Doctorado
  1. Química inorgánica  1.1. Química de coordinación  1.1.1. Teoría del campo de ligandos  1.1.2. Teoría del campo de cristales  1.1.3. Teoría del Orbital Molecular para Compuestos de Coordinación  1.1.4. Estabilidad de los compuestos de coordinación  1.1.5. Espectros electrónicos de compuestos de coordinación  1.1.6. Isomería en Compuestos de Coordinación  1.1.7. Cinética y mecanismo de reacciones de coordinación  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos Metálicos  1.2.2. Alquilo y arilo metálico  1.2.3. Carbenos de Fischer y Schrock  1.2.4. Añadido Oxidativo y Eliminación Reductiva  1.2.5. Hidruros Metálicos  1.2.6. Catalysis por compuestos organometálicos  1.2.7. Metalocénicos y Complejos Sandwich  1.2.8. CH activation  1.3. Química del estado sólido  1.3.1. Estructuras y redes cristalinas  1.3.2. Teoría de bandas y propiedades eléctricas  1.3.3. Defectos en el cristal  1.3.4. Síntesis de materiales en estado sólido  1.3.5. Propiedades magnéticas y ópticas de los sólidos  1.3.6. Superconductividad  1.3.7. Ionics de estado sólido  1.4. Química bio-inorgánica  1.4.1. Metaloproteínas y enzimas  1.4.2. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  1.4.3. El papel de los metales en la medicina  1.4.4. Catalización bioinspirada  1.4.5. Interacciones Metal-ADN  1.4.6. Complejos metálicos en la ciencia médica  1.5. Lantánidos y actínidos  1.5.1. Configuración electrónica y estados de oxidación en lantánidos y actínidos  1.5.2. Propiedades Espectrales y Magnéticas en Lantánidos y Actínidos  1.5.3. Separación y Extracción de Lantánidos y Actínidos  1.5.4. Química de coordinación de los elementos del bloque f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de los compuestos de boro  1.6.2. Química de los compuestos de silicio y germanio  1.6.3. Química de los Compuestos de Fósforo y Azufre  1.6.4. Química organosilícica  1.6.5. Química de Gases Nobles
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición y sustitución electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones Pericíclicas  2.1.7. Reacciones fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidad y actividad óptica  2.2.2. Análisis estructural  2.2.3. Efectos estereolectrónicos  2.2.4. Síntesis asimétrica  2.2.5. Estereoquímica dinámica  2.3. Química Organometálica en la Síntesis Orgánica  2.3.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.3.2. Reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición  2.3.3. Reacciones catalizadas por paladio  2.3.4. Metátesis de olefinas  2.3.5. Catalización de oro y plata  2.4. Química de productos naturales  2.4.1. Alcaloides y terpenoides  2.4.2. Esteroides y Flavonoides  2.4.3. Síntesis total de productos naturales  2.4.4. Biosíntesis de productos naturales  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química huésped-invitado  2.5.2. Autoensamblaje y reconocimiento molecular  2.5.3. Catalisis Supramolecular  2.5.4. Máquinas moleculares
  3. Química Física  3.1. T termodinámica  3.1.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.2. Potencial Químico y Equilibrio  3.1.3. Termodinámica estadística  3.1.4. Termodinámica de no equilibrio  3.2. Química Cuántica  3.2.1. Ecuación de Schrödinger y sus aplicaciones  3.2.2. Teoría de orbitales moleculares  3.2.3. Teoría del funcional de la densidad  3.2.4. Métodos post-Hartree–Fock  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoría de la velocidad de reacción  3.3.2. Mechanism and rate laws  3.3.3. Catalisis y cinética enzimática  3.3.4. Dinámica de reacción  3.4. Espectroscopía y estructura molecular  3.4.1. Espectroscopia Infrarroja  3.4.2. Espectroscopia UV-visible  3.4.3. Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometría de Masas  3.4.5. Espectroscopía Raman  3.5. Química de Superficies y Coloides  3.5.1. Absorción y Catálisis  3.5.2. Surfactantes y micelas  3.5.3. Estabilidad Coloidal  3.5.4. Nanomateriales e Interfaces
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Eficiencia  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.1.4. Cromatografía iónica  4.2. Técnicas electroanalíticas  4.2.1. Voltametría y Polarografía  4.2.2. Conductometría y potenciometría  4.2.3. Colometría  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.3.2. Espectroscopía de Fluorescencia  4.3.3. Difracción de rayos X  4.3.4. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  4.4. Quimiometría  4.4.1. Procesamiento de datos y métodos estadísticos  4.4.2. Análisis multidisciplinario  4.4.3. Aprendizaje Automático en Química Analítica
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.2. Métodos de química cuántica  5.3. Diseño de fármacos computacional  5.4. Aprendizaje automático en química  5.5. Dinámica molecular ab initio
  6. Biofísica y Química Medicinal  6.1. Descubrimiento y diseño de fármacos  6.2. Cinética enzimática e inhibición  6.3. Enfoque de biología química  6.4. Interacciones proteína-ligando  6.5. Química bioortogonal
  7. Química de materiales  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerización  7.1.2. Polímeros Funcionales  7.1.3. Polímero Biodegradable  7.1.4. Polímeros conductores y semiconductores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas y nanoestructuras  7.2.2. Nanomateriales basados en carbono  7.2.3. Quantum dots  7.3. Química Energética y Ambiental  7.3.1. Química de Baterías y Pilas de Combustible  7.3.2. Química verde y materiales sostenibles  7.3.3. Fotocatálisis

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Nanomateriales e Interfaces


Dentro del campo de la química, particularmente dentro de la disciplina de la química física, el estudio de las superficies y coloides juega un papel importante. La química de superficies y coloides se ocupa de las propiedades y el comportamiento de las superficies e interfaces. Los nanomateriales han emergido como un área de interés importante debido a sus propiedades únicas que surgen a escala nanométrica. El objetivo de este texto es explorar el complejo mundo de los nanomateriales e interfaces en el contexto de la química de superficies y coloides, manteniendo las explicaciones lo más sencillas posible.

¿Qué son los nanomateriales?

Los nanomateriales son materiales cuyas componentes estructurales son más pequeñas de 100 nanómetros. A esta escala, los materiales a menudo exhiben propiedades físicas y químicas inusuales en comparación con sus contrapartes a granel. Debido a la alta relación superficie-volumen y la dominancia de átomos de superficie, los nanomateriales pueden exhibir propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas únicas. Se utilizan ampliamente en aplicaciones que van desde la medicina a la catálisis, la electrónica y el almacenamiento de energía.

Entendiendo la interfaz

Una interfaz es un límite donde se encuentran dos fases. En el contexto de los nanomateriales, estas interfaces pueden existir entre sólidos y líquidos, sólidos y gases, o incluso entre dos fases sólidas diferentes. El estudio de las interfaces implica explorar cómo se comportan las moléculas en estos límites. Las interacciones que ocurren en las interfaces a menudo dominan el comportamiento general de los materiales, afectando propiedades como la estabilidad, la reactividad, la adhesión y el mojado.

Química de superficies de los nanomateriales

La química y física que ocurren en la interfaz de los nanomateriales contribuyen significativamente a sus propiedades generales y aplicaciones potenciales. Varios conceptos clave son importantes para entender la química de superficies:

Energía superficial y tensión superficial

La energía superficial es la energía requerida para aumentar el área superficial de un material. Para los nanomateriales, una alta energía superficial es típica porque la proporción de átomos de superficie es mayor en comparación con los átomos a granel. La tensión superficial observada en líquidos es una manifestación de la energía superficial. Describe la energía necesaria para aumentar el área superficial de un líquido. La tensión superficial desempeña un papel importante en procesos como el mojado y la adhesión.

γ = F / L

Donde γ es la tensión superficial, F es la fuerza, y L es la longitud sobre la cual actúa la fuerza.

Mojado y ángulo de contacto

El mojado es la capacidad de un líquido para mantener el contacto con una superficie sólida. A menudo se mide por el ángulo de contacto, que es el ángulo formado en el punto de encuentro del líquido, sólido y aire. Cuanto menor sea el ángulo de contacto, mejor es el mojado.

Considere una gota de agua sobre una superficie plana:

θ < 90° (buen mojado)
θ = 90° (mojado neutral)
θ > 90° (mal mojado)

Reactividad química y catálisis

La reactividad de una sustancia puede ser bastante alta en la interfaz. Las nanopartículas a menudo sirven como catalizadores porque su alta superficie expone más sitios activos para reacciones. Esto las hace altamente eficientes en procesos como la hidrogenación, oxidación y otras reacciones químicas donde se requiere catálisis.

Química coloidal de los nanomateriales

La química coloidal trata con sistemas en los que las partículas finamente divididas están dispersas en un medio continuo. Los nanomateriales pueden funcionar como coloides porque su tamaño les permite permanecer suspendidos indefinidamente en líquidos o gases.

Estabilidad de los coloides

La estabilidad de los sistemas coloidales depende del equilibrio de fuerzas entre las partículas. Hay dos fuerzas principales involucradas:

  • Fuerzas de Van der Waals: Son fuerzas atractivas que pueden llevar a la agregación.
  • Fuerzas electrostáticas: Las cargas en la superficie de las nanopartículas pueden repelerse entre sí, evitando la agregación.

La estabilidad del agregado a menudo se describe mediante la teoría DLVO, que combina estas fuerzas para predecir si un sistema coloidal permanecerá estable o agregado.

Aplicaciones en medicina

Los nanopartículas coloidales se utilizan en la medicina para la administración de fármacos, imágenes y propósitos diagnósticos. Pueden ser diseñados para dirigirse a células o tejidos específicos, aumentando la efectividad de los tratamientos y reduciendo efectos secundarios.

Ejemplos y aplicaciones de interfaces de nanomateriales

Los nanomateriales tienen muchas aplicaciones debido a sus propiedades únicas en sus interfaces. Aquí hay algunos ejemplos:

Catalizadores nanoestructurados

Los catalizadores nanoestructurados aprovechan las grandes superficies y el aumento de la reactividad de la superficie. Por ejemplo, los nanocatalizadores de platino se utilizan ampliamente para mejorar la eficiencia de las reacciones en celdas de combustible.

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Esta reacción, impulsada por un nanocatalizador, produce agua y libera energía.

Electrónica y sensores

Las interfaces a escala nanométrica son vitales en el desarrollo de electrónica y sensores. El grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal, tiene propiedades eléctricas notables y se utiliza en aplicaciones como electrónica flexible y sensores extremadamente sensibles.

Aplicaciones ambientales

Los nanomateriales se utilizan para eliminar contaminantes del agua y el aire. Por ejemplo, los nano-adsorbentes pueden capturar metales pesados del agua, proporcionando una solución prometedora para agua limpia y segura.

Ejemplo visual: interacción de la luz con estructuras a nanoescala

Nanolámina Interacciones de luz

Este diagrama muestra cómo la luz interactúa con las nanoláminas, cambiando su color y propiedades ópticas debido a fenómenos como el confinamiento cuántico y los efectos plasmónicos.

Conclusión

Los nanomateriales y sus interfaces forman una frontera emocionante en la química, abriendo caminos para la innovación en una variedad de campos. Sus propiedades únicas de superficie, capacidades catalíticas y habilidades para interactuar con su entorno permiten numerosos avances tecnológicos. Las investigaciones en curso en este campo prometen revolucionar industrias que van desde la salud hasta la electrónica y la sostenibilidad ambiental.


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