Recientemente, debido a su estructura simple y definida, las principales aplicaciones de los nanorreactores core y yolk-shell se han enfocado en las áreas de ingeniería biomédica y catálisis. Sin menospreciar a otras áreas de interés científico, se presentan a continuación algunas aplicaciones que por su impacto han sobresalido en las áreas de biomedicina y catálisis.
Los nanorreactores son utilizados como sistemas de transporte de medicamentos hacia el lugar de aplicación con alta especificidad y actividad, sin efectos tóxicos secundarios. Se utilizan para transportar
fármacos que no pueden administrarse con garantía por vía oral debido a que son degradados fácilmente por las enzimas del tracto gastrointestinal, entre ellos se encuentran medicamentos, proteínas, péptidos, hormonas o enzimas. Además, se han descrito y ensayado clínicamente sistemas microparticulados poliméricos que incorporan anticancerígenos, inmunosupresores, vitaminas, antibióticos, antibacterianos, antiinflamatorios y vacunas ( (Sounderya & Zhang , 2008), (Haag, 2004), (An & Hyeon, 2009), (Liu, y otros, 2011), (Xing, He, Peng, Wang, & Tan, 2005)). Otro ejemplo de usos biomédicos es cuando su núcleo posee un material dieléctrico cubierto por una fina capa metálica el cual por variaciones en la relación de las dimensiones del núcleo y la cápsula permite la detección y/o tratamiento térmico de los tumores cancerígenos, procedimiento conocido como terapia térmica (Loo, y otros, 2004).
Los nanorreactores son atractivos para aplicaciones catalíticas, ya que poseen varias ventajas, sobre los catalizadores soportados entre las que se pueden mencionar: 1) previenen la sinterización de las nanopartículas que residen en su interior, es decir las mantienen aisladas, 2) la porosidad de la cápsula permite la difusión controlada de reactivos y productos, sin presentar una resistencia considerable a la transferencia de masa, 3) mantienen la integridad del sistema ante tratamientos térmicos a altas temperaturas, haciéndolos sistemas estables. Los nanorreactores basados en núcleos de metales nobles y con cápsulas de diferentes óxidos o polímeros, han sido estudiados en reacciones de interés tanto para la química fina como para química ambiental. La selección de los materiales que formarán parte de la estructura del nanorreactor dependerá de las condiciones de reacción. En el caso de nanorreactores con cápsulas de naturaleza polimérica, estos se limitan a aplicarse en reacciones donde no se requiera el incremento de la temperatura ya que ésta cápsula puede descomponerse.
Los metales nobles han mostrado buen desempeño en las reacciones de importancia en química ambiental; por ejemplo, el convertidor catalítico de tres vías de los automóviles, está basado en los metales nobles Pt, Rh, por sus altas actividades en las reacciones de reducción de NO y la oxidación de
hidrocarburos y CO. La estabilidad de los nanorreactores como Pd@CeO2 (Cargnello, Jaén, Garrido,
Bakhmutsky, & Montini, 2012), Au@ZrO2 (Arnal, Weidenthaler, & Schuth, 2006), Au@TiO2 y Au@Fe2O3
(Yin, Ma, Chi, & Dai, 2011) han sido estudiadas. En general, los resultados mostraron que la cápsula permitió la distribución efectiva y uniforme de los núcleos, evitando la aglomeración. Los nanorreactores
de Au@ZrO2 fueron calcinados a 800° C, conservando su actividad catalítica casi inalterada en la reacción
de oxidación de CO al compararse con el sistema cuando el núcleo quedo libre por daños en la cápsula
(Figura 16. (Arnal, Comotti, & Schuth, 2006). Sin embargo, algunos nanorreactores como Au@Fe2O3
cápsula que conduce a la formación de poros más grandes que permitieron la salida del núcleo y consecuentemente la aglomeración.
En algunos estudios, los nanoreactores con estructura core-shell han sido soportados. Se ha comprobado que la actividad catalítica no está influenciada por el soporte (Yin, Ma, Chi, & Dai, 2011).
Figura 16. Actividad catalítica de los nanoreactores Au@ZrO2 en la oxidación de CO.
Las reacciones de reducción de o-nitroanilina (Lee, Park, Bang, & Song, 2008) (Yang, Liu, Li, Liu, & Yang, 2011), p-nitrofenol (Park & Song, 2011) (Huang, Guo, Zuo, Zheng, & Stucky, 2009) (Xia & Xu, 2010) (Li, Tai, Neoh, Kang, & Yang, 2011) (Deng, y otros, 2010) (Kong, Duan, Zuo, Cai, & Cheng, 2010) (Jiang, Akita, Ishida, Haruta, & Xu, 2011) y epoxidación de estireno (Deng, y otros, 2010) de interés principal para aplicaciones en química fina; han sido estudiadas con nanorreactores de núcleos de metales nobles como Au y Ag con
cápsulas de SiO2, ZrO2 y poliméricas.La reducción de o-nitroanilina por NaBH4 se puede mejorar por el uso
de nanorreactores de Au@SiO2,ya sea por funcionalización del núcleo con un grupo carboxilato (Lee, Park,
Bang, & Song, 2008) o por modulación del espacio disponible entre el núcleo y la cápsula. Se comprobó que las estructuras tipo yolk-shell facilitan la movilidad del núcleo y su interacción con los reactivos, superando la actividad catalítica de las core-shell (Yang, Liu, Li, Liu, & Yang, 2011). La reacción de reducción de p-nitrofenol ha sido adoptada como una reacción modelo para probar la eficiencia catalítica de los nanorreactores, posiblemente por sus condiciones suaves de reacción y la confirmación de un transporte
de masas efectivo a través de los poros de las cápsulas de los nanorreactores. Los nanorreactores Au@ZrO2
presentaron buen desempeño, fueron térmicamente estables y su actividad permaneció inalterada con el transcurso de las corridas de reacción (Figura 17 (Huang, Guo, Zuo, Zheng, & Stucky, 2009). La cápsula no
colapsó y protegió la integridad de la nanopartícula (Huang, Guo, Zuo, Zheng, & Stucky, 2009). En los nanorreactores híbridos, con núcleo de Ag y cápsula polimérica (PEDOT y PMAA), se presentó alta actividad y por las propiedades del polímero fue manipulada la permeabilidad de la cápsula (Xia & Xu, 2010) (Li, Tai, Neoh, Kang, & Yang, 2011).
Otro ejemplo de nanorreactores con múltiples nanopartículas de Au se reportó en (Kong, Duan, Zuo, Cai,
& Cheng, 2010) donde éstas fueron depositadas en la pared interna de su cápsula de TiO2, sin embargo,
una desventaja de este sistema es la baja estabilidad térmica de las nanopartículas.
Figura 17. Arriba. Efecto de los tratamientos térmicos a diferentes temperaturas en la actividad catalítica de los
nanorreactores Au@ZrO2. Abajo. Comportamiento en la actividad catalítica de los nanorreactores durante diferentes
ciclos de uso.
Los nanorreactores de Ni@SiO2 con estructura Yolk-Shell, probados en diferentes reacciones de química
fina, pueden ser reusados varias veces sin pérdida de actividad en contrario con partículas de Ni soportados en sílice. Varias cetonas fueron reducidas exitosamente a sus alcoholes con alta eficiencia por uso de este nanorreactor. También, se encontró que la ciclohexanona puede reducirse a 2-propanol con un 94% de eficiencia. Diferentes cetonas alquil-aril fueron transformadas a sus productos hidrogenados con alta eficiencia en contrario con diaril cetonas debido a su estructura. Estos excelentes desempeños
catalíticos indican que los nanorreactores Yolk-Shell pueden escalarse a varias reacciones orgánicas
heterogéneas con alta estabilidad y reusabilidad. Nanorreactores no esféricos, Pt/TiO2-nanobarras@SiO2,
se caracterizaron por el efecto retardado del proceso de aglomeración de las nanopartículas de Pt, sin embargo, a 750°C se presentó el fenómeno de aglomeración acompañado con la pérdida de actividad catalítica en la reacción de hidrogenación de rojo de metilo (Dai, y otros, 2010)
El núcleo de los nanorreactores con estructura Core-Shell está en contacto con la pared interna de la cápsula, por eso es posible aprovechar esta interfase para promover la reacción (Figura 18). Se ha demostrado que la naturaleza de la cápsula también tiene influencia en la actividad catalítica del nanorreactor. En la literatura se habla sobre efectos sinérgicos relacionados al contacto entre la cápsula y el núcleo, como el contacto de la Ceria con el oro en la reducción de 4-Nitrofenol (Figura 18).