Estas nanopartículas están constituidas por una matriz de sílice y se caracterizan por la presencia de poros de un diámetro comprendido entre los 2 y 50 nm. Esta singularidad proporciona a estas nanopartículas dos parámetros diferenciados: una superficie externa (superficie específica) y otra interna (tamaño de poro). Las posibilidades que abren estas propiedades las hacen idóneas para ser utilizadas en un amplio campo de aplicaciones que van desde la biotecnología y nanomedicina a la ciencia de los materiales. Las principales características de la nanosílice son:
‐ Dos superficies (interna y externa),
‐ Elevada superficie específica que permite almacenar una gran cantidad de carga,
‐ Buena estabilidad química y térmica,
‐ Fácilmente modificables morfológicamente (control en tamaño y forma),
‐ Fácilmente sintetizables.
La preparación de nanosílice fue comunicada por primera vez por científicos de la Mobil Company en 1992 en el marco de un proyecto de la compañía para encontrar materiales con poros de mayor tamaño que el que presentan las zeolitas (Beck, 1992). Su metodología de síntesis se basa en el método sol-gel descrito por Stöber en 1968 para la obtención de nanopartículas de sílice (Stöber, 1968) pero incorporando modificaciones.
Además del tratamiento sol-gel en los últimos años han aparecido otros métodos igual de eficaces como son el proceso en fase gaseosa, el método de precipitación, el método hidrotérmico, etc. (Qisti, 2016). A continuación, se describen algunos de los procesos más utilizados:
‐ El método sol-gel, consiste en la formación de una suspensión coloidal (sol) y una gelificación del sólido para formar una red en una fase líquida continua (gel). Este es un proceso ampliamente utilizado debido a su fácil manejabilidad. El procedimiento estándar involucra la hidrólisis y condensación de metales como tetraetilortosilicato (TEOS) o sales inorgánicas tales como silicato de sodio (Na2SiO3) en presencia de una sustancia catalizadora, ya sea de naturaleza
ácida como el ácido clorhídrico (HCl) o una base como el amonio (NH3), siendo
comprendida entre 30 y 60 ºC en medio básico (pH = 11). El producto final puede tener entre un 20 a 40 % de contenido sólido (Rahman, 2012).
‐ El método de fase gaseosa se consigue reduciendo el cuarzo a una temperatura de 1500-2000ºC en un horno de arco eléctrico. Este subproducto se obtiene de la industria del metal y la forma de las partículas son esféricas con un diámetro de 150 nm y una alta superficie específica (G. Quercia, 2010). También se puede hacer reaccionar el tetracloruro de silicio (SiCl4) con hidrógeno u oxígeno a altas
temperaturas, pero es un método más complejo ya que resulta difícil controlar el tamaño de las partículas, así como su morfología.
‐ El método por precipitación se realiza por medio de una solución a 55-100ºC, utilizando silicato de sodio, silicato de magnesio o cenizas de cáscara de arroz como precursores, siendo este último el más utilizado por su disponibilidad y bajo valor económico. La precipitación de la sílice se logra calentando las cenizas de cáscara de arroz con HCl por un tiempo prolongado. Después se lava el producto con agua desionizada para retirar el ácido. Luego se disuelve en hidróxido de sodio y por último se añade ácido sulfúrico para llegar a un pH de 2, lo cual permite la precipitación de la sílice, que posteriormente es lavada con agua desionizada y secada a 50 °C en un horno por 48 horas (Rahman, 2012). Este último tiene muchas ventajas, como la sencillez en su preparación, la utilización de una temperatura de reacción baja o la dispersión uniforme de los iones metálicos dopantes, así como el control de la estequiometría, que proporciona una buena homogeneidad química (Kim, 2007). Además de ser el más económico si se utiliza cáscara de arroz. La desventaja que tiene este subproducto es que resulta difícil obtener una riqueza superior al 90% y además su demanda podría aumentar mucho en los próximos años, resultando difícil abastecer esa demanda en un futuro (Rafiee, 2012). Actualmente el método más común para obtener nanosílice es vía sol-gel, debido a que se tiene bastante conocimiento de esta técnica, lo que ha permitido ir mejorándola y obtener productos más homogéneos y con tamaños más precisos, pero no resulta tan económica como el proceso por precipitación.
Por otro lado, la nanosílice son nanopartículas de SiO2 amorfas e insolubles en el agua,
que se suelen comercializar en forma líquida, mezclada con otros compuestos para facilitar su transporte y trabajabilidad. Este tipo de nanosílice se denomina sílice coloidal (Flores, 2009). Sin embargo, los últimos estudios, han demostrado que la nanosílice comercial en polvo ofrece una máxima reactividad y una pureza igual o superior a 99.9%. En cuanto a su toxicidad, las nanopartículas en polvo tienen una respuesta inflamatoria, y enfermedades pulmonares asociadas mayores que cuando se manejan en líquido (Napierska, 2010). Pero los resultados de algunos autores evidenciaron que utilizando nanosílice en polvo bien dispersada se incrementaba en mayor medida los resultados a compresión debido a su alta reactividad (G. Quercia, 2010). Esta reactividad de la nanosílice como adición depende sobre todo de su tamaño de partícula y su superficie específica (Singh, 2013) y está relacionada sobre todo con la fuerza iónica del medio, la concentración de la disolución, la temperatura y su índice de refracción. En medios de elevada fuerza iónica el tamaño obtenido es menor al real, mientras que en medios de baja fuerza iónica se obtienen valores del diámetro de partícula mayores (Llinàs, 2014). La Figura 1.16 presenta las imágenes SEM y TEM de una sílice sintetizada con la misma composición de reactivo, catalizador y solvente pero distinta temperatura 20 y 60ºC (Echeverri, 2007).
Figura 1.16 Imagen SEM de sílice sintetizada a 20ºC (izquierda) y 60ºC (derecha) (Echeverri, 2007)
Se puede observar que a mayor temperatura se acelera el periodo de inducción y, por tanto, en la etapa de nucleación se da formación de mayor número de partículas primarias, pero de menor tamaño comparado con condiciones de menor temperatura. Por lo que el tamaño, la distribución y la superficie específica son parámetros que se modifican dependiendo no solo del método sino también del proceso de síntesis.
Autores como Tobón (Tobón, 2018) han realizado recientemente estudios sobre la influencia del tamaño de partícula y de la superficie específica de la nanosílice en polvo en los resultados de resistencia a compresión, al utilizar partículas de mayor tamaño, pero con una superficie específica elevada. Sus estudios determinaron que, el uso de partículas con una gran superficie específica no conseguía un refinamiento de la estructura porosa debido en gran parte al aglomeramiento de las mismas, ya que una alta superficie específica demanda más cantidad de agua, quedándose su actividad puzolánica limitada. Esto se traduce en una disminución de la resistencia a compresión. Por esto la utilización de nanosílice con altas superficies específicas no es suficiente para obtener buenos resultados si no va acompañada de un tamaño de partícula reducido (Mobini, 2015) (Gutsch et al. 2002).