propiedades Ópticas Efecto Plasmónico

Resonancia Plasmónica Superficial Localizada

Campo Eléctrico (E):

Electrones:

Campo Eléctrico (E):

Electrones:

Propiedades Ópticas

No Resonante Resonante

Efecto Plasmónico

Diameter

107.86

Ag47

169.96

Au79

TamañoPropiedades Ópticas

TamañoPropiedades Ópticas

Nanopartículas de Au

Diametro

5 nm

TamañoPropiedades Ópticas

FormaPropiedades Ópticas

EntornoPropiedades Ópticas

Completa Absorción Espectro visible y parte de IR

Propiedades Ópticas

SemiconductingNanomaterials

Quantum Dots

2 nm 6 nmDiameter (nm)

400 nm 700 nm

VISIBLE

Calcogenuros Metálicos

2 nm 6 nmDiameter (nm)

400 nm 700 nm

VISIBLE

Discrete Energy LevelsEnergy Continuum (bands)

Energy

Bulk Semiconductor Quantum Dots

Size (nm)

CB

VB

Eg

Confinamiento Cuántico

400 450 500 550 600 650 700Wavelength (nm)

Ph

otol

umin

esce

nce

400 450 500 550 600 650 700Wavelength (nm)

Abs

orba

nce

(a.u

.)

Propiedades vs Tamaño

2 nm 6 nmDiameter (nm)

400 nm 700 nm

VISIBLE

Calcogenuros Metálicos

ZnSZnSe

400 nm 700 nm 2500 nmUV IR

200 nm

CdSCdSe

PbSPbSe

PbTe

CdTe

VISIBLE

2 nm 6 nmDiameter (nm)

Propiedades Ópticas

Perovskitas Haluros Metálicos tipo Perovskitas

CsPbBr3

Estructura cristalina tipo Perovskita

Óxidos Metálicos

Semiconductores de banda ancha

Óxidos de Metales de Transición

Thin Films

ZnO

MagneticNanomaterials

Superparamagnetismo

Nanopartículas Magnéticas

Síntesis de Nanopartículas

Síntesis de Nanopartículas

Métodos Bottom‐Up  Síntesis Química

ReducciónCitrato Sódico Nucleación Crecimiento

Au(III)Precursor de Au

Au(0) Au(0) Clústeres de Au

https://youtu.be/urmi99jQSZY?t=10s

Estabilización

Au(0) Nanopartículas de Au

Ablación Laser

https://youtu.be/kOy0yuWpUzU?t=7s

Métodos Top‐Down

Química de Superficie Ligandos: Importancia

1. Control de la Estabilidad 

2. Solubilidad

3. Control de tamaño y forma

4. Funcionalización

Química de Superficie Estabilización

Estabilización

Au

COO‐

COO‐

COO‐

‐OOC

NH3+

NH3+

NH3+

+H3N

Química de Superficie

Carga Positiva Carga Negativa

OH

OH

OH

HO

Sin Carga

Amfifílico(Soluble en agua y aceite)

Hidrofílico(soluble Agua)

Solubilidad

Química de Superficie Funcionalización

Aplicaciones

Funcionalización de SuperficieGran Área Superficial

Nanomateriales Multifuncionales

NP

Por Qué?

Nanotecnología

Tamaño  Propiedades Físico‐químicas

NANO-MATERIALS

Una Au NP de 100 nm puede tener en superficie 200.000 moléculas

Crushed

1 Partícula(Diámetro 1 cm)

1015 Partículas(Diámetro 100 nm)

Área Superficial 3 cm2 Área Superficial 30 m2

INCREMENTO 100.000 VECES

Nanobiotecnología Área Superficial

Química de Superficie Funcionalización

Easy functionalization of Nanoparticles

NanoDrugsNanoDrugs

DISPERSION in all body

TARGETINGon Inflammed Cells

Targeting oninflammed zoneInflammed

Zone

HealthyCell

HealthyPart of Colon

Medicina Clasica vs. Nanomedicina

TamañoNanobiotecnología

QD

QD

QD

Unión selectiva a dianas celulares

Agente buscador de dianas celulares

Diagnosis Bioimagen

Buscador de dianas Celulares y Liberación de Fármacos

Membrane Cell

CellReceptors

BioActive Nanoparticles

Targeting Agent

Therapeutic Agent

1. Cell Targeting 2. Drug Release

Cell

Liberación de FármacosTerapia

Liberación de Fármacos

Targeting Agent

Therapeutic Agent

Terapia

Cisplatino se libera en el interior de la célula

Cisplatino

Phototérmia

Nanopartículas Magnéticas

Targeting AgentCoCo

Magnet

42‐46 ºC

Au Nanopartículas

Targeting AgentAuAu

Terapia Hipertermia

Fototérmia Magnética

Terapia

Theranostics: Diagnosis and Terapia Simultánea

Diagnosis

Nanomateriales

Terapia

Teranóstica

DIAGNOSIS PHOTOTHERAPY(HYPERTHERMIA)

TUMOUR CELL TUMOUR CELL HEALTHY CELL

Targeting Agent

Au@QD Nanoparticle

Teranóstica

Nanopartículas de Au como agente de Contraste

Rayos X

Omnipaque TM

Agente de contraste IodadoAgente de contraste de Au NP

Au

Au NP (2 nm)

Bioimagen

1mm

Cosmética Sistemas de Liberación

La partícula se conjuga con el péptido sintético paraestabilizar y administrar estos péptidos a la céluladiana en un perfil de liberación más sostenible..

Test comerciales basados en Nanopartículas de Oro

BioSensores Test de Embarazo, Ovulación, VIH

Nitrocelulosa

Zona de Test

Zona de Control

Zona de ReacciónZona de Muestra

Muestra de Orina

BioSensores Test de Embarazo

Au NP

La muestra se desplaza por capilaridad

Test de Embarazo Negativo

Test de embarazo comercial basados en Nanopartículas de Oro

Test de Embarazo Positivo

BioSensores Test de Embarazo

Sensores Químicos Sensores Alimentos

Cambio de porpiedades ópticas al detectar varias moléculas

Sensores Químicos Sensores Alimentos

Sensor Colorimétrico paraControl de  Caducidad de Alimentos

Sensores de Ag NPs impresos en etiquetas autoadhesivas

Otras Aplicaciones

LEDs

El poder de la luz y el color

QUANTUM DOTS AND PEROVSKITES

from 20‐30% to as high as 65% Theoretical increase of solar power efficiency

Quantum Dots and Perovskites

ITO

SUN LIGHT

Photovoltaics

Óxidos de Metales de TransiciónFotocatalisis

Water Splitting

Fotosíntesis Artificial

Óxidos de Metales de Transición

Purificación de Agua Óxidos de Metales de Transición

Azul de metileno

Con Fotocatalizador

Sin Fotocatalizador

Fotocatalizador (Au-ZnO)

Óxidos de Metales de TransiciónPurificación de Agua

Fotovoltaica Concentración de luz

Nanopartículas Grandes>100 nm

Nanopartículas Pequeñas>20 nm

Muchas Gracias