Síntesis y caracterización de nanopartículas de Óxido de Cerio de diferentes tamaños. Como sucede con la mayoría de los materiales, es muy difícil encontrar CeO2 en la naturaleza en forma de nanopartícula1. Por ello, se han desarrollado métodos de síntesis para producirlas en el laboratorio. Los métodos más extensivamente usados son los que se basan en los que se conoce como “wet-chemistry”, reacciones en fase líquida, ya que permiten obtener nanopartículas de CeO2 estables en agua y también en medios orgánicos, así como controlar el tamaño y la forma de las nanopartículas. De entre todos los métodos destaca el que se basa en la oxidación a temperatura ambiente de sales de Ce3+, como el nitrato de cerio (Ce(NO3)3), mediante la adición de bases fuertes como el hidróxido de sodio (NaOH), o sales de amonio (NH4+), como el compuesto químico llamado Hexametiltetramina. Estos métodos producen nanopartículas de CeO2  monodispersas (es decir todas ellas de un tamaño casi idéntico). En función de la concentración de reactivos y el tiempo de reacción, es posible tener nanopartículas de un tamaño controlado y en un rango de entre 3 y 20 nanómetros de diámetro. La química subyacente a estos métodos es sencilla. Los compuestos de Ce3+ son solubles en agua. El catión Ce3+ es estable en fase líquida a pH neutro. Al añadir un reactivo básico, se aumenta el pH del medio, y a pH altos, el Ce3+ pierde electrones (los libera al medio) y se oxida a Ce4+. En esta forma, el cerio ya no es soluble en el medio y se enlaza con otros átomos de Ce4+ y oxígeno, formando así las partículas sólidas de CeO2. A medida que van creciendo, las partículas se rodean de los iones que hay en el medio (dependiendo de los reactivos utilizados serán Na+, OH-, NH4, etc) que les proporcionan una cierta carga eléctrica. Así, al ser pequeñas no precipitan, se mantienen estables en fase coloidal (es decir, son pequeñísimas partículas sólidas en constante movimiento browniano en un medio líquido) y al estar cargadas, se repelen electrostáticamente unas a otras, manteniéndose en un tamaño dentro del rango de unos pocos nanómetros. La reacción finaliza cuando ya no hay más átomos de cerio por reaccionar. Un método de síntesis muy sencillo es el siguiente: Como reactivos se utlizan nitrato de cerio (Ce(NO3)3) (sal de Ce3+) y hexametiltetramina. Se preparan las siguientes concentraciones de estos reactivos: - Ce(NO3)3 0.04 M, lo que se consigue disolviendo 244 miligramos en 15 mililitros de agua. - Hexametiltetramina 0.5 M, lo que se consigue disolviendo 1.05 gramos en 15 mililitros de agua. Se mezclan ambas soluciones a temperatura ambiente y se mantienen en constante agitación durante 2 horas si se quieren conseguir partículas de 3 nanómetros, 4 horas para partículas de 6 nanómetros, 12 horas para partículas de 10 nanómetros. En esta síntesis, concretamente, el cerio en la solución de nitrato de cerio está en forma iónica, soluble en agua con valencia “3+”, y la reacción que tiene lugar es una oxidación del cerio “3+” a cerio “4+”, valencia en la que se vuelve insoluble en agua. En este reacción se utiliza como agente oxidante a la molécula hexametiltetramina, que en agua se “hidroliza” (se rompe) dando lugar a amonio + hidroxilos, Hexametiltetramina en agua → NH4+ + OH- De este modo, el ion hidroxilo es la molécula que oxida el cerio. Las nanopartículas no pueden ser vistas directamente por el ojo humano, están muy por debajo de su límite de resolución (0.1 milímetros = 100000 nanómetros). Tampoco se pueden ver con un microscopio óptico convencional. Incluso el mejor microscopio óptico está limitado a una resolución de unos 0.2-0.4 micrómetros (200-400 nanómetros). Para “verlas” de una manera sencilla se puede hacer uso de un fenómeno característico de cualquier suspensión coloidal llamado efecto Tyndall. Éste es un fenómeno natural que pone de manifiesto de una manera visible la presencia de partículas coloidales a pesar de que muchas veces éstas no pueden ser vistas a simple vista. En las suspensiones coloidales de nanopartículas, estos pequeñísimos sólidos dispersan la luz de tal modo que se puede seguir el haz lumínico de un láser a través del recipiente que donde se encuentra, como un rayo de sol entre las nubes, a diferencia de las disoluciones verdaderas, que no dispersan la luz. Este efecto también se observa en los faros de un automóvil en niebla o cuando entra luz solar en una habitación con polvo o atraviesa el sol las nubes iluminando un camino sembrado de microgotas de agua. Obviamente, para determinar que se han obtenido las nanopartículas con las propiedades deseadas, en los laboratorios de síntesis también se utilizan otros métodos de caracterización que permiten determinar todas las características de las nanopartículas obtenidas. Una vez sintetizadas, las nanopartículas de CeO2 pueden ser observadas mediante microscopía electrónica de transmisión para determinar su tamaño y forma (caracterización de la morfología). También se puede hacer un espectro de absorción  de luz en el rango ultravioleta visible, donde se observa que son transparentes a la luz visible pero absorben fuertemente la luz ultravioleta. Otras técnicas permiten caracterizar el estado electrónico (por ejemplo con una técnica conocida como espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X) o la estructura del cristal (difracción de rayos X) (ver algunos ejemplos de esta caracterización en figura 1).
1 Precisamente la alta energía de superficie de las nanopartículas hace que, pese a que algunos tipos son generados por procesos naturales, rápidamente quedan inactivadas al aglomerarse para formar partículas de tamaño más grande y por tanto minimizando la energía de superficie, o disolverse en los pocos miles de átomos que la constituyen.
Figura 1
E. Casals, V. Puntes
Revista Iberoamericana de divulgación de la nanociencia y nanotecnología
La revolución del óxido de cerio
Inicio Revista Comité Editorial Autores Novedades Contacto