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Síntesis y Desarrollo de Materiales
 
 
 
Estudio de partículas nanoestructuradas y nanopartículas soportadas y no soportadas de compuestos de hierro
Responsible: Dr. Sergio G. Marchetti

 

Nanopartículas magnéticas de óxidos de hierro para aplicaciones catalíticas y biomedicinales

Responsable: Dr. Sergio G. Marchetti

Personal:

Dra.María Virginia Cagnoli

Dra. Ana María  Alvarez

Dr. José F. Bengoa

Lic. Ignacio O. Pérez De Berti

Lic. Florencia Rochetti Yharour

 

Resumen de la línea de Investigación

            El presente Proyecto se centrará en el desarrollo de nuevos métodos de síntesis de nanopartículas (NPs) magnéticas de óxidos de Fe, en su caracterización, su utilización en la obtención de catalizadores “cuasi-modelo” de Fischer-Tropsch y en la resolución de problemáticas que surgen cuando se las pretende utilizar como nanovectores capaces de trasladar una determinada droga hacia un sitio específico.

Sobre esta base el desarrollo se dividirá en dos sub-líneas:

            Sub-línea 1: Aplicaciones biomedicinales: se enfocará en el perfeccionamiento de nuevos métodos de obtención de NPs magnéticas monodispersas de óxidos de hierro, poniendo especial énfasis en la reproducibilidad, el rendimiento y el costo de los procedimientos, manteniendo el control del tamaño medio y del ancho de la distribución de tamaños. Se llevará a cabo una minuciosa caracterización estructural y magnética de las mismas. Se las funcionalizará superficialmente de manera adecuada en base a los requerimientos solicitados por otro Grupo de investigación con el propósito de obtener un composito: nanopartículas magnéticas-pectina natural-droga antineoplásica.

            Sub-línea 2: Obtención de catalizadores “cuasi-modelo” de Fischer-Tropsch: se soportarán lotes de NPs de diferentes tamaños entre 3 y 15 nm sobre sólidos mesoporosos ordenados con tamaño medio de poros entre 8 y 30 nm del tipo de la SBA-15. Se activarán los precursores y se los caracterizará detalladamente con el propósito de determinar si cada catalizador fresco posee un único tamaño de partícula de fase activa de Fe habiendo conservado las propiedades de las NPs presintetizadas. Estos catalizadores, que denominaremos “cuasi-modelo”, permitirán a través de la realización de tests catalíticos de Fischer-Tropsch determinar si dicha reacción es o no “sensible a la estructura”. Esta determinación resulta fundamental para intentar solucionar una de las limitaciones tecnológicas más importantes de este proceso: su falta de selectividad hacia un determinado corte de hidrocarburos

 

Logros y Objetivos alcanzados

 

            Durante este período la labor se ha concentrado en tres áreas interrelacionadas del conocimiento: la catálisis heterogénea, la ciencia de materiales y la nanotecnología. Durante la ejecución de la misma se han cubierto desde aspectos básicos –tales como el desarrollo de nuevos métodos de síntesis de nanopartículas, nanohilos, etc., junto a su caracterización estructural, magnética, etc.- hasta la búsqueda de sistemas con aplicaciones tecnológicas tales como la preparación de catalizadores adecuados para síntesis de interés industrial, obtención de catalizadores “cuasi” modelo para estudiar efectos fundamentales que permitan dirigir la preparación de los catalizadores hacia sistemas mas selectivos, en especial en la síntesis de Fischer-Tropsch (SFT) y la síntesis de nanopartículas con potenciales usos biomédicos. Se ha puesto especial énfasis en los métodos de preparación de los sólidos utilizados y en su caracterización fisicoquímica, sin descuidar en ningún momento sus posibles aplicaciones tecnológicas. A continuación se enumeran algunos de los principales resultados obtenidos.

“Nanopartículas magnéticas de óxidos de hierro para aplicaciones catalíticas y biomedicinales”

            En este período se dedicó una gran cantidad de tiempo experimental para obtener nanopartículas (NPs) de óxidos magnéticos de Fe en el rango de tamaños de 3 a 12 nm, con distribuciones muy estrechas de tamaño. Estas características resultan esenciales con el propósito de utilizarlas para preparar catalizadores “cuasi” modelos (como se explicará mas adelante) y como potenciales portadores de drogas (“drug delivery”) hacia sitios específicos del organismo de seres vivos. La necesidad de conseguir propiedades tan determinadas requiere de una caracterización muy profunda de los productos obtenidos que en muchos casos involucra técnicas muy complejas. Así, las NPs han sido caracterizadas por espectroscopía Mossbauer a diferentes temperaturas (EM), medidas magnéticas (SQUID, susceptibilidad, ZFC-FC), TEM, DRX, HRTEM, FT-IR, DLS. Se ha encontrado que estas NPs poseen elevado valor de saturación de magnetización y valores nulos de remanencia y coercitividad hasta temperaturas tan bajas como 5K. Estas son propiedades de suma utilidad para su potencial empleo como portadoras de drogas. En la actualidad se está tratando de funcionalizar a estas partículas con biogeles para que las mismas resulten biocompatibles.

            Uno de los métodos de síntesis en el que más se profundizó fue en la descomposición térmica de sales organometálicas de Fe. Esto nos condujo al desarrollo de un protocolo original de síntesis, creado en nuestro laboratorio, que nos ha permitido obtener NPs de g-Fe2O3 superparamagnéticas y monodispersas con tamaños medios de 3 a 12 nm variando la relación de sal a surfactante. En la actualidad se está ensayando el cambio de solvente para seguir aumentando el tamaño medio. Pero lo más importante es que fue posible eliminar el reductor de la receta original que representaba alrededor del 86% del costo total de la síntesis.

Una de las principales finalidades de obtener NPs de un tamaño muy definido y con una distribución muy estrecha de tamaños es para depositar dichas NPs en sólidos mesoporosos ordenados con el propósito de estudiar el efecto del tamaño de partícula y la posible selectividad de forma sobre la actividad y la selectividad de la reacción catalítica seleccionada. A este tipo de catalizadores los hemos denominado “cuasi” modelo. La reacción catalítica elegida es la Síntesis de Fischer-Tropsch ya que a pesar de que hace alrededor de sesenta años que se la está estudiando aún no se ha dilucidado cual es el sitio acitvo, si la reacción es o no sensible a la estructura y lo más importante si es posible modificar su selectividad cambiando el tamaño de partícula de la fase activa. Con el propósito de llevar adelante estos estudios se sintetizaron NPs en el rango de 3 a 12 nm, se las caracterizó minuciosamente y luego se las introdujo en el interior de los canales de un sólido mesoporoso denominado SBA-15. Este sólido fue sintetizado en el laboratorio con ciertas modificaciones en las recetas para ampliar los tamaños tradicionales de poros y lograr de esa manera facilitar en ingreso de las NPs. El procedimiento de impregnación fue otro paso crítico para conseguir que las NPs ingresen en los poros de la SBA-15. La estrategia utilizada fue llenar los poros de la SBA-15 con hexano puro. Se colocó el sólido y la suspensión de NPs en hexano en un rotavapor y se fue evaporando lentamente el solvente de la suspensión. La diferencia de concentración entre el interior de los poros y la suspensión externa actuó de fuerza impulsora para el ingreso de las NPs.

            Una vez que las NPs se encontraban soportadas sobre la SBA-15 se estudió cual es la forma más adecuada de activar el sistema antes de la reacción. Para ello se utilizó gas de síntesis H2 puro y (H2:CO), llegándose a la conclusión que el H2 puro producía los catalizadores más activos.

            Finalmente se testearon todos los catalizadores en un reactor diferencial en condiciones muy similares a las utilizadas en el proceso industrial. Los sólidos fueron usados de manera continua hasta diez días. Con posterioridad fueron caracterizados sin entrar en contacto con aire. Toda esta información condujo a la posibilidad de proponer un modelo para interpretar la estructura de los catalizadores y además quedó claramente demostrado que la actividad de la reacción es sensible a la estructura en el rango de 3 a 12 nm de tamaño de partícula activa. Claramente la actividad disminuye cuando el tamaño de la partícula disminuye. En cambio no logró demostrarse que el sistema posea sensibilidad a la estructura en lo que a la selectividad se refiere. Todos estos resultados condujeron a la elaboración de una tesis doctoral titulada: “Preparación y caracterización de catalizadores “semi-modelo” de Fischer-Tropsch utilizando nanopartículas presintetizadas” cuyo autor es el Dr. Ignacio Omar Pérez De Berti.

 

 
 
 
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