sintesis de nanoparticulas de oxido de zinc por el metodo

UTEQ
Firmado digitalmente por UTEQ
Nombre de reconocimiento (DN): cn=UTEQ,
o=UTEQ, ou=UTEQ,
email=cmacias@uteq.edu.mx, c=MX
Fecha: 2015.07.21 09:19:26 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“CREMA CON NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE ZINC COMO
PROTECTOR SOLAR”
Empresa:
Universidad Tecnológica de Querétaro
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
NANOTECNOLOGÍA ÁREA MATERIALES
Presenta:
MARTÍNEZ PÉREZ MAURICIO
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Organización
Gerardo Vergara García
Gerardo Vergara García
Santiago de Querétaro, Qro. Julio del 2015
1
Resumen
Con el paso del tiempo, la piel es el órgano que esta la mayor parte del tiempo
expuesto al sol, por lo que se requiere de algún tipo de protección solar como lo
son las cremas bloqueadoras, motivo por el cual se desarrolló una investigación
para modificar estas cremas y poder tener una mejor protección solar. Durante
este proyecto se llevó a cabo la síntesis de nanopartículas (NP) de óxido de zinc
(ZnO) por medio de la técnica Sol-Gel, utilizando como precursor hidróxido de
sodio (NaOH), con el objetivo de obtener
ZnO a un tamaño de partícula
nanométrico. Por medio de un calentamiento no mayor a los 100 °C, a un
volumen de 50 ml en un matraz, mientras que como precursor se usó hidróxido
de sodio (NaOH), este se mantenía goteando con un volumen de 25 ml,
manteniendo una agitación magnética de 2hrs. Todo esto con el propósito de
agregarlas a una crema humectante comercial y de disminuir la absorción de los
rayos solares UV-UVA en las capas de la piel (Epidermis, Dermis e Hipodermis).
El procedimiento se llevó acabo en un periodo de cuatro semanas en el
laboratorio de Nanotecnología, en donde se sintetizaron las nanopartículas de
ZnO.
Finalmente se realizaron dos pruebas químicas para corroborar la
disolubilidad del óxido de zinc en ácidos y bases.
2
Description
This project was done at the UTEQ, in the Nanotechnology laboratory. The lab
equipment is in good condition but we do not have it complete. The lab is a big
and comfortable area, there are a lot of windows so it is well-lit and it is always
well ventilated. There are a lot of lab tables available to us and chairs. My advisor
is Gerardo Vergara García, he is tall and average weight. He has short black hair,
and big eyes. He is very strict, intelligent, responsible and sometimes he is
friendly.
3
Dedicatorias
A mi madre:
Con amor y cariño te dedico este trabajo, tú que fuiste la primera persona que
me cuidó cuando yo no podía hacerlo, dentro de mi esfuerzo y mis ganas de darte
lo mejor se encuentran todos tus grandes consejos y sabias palabras. Me has y
me sigues enseñando muchas cosas de esta vida, gracias mamá.
A mi padre:
Que me ha enseñado el lado dulce y amargo de la vida, a ti que siempre me has
apoyado en todo sin pedirme nada a cambio, ya que sin ello muchas cosas
importantes no hubieran sucedido. Las reglas, enseñanzas y tu invaluable
conocimiento con el que me has educado al final de cuentas me han permitido
finalizar exitosamente mi proyecto.
A mí querida hermana
Siempre estaré para ti apoyándote, ayudándote y preparándote para todo, tú eres
una de las principales personas por las cuales sigo de pie. Quiero que sepas que
cuentas conmigo para toda tu vida, aun así estando lejos, te apoyaré sin pensarlo,
nunca vas a estar sola.
4
Agradecimientos
Le agradezco a la universidad, la cual me ha dado oportunidades incomparables
y fundamentales para mi desarrollo en el campo laboral.
A todos mis maestros, muchas gracias por su dedicación, apoyo y empeño que
han puesto en toda mi estancia como TSU en la universidad. Gracias por el gran
compromiso que tiene con sus estudiantes.
Al Ing. Gerardo Vergara García por la lectura cuidadosa y por sus sugerencias
en este proyecto. Verdaderamente un profesor destacable dentro de la
universidad por sus acciones.
Especial agradecimiento a la maestra Martha Ramírez Cruz, admirable maestra
por su gran ayuda y apoyo durante toda esta etapa.
5
Índice
Resumen ............................................................................................................. 2
Description .......................................................................................................... 3
Dedicatorias ........................................................................................................ 4
Agradecimientos ................................................................................................. 5
Índice .................................................................................................................. 6
I. Introducción...................................................................................................... 8
II. Antecedentes ................................................................................................ 10
III. Justificación.................................................................................................. 14
IV. Objetivos ...................................................................................................... 15
V. Alcance ......................................................................................................... 16
VI. Análisis de Riesgos ..................................................................................... 17
VII. Fundamentación Teórica ............................................................................ 18
7.1.
Nanotecnología .................................................................................... 18
7.2.
Clasificación de los nanomateriales ..................................................... 18
7.2.1.
Nanocompuestos........................................................................... 19
7.2.2.
Nanotubos ..................................................................................... 19
7.2.3.
Nanopartículas .............................................................................. 19
7.3.
Técnicas de síntesis de los nanomateriales ......................................... 19
7.3.1.
Spray pirolisis ................................................................................ 20
7.3.2.
Chemical Vapor Deposition (CVD) ................................................ 20
7.3.3.
Molienda de partículas .................................................................. 20
7.3.4.
Método sol-gel ............................................................................... 20
7.4.
Características de los Óxidos .............................................................. 21
7.4.1.
7.5.
Propiedades específicas del ZnO (óxido de cinc).......................... 22
Radiación solar .................................................................................... 23
7.5.1.
Radiación ultravioleta A ................................................................. 24
6
7.5.2.
Radiación ultravioleta B ................................................................. 24
7.5.3.
Radiación ultravioleta C ................................................................. 24
VIII. Plan de Actividades ................................................................................... 25
IX. Recursos materiales y humanos.................................................................. 26
X. Desarrollo del Proyecto ................................................................................ 27
10.1. Recopilación de la información ............................................................. 27
10.2. Búsqueda del material .......................................................................... 27
10.3. Redacción de la memoria de estadía .................................................... 28
10.4. Primera revisión .................................................................................... 28
10.5. Primera Parte Experimental .................................................................. 29
10.6. Segunda Parte Experimental ................................................................ 35
10.7. Tercera Parte Experimental .................................................................. 36
10.8. Segundo taller de revisión .................................................................... 41
XI. Resultados obtenidos .................................................................................. 45
11.1. Análisis de los resultados ..................................................................... 46
XII. Conclusiones y Recomendaciones ............................................................. 48
XIII. Anexos ...........................................................................................................
XIV. Bibliografía ....................................................................................................
7
I. Introducción
En el sistema solar como su mismo nombre lo dice, existe una gran estrella con
el nombre de “SOL”, el cual nos irradia luz y energía en forma de calor con lo que
sin esto simplemente no habría vida en nuestro planeta tierra. (Ochoa, 2010)
Como el sol emite energía en una amplia gama de longitudes de onda, la energía
que recibe la Tierra se clasifica como: luz visible, que estimula la retina; infrarroja,
responsable de la sensación de calor y la ultravioleta; esta última se subdivide en
tres bandas: UVA, UVB y UVC. (Ochoa, 2010)
Dichos rayos solares son los principales causantes del envejecimiento de la piel,
quemaduras, manchas e inclusive enfermedades como el cáncer. Por esta razón,
se recomienda altamente utilizar algún tipo de bloqueador cuando la piel se
expone al sol, independientemente si va a ser por un corto o largo tiempo.
(Ochoa, 2010)
La radiación ultravioleta es la que más daño causa en la capa de la piel, es decir,
la epidermis, pues puede alterar las moléculas de ADN. Es importante tener en
cuenta la importancia del cuidado de la piel, ya que se puede tener repercusiones
graves si no se asiste de manera adecuada. (salud, 2003)
Según su modo de acción, los filtros solares se clasifican en: físicos, químicos y
biológicos. Los filtros químicos son compuestos orgánicos que absorben
radiación UV. Son sustancias sintéticas, es decir artificiales, y algunos al ser
8
absorbidos por el cuerpo pueden causar alergias y otros problemas de salud. (Sol
y protectores solares, s.f.)
Los filtros Físicos son de amplio espectro; retienen las radiaciones solares de la
zona del ultravioleta y también las del visible y las del infrarrojo. En ocasiones se
les denomina «ecran» (pantalla), y se utilizan para evitar tanto el eritema como
el bronceado. (Filtros solares; caracteristicas, tipos y requerimientos, s.f.)
Una innovación en el desarrollo de los protectores reside en el empleo de
pigmentos micronizados, con un tamaño de partícula entre 10 y 50 nm,
formulados en una base adecuada (crema, loción). Su mecanismo de acción no
ocasiona perturbación cosmética alguna es decir, no blanquean la piel. (Filtros
solares; caracteristicas, tipos y requerimientos, s.f.)
El objetivo de este trabajo es la obtención de nanopartículas de óxido de zinc,
una cantidad de 50gr por el método sol-gel, el cual consiste en tres pasos,
primero la creación del sol (solución liquida), el segundo paso es la formación del
gel (estado sólido) y por último el tercer paso es el secado de la muestra para
obtener polvos nanométricos.
Posteriormente realizar la incorporación de nanopartículas a una crema
comercial común, con el fin de potencializar y cambiar las características de la
crema, logrando las propiedades de un filtro solar físico para las personas con
piel muy blanca.
9
II. Antecedentes
Desde las primeras civilizaciones, los humanos han buscado la forma de
protegerse el cuerpo contra los rayos solares, ya sea con el uso de lodos, algún
tipo de barro, hasta llegar al uso de la piel de los animales, utilizada como un tipo
de vestimenta. Todo esto con la finalidad de evitar algún tipo de molestia, ya sea
quemadura o irritación de la piel debido a su exposición que presenta todos los
días con el sol.
A partir de la revolución industrial se incrementó exponencialmente los niveles de
contaminación en el planeta, por consiguiente existe un deterioro en la capa de
ozono y esto genera que mayor porcentaje de rayos solares penetren y afecten
a las personas. Según la Organización Mundial de la Salud, cada año en el
planeta se producen ciento treinta y dos mil casos de melanoma maligno (un tipo
de cáncer de piel peligroso) causado por la exposición sin protección de la piel
ante el sol, y mueren aproximadamente sesenta y seis mil personas por esta
razón (hoyrevista.com, párr. 1).
Inicialmente se presenta un problema llamado foto envejecimiento, que son los
daños causados por la exposición al sol, y que es acumulada durante toda la
vida. Para esta exposición diaria, se pueden considerar el uso de cremas, con los
ingredientes adecuados y aplicados de la manera correcta, pueden proteger la
10
piel. Algunas marcas reconocidas en la cosmética como NATURA ya han
incorporado filtros solares a sus productos, Paula Martínez1, dice:
“Nos liberan de una preocupación más respecto a nuestros cuidados. Al
maquillarnos con estos productos quedaremos automáticamente protegidas de
los rayos UV. Muchas veces salimos apuradas y nos olvidamos de aplicarnos
filtro solar que es tan importante, sobre todo, en estos días que los niveles de
radiación ultravioleta alcanzan niveles extremos. (natura.com.mx, párr. 4)
Esta opinión refleja la necesidad no solo de las mujeres, si no de las personas en
general para usar una crema con protección solar que disminuya la absorción de
los rayos ultravioletas. Por esta razón se ha desarrollado un campo de
investigación hacia productos innovadores como los bloqueadores para la
protección de la piel.
Actualmente existen tres tipos de bloqueadores. Están tanto los físicos
(minerales), los químicos y los biológicos (extractos de plantas). Los más seguros
son los físicos, en los cuales la mayoría de estos filtros solares tienen como base
el TiO2, que es el ingrediente activo, se considera de tipo físico, esto quiere decir
que la piel no absorbe el protector solar. Cuando poseen esta sustancia, actúan
como reflejantes de la luz. (Nall, 2013)
1
Paula Martínez gerente de marketing de la marca NATURA.
11
En diversos estudios se ha encontrado que el ZnO, viene del mineral zinc y es
un compuesto muy efectivo para bloquear los rayos ultravioletas. El ZnO es un
no comedogénico, lo que quiere decir que no contiene aceites que puedan
obstruir los poros de la piel, considerándolo como un nuevo filtro solar de tipo
físico debido a sus características particulares. (Dr.Lopez, 2014)
En cuanto a su efectividad, el ZnO tiene cierta ventaja sobre el TiO2. Este último
es eficaz contra los rayos ultravioleta tipo UV-B y los cortos UV-A, pero no es
igual de bueno como el ZnO, que protege incluso de los rayos ultravioleta
largos/cortos UV-A y UV-B. Por lo que la versatilidad del zinc para proteger de
diferentes tipos de rayos, lo convierte en un protector solar de mayor eficacia.
(Dr.Doris, 2014)
El ZnO a tamaño de nanométricos se logra incrementar sus propiedades de
reflejar o dispersar de radiación UV, de esta manera se estaría alcanzando a
brindar protección hasta de la luz en el rango visible. Por otra parte, también se
logra contrarrestar, en cierto nivel, la consistencia grumosa que tienen varios
fotoprotectores comerciales en la actualidad. (Hernández, 2013, págs. 15-17)
Por último, existen controversias de si las nanopartículas repercutirán
negativamente en la salud, absorbiéndose a través de los poros de la piel, pero
existen diversas investigaciones realizadas por el Comité Científico por la
Seguridad del Consumidor, de la Unión Europea, donde asegura que las
12
nanopartículas de ZnO no entran en el cuerpo a través de la piel. (COMMISSION,
2012)
El Comité Científico dice que: “la cantidad de iones de zinc que pueden ser
liberados de las nanopartículas de óxido de zinc y que pueden entrar en nuestro
cuerpo a través de la piel es insignificantemente pequeña, ya que diversos
estudios demuestran que estas nanopartículas no alcanzan el estrato córneo de
la piel como se muestra en la Imagen 1,2 (www.ecoticias.com, párr. 5)
Imagen 1.- Capa de estrato córneo en la piel y otras capas.
Finalmente
existen distintas formas de prevención y protección contra la
radiación del sol, otorgadas por diversas instituciones de salud como lo es la OMS
(Organización Mundial de la Salud), donde se recomienda evitar la exposición
solar entre las 12hrs y las 16hrs, el uso de gorras, gafas de sol, etc. (American
Cancer Society. 2014. , s.f.)
2
El Comité emite dictámenes sobre los riesgos para la salud y la seguridad (riesgos químicos, biológicos,
mecánicos y físicos de otro tipo).
13
III. Justificación
Debido a la contaminación que existe hoy en día, la capa de ozono presenta año
con año un deterioro, por consecuencia la protección que nos brinda contra los
rayos UV es menor con el paso del tiempo. Dando pie a enfermedades crónicas
en la piel, por la exposición al sol que esta presenta. Sobre todo a las personas
que presentan una tez clara o una piel muy blanca, ya que son las más afectadas
a la radiación. (Dr.Doris, 2014)
Por esta razón es importante el desarrollo e innovación de protectores solares
por medio de nanomateriales como lo son las NP de ZnO, las cuales presentan
propiedades superiores como protector contra diferentes tipos radiación,
logrando que se potencialicen las propiedades de una crema comercial,
brindando así una mayor protección a las personas de piel blanca y evitando los
residuos blancos que dejan los bloqueadores comunes.
14
IV. Objetivos
Tras estudiar los protectores solares disponibles en el mercado, queda claro que
elegir filtros químicos o el filtro de óxido de titanio no son buenos candidatos para
proteger la piel, por lo tanto el óxido de zinc demuestra ser el filtro solar más
recomendable ya que no hay efectos adversos conocidos, concluyendo con los
siguientes objetivos a desarrollar durante el proyecto:
Objetivo general:

Creación de una crema con filtro solar a partir de una crema humectante
comercial.
Objetivos específicos:

Elaboración de reporte de estadía.

Obtención de 50 gramos de nanopartículas de óxido de zinc en estado
sólido por medio de la técnica sol-gel, utilizando cloruro de zinc e hidróxido
de sodio como precursor.

Incorporación de nanopartículas a una crema humectante comercial

Comprobar cualitativamente el nivel de protección solar.
Todos los puntos anteriores, deberán cubrirse en su totalidad a más tardar el
día primero del mes Julio.
15
V. Alcance
En la actualidad, el desarrollar un proyecto cualquiera que este sea, implica una
serie de actividades, definiendo el tiempo para cada uno de ellas. En este caso,
dicho proyecto, considerando las actividades y limitantes que se presentaron,
todo se realizó en un periodo corto de tiempo. Las actividades tuvieron lugar en
la UTEQ, en el laboratorio del edificio de Nanotecnología (División Industrial).
Con el objetivo de obtener las NP de ZnO para la incorporación a una crema de
uso común, se realizaron únicamente pruebas cualitativas que permitieron
identificar las características que distinguen al ZnO, debido a la falta de equipo
para caracterizar las muestras, no se logró realizar pruebas cuantitativas para
una investigación más detallada.
16
VI. Análisis de Riesgos
Las limitantes de este proyecto son considerables, a continuación se presentan
cada una de estas:

Debido a un proyecto llamado MEXPROTEC de intercambio estudiantil a
Francia, el tiempo de atención a dicho proyecto fue reducido.

Falta de disponibilidad en el laboratorio.

Falta de equipo técnico para trabajar.

Calidad de los reactivos.

El tamaño de las nanopartículas no es el deseado.

No se obtuvo la cantidad establecida como resultado.
Por estos motivos fue necesario comparar los reactivos a utilizar, así como
algunos instrumentos básicos que se requerían para asegurar que el producto
final iba a tener una buena calidad y evitar alguna contaminación en las
nanopartículas y en la crema.
17
VII. Fundamentación Teórica
Para llevar a cabo un proyecto, es necesario realizar una investigación sobre los
temas que se ven involucrados, de esta manera poder obtener una base de
conocimientos generales acerca de los temas a tratar. A continuación se presenta
una recopilación de información, en donde se dan a conocer las bases teóricas
de los temas principales, para que los lectores adquieran una mejor comprensión
del proyecto.
7.1.
Nanotecnología
El prefijo nano en la palabra nanotecnología significa una millonésima (1x10-9).
La nanotecnología trata sobre las diferentes estructuras de la materia con
dimensiones del orden de una millonésima parte de un metro. Es un campo
interdisciplinarios y emergente en el cual se conjunta la física, la biología, la
química, la ingeniaría y las ciencias sociales. Su objetivo es entender,
caracterizar, manipular y explotar las características físicas de la materia a una
nanoescala, para generar innovaciones tecnológicas. (Charles P.Poole Jr, 2003)
7.2.
Clasificación de los nanomateriales
Los nanomateriales, presentan propiedades morfológicas más pequeñas que un
micrómetro en al menos una dimensión. Esto significa que puede haber
nanomateriales 1D, 2D Y 3D. La idea es sencilla, mucha de las propiedades de
los materiales depende de cómo se comporten los electrones que se mueven o
de como estén ordenados los átomos en la materia. (Albert Figueres, 2007)
18
7.2.1. Nanocompuestos
Son materiales formados por dos o más fases, donde una de estas fases tiene
uno de sus tres dimensiones en escala manométrica. Los polímeros son los más
utilizados para este tipo de nanocompuesto. (Castillo, 2012)
7.2.2. Nanotubos
Estos nanomateriales están compuestos en su mayoría a base de carbono y
silicio, son estructuras tubulares con un diámetro nanométrico. Son de una capa
o en su defecto de multicapas, algunos están cerrados por media esfera de
fulereno, que es una forma estable del carbono, de los cuales se pueden obtener
materiales más ligeros y resistentes, teniendo diversas aplicaciones. (Albert
Figueres, 2007)
7.2.3. Nanopartículas
Son partículas con sus tres dimensiones a escala nanométrica. Dependiendo de
su composición se pueden clasificar en carbonosas, metálicas, cerámicas y
poliméricas. (Albert Figueres, 2007)
7.3.
Existen
Técnicas de síntesis de los nanomateriales
diversas
técnicas
para
la
obtención
de
diferentes
tipos de
nanomateriales, en los cuales se divide en dos métodos: Físicos y Químicos, de
los cuales se dará una pequeña explicación de los principales ya que son los más
utilizados y en especial de la técnica Sol-Gel, ya que esta fue la que se utilizó
para la elaboración de las NP de ZnO.
19
7.3.1. Spray pirolisis
La técnica de “Spray Pirolisis” está basada en la descomposición de pequeñas
gotas submicrométricas de un aerosol, generados por dispositivos ultrasonidos
para la obtención de partículas nanoestructuradas en un sólo paso. Las gotas de
aerosol son convertidas en partículas nanoestructuradas a bajas, intermedias y
altas temperaturas (200-1000 ºC). (JongK.P, 2009)
7.3.2. Chemical Vapor Deposition (CVD)
Consiste en la descomposición de uno o varios compuestos volátiles, en el
interior de una cámara de vacío (reactor), en o cerca de la superficie de un sólido
para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada o de
nanopartículas. (C.Gómez-Aleixandre, s.f.)
7.3.3. Molienda de partículas
Esta técnica se desarrolla por medio de molinos de alta eficiencia; las partículas
resultantes son clasificadas por medios físicos, recuperándose las de tamaño
nanométrico. (Pineda, 2005)
7.3.4. Método sol-gel
El método sol-gel es un proceso químico en fase húmeda. Este método se utiliza
principalmente para la fabricación de nanomateriales (normalmente un óxido
metálico). Se parte de una solución química o sol que actúa como precursor de
una red integrada ya sea de partículas discretas o de una red de polímeros.
Los precursores típicos del proceso sol-gel son los alcóxidos metálicos y los
cloruros metálicos, que sufren varias reacciones de hidrólisis y poli condensación
20
para formar una dispersión coloidal, que luego de una polimerización lenta forma
un gel. (JongK.P, 2009)
Un gel puede ser creado cuando la concentración de la especie dispersa
aumenta. El solvente es atrapado en la red de partículas y así la red polimérica
impide que el líquido se separe, mientras el líquido previene que el sólido colapse
en una masa compacta. La deshidratación parcial de un gel produce un residuo
sólido elástico que se conoce como xerogel. Finalmente, este material es
completamente deshidratado y eventualmente tratado térmicamente en flujo de
gas para obtener el material nanoestructurado final.
El método sol-gel ha sido usado en los últimos años para preparar una amplia
variedad de materiales nanoestructurados. El método es atractivo porque
involucra procesos a baja temperatura, la alta pureza y homogeneidad en el
producto final. (Zanella, 2012)
7.4.
Características de los Óxidos
Un óxido es un compuesto binario que contiene uno o varios átomos de oxígeno
(presentando el oxígeno un estado de oxidación -2) y otros elementos. Existe una
gran variedad de óxidos, algunos de los cuales pueden encontrarse en estado
gaseoso, otros en estado líquido y otros en estado sólido a temperatura ambiente.
Casi todos los elementos forman combinaciones estables con oxígeno y muchos
en varios estados de oxidación. Debido a esta gran variedad las propiedades son
muy diversas y las características del enlace varían desde el típico sólido iónico
21
hasta los enlaces covalentes. Por ejemplo, son óxidos el óxido nítrico (NO) o el
dióxido de nitrógeno (NO2). (H.Leyman, 1993)
7.4.1. Propiedades específicas del ZnO (óxido de cinc)
El óxido de cinc es un compuesto químico de color blanco. Se le conoce también
como blanco de cinc. Su fórmula es (ZnO) y es poco soluble en agua pero
muy soluble en ácidos. Se halla en estado natural en la cincita.
Tipo de compuesto: óxido metálico (metal + oxígeno)
Se usa como:

Pigmento e inhibidor del crecimiento de hongos en pinturas

Pomada antiséptica en medicina.

Acelerador y activador para la vulcanización del caucho.

Pigmento protector de la radiación ultravioleta.

Actúa como una capa protectora para el cinc sólido, para que así éste no
se oxide fácilmente por tener un alto potencial de oxidación.
El ZnO cristaliza en la estructura hexagonal típica de la wurtzita donde los átomos
de oxígeno y zinc están organizados espacialmente de forma que los átomos de
O se sitúan en una estructura hexagonal cerrada, mientras que los átomos de Zn
ocupan el centro de la estructura hexagonal distorsionada. A continuación en la
imagen 2, se muestra un ejemplo de la estructura de la wurtzita. (Pereira, 2008):
22
Imagen 2.- Estructura hexagonal de la wurtzita.
Es un material semiconductor del grupo II-VI con un hueco de energía (energía
de Gap) Eg= 3.2 eV, cuando se dopa con metales de transición exhibe el
fenómeno ferromagnético a temperatura ambiente. También es un metal de
transición y un semi-metal que puede reaccionar con ácidos y bases generando
agua y sal. (Pereira, 2008)
Frecuentemente podemos encontrar un tamaño de entre 0.5 y 5 micras. Ya que
el óxido de zinc presenta propiedades intermedias entre los óxidos ácidos y
óxidos básicos, puede comportarse como ambos. Es un material semiconductor
tipo “n” intrínseco que cristaliza en el sistema hexagonal; es relativamente barato
y presenta una baja toxicidad, siendo muy efectivo en la protección contra los
rayos UV. (Pereira, 2008)
7.5.
Radiación solar
La radiación solar que llega a la Tierra se clasifica como: luz visible, que estimula
la retina; infrarroja, responsable de la sensación de calor y la ultravioleta (es una
23
radiación no ionizante, que abarca el intervalo de longitudes de onda de 100 a
400 nm); esta última se subdivide en tres bandas:
7.5.1. Radiación ultravioleta A
Representa cerca del 95% de la radiación UV que llega a la superficie terrestre.
Esta radiación es responsable del bronceado y del envejecimiento de la piel,
puede dañar el ADN de estas células (tiene una longitud de onda entre 315 y 400
nm). (OMS, 2003)
7.5.2. Radiación ultravioleta B
Representa solo un 0.25% de toda la radiación UV. Este tipo de radiación puede
causar daño directo al ADN de las células de la piel y son los causantes
principales de quemaduras por el sol (posee una longitud de onda entre 280 y
315 nm). (OMS, 2003)
7.5.3. Radiación ultravioleta C
Esta clase de radiación es la más peligrosa para el ser humano, sin embargo es
totalmente absorbida por la atmosfera terrestre (su longitud de onda se coloca
dentro de los 100 a los 280 nm). (OMS, 2003)
24
VIII. Plan de Actividades
Para poder tener una buena organización ya sea en una empresa, escuela,
proyecto, etc. Es necesario llevar a cabo actividades a seguir, que contenga un
tiempo estimado para la realización de cada una, con la finalidad de evitar
problemas que puedan causar una pérdida de tiempo, dinero, equipo, etc. En la
tabla 1 se presentan las actividades realizadas en el proyecto, con una breve
descripción.
Actividad
 Inicio de estadía
Fecha
Descripción
11 de Mayo de
2015
Del 12 al 18 de
Mayo de 2015
Del 19 al 21 de
Mayo de 2015
Del 18 de Mayo
al 26 de Junio de
2015
 3°parte experimental
Del 04 al 08 de
Junio de 2015
 Segundo taller de
revisión
22 de Junio de
2015
Toma de decisión del
proyecto a realizar.
Se realizó una investigación
de los temas relacionados.
Cotización y compra del
material a utilizar.
Transcripción de la
información conforme al
formato de memoria de
estadía.
Evaluación de los primeros
temas requeridos.
Síntesis de nanopartículas
por técnica Sol-gel.
Incorporación de
nanopartículas a crema
humectante.
Comprobación de la crema
con uso de celdas solares y
foco de luz negra.
Evaluación de los últimos
temas requeridos.
 Entrega de Memoria
Final
26 de Junio de
2015
Última revisión para la
aprobación de memoria.
 Recopilación de
información
 Búsqueda de
material
 Redacción de la
memoria de estadía
 Primera revisión
 1° parte experimental
 2° parte experimental
28 de Mayo de
2015
Del 22 al 29 de
Mayo de 2015
Del 01 al 03 de
Junio de 2015
Tabla 1.- Actividades realizadas
25
IX. Recursos materiales y humanos
El éxito de cualquier organización o actividad a desarrollar depende de la correcta
gestión de todos los tipos de recursos. Por eso es indispensable trabajar con el
equipo y el personal adecuado. Para lograr los objetivos establecidos en este
proyecto en particular, los recursos materiales y humanos, son un factor
primordial en la marcha del mismo.
Recursos materiales
Papel filtro
Hidróxido de sodio
Clavija
Plancha y Pesadora
.Socket
Horno de secado
Filtro solar FPS 50+
Agua destilada
Desarmador de Cruz
Agitador magnético (3cm)
Cinta de aislar
Vasos de precipitado
Pinzas de punta
Termómetro
Lentes con protección UV
Cloruro de zinc
Bureta graduada
Recursos humanos
Soporte universal y pinzas
Laboratorista de la división Ambiental
Matraz aforado
Laboratorista de nanotecnología
Lámpara de Luz UV banda “A”
Asesor de proyecto de estadía
Tabla 2.- Recursos Materiales y Humanos
26
X. Desarrollo del Proyecto
10.1. Recopilación de la información
Para dar inicio al proyecto, fue necesario realizar una investigación y recopilación
de toda la información necesaria, juntando los temas relacionados y consultando
cinco fuentes bibliográficas, siendo estas las más destacadas.
Para esta parte se tenía una estimación de tiempo de cinco días, la cual se
postergo ya que la recopilación de información nos llevó tres días más de lo
planeado, el motivo por el cual se a largo el tiempo fue debido a que se profundizo
en dicho tema ya que se vio en la necesidad de consultar diversas fuentes, (libros,
revistas, artículos científicos y páginas web).
Una vez concluida esta parte, se dio comienzo a la redacción del formato de
memoria de estadía.
10.2. Búsqueda del material
Debido a la falta de material en el laboratorio de nanotecnología y al mal estado
de los reactivos, fue necesario realizar una inversión para la adquisición de los
mismos. Para esto fue necesario cotizarlos en diferentes puntos de venta con la
finalidad de adquirirlos al mejor precio.
El material sobrante fue donado al laboratorio para sea utilizado en futuro por las
siguientes generaciones.
27
10.3. Redacción de la memoria de estadía
Al término de la primera parte que fue la recopilación de la información, se dio
inicio a la redacción del documento de memoria de estadía, tomando como
referencia la guía de memoria establecida por la UTEQ.
Este documento requiere de una redacción cautelosa y a la vez de una mayor
demanda de tiempo, debido a que se tiene que realizar una explicación detalla
de cada actividad realizada. De esta manera se puede dar a conocer todo el
trabajo que involucra el poder realizar un proyecto de estadía, principalmente en
la parte experimental ya que puede servir como guía para futuras investigaciones.
Todo este trabajo se llevó a cabo en un tiempo de doce semanas el cual fue
acatado en su totalidad, sometido a una serie de revisiones para la corrección de
algunos errores y así poder tener un documento aprobado por nuestro asesor de
estadía.
10.4. Primera revisión
En esta parte la redacción de la memoria de estadía fue analizada por el asesor
de estadía que corresponde. Se realizó una serie de evaluaciones para verificar
si se cumplieron con los primeros puntos establecidos, también de identificaron
los errores de redacción y se corrigieron posteriormente. Por otra parte se
corrigieron problemas de tipo de formato y algunas especificaciones.
28
10.5. Primera Parte Experimental
Tomando como punto de partida la síntesis de NP de ZnO, a continuación se da
una explicación detallada de todo el procedimiento que se llevó acabo en este
proyecto. El proceso sol-gel consta de varios pasos: mezclado, gelificación,
secado y sinterizado. En cada una de estas etapas hay muchos factores físicos
y químicos que hacen cada parte fundamental.
1.- Preparación y Montaje de equipo: Para comenzar, se prepararon los reactivos
a utilizar y el equipo de laboratorio como se muestra en la imagen 3, donde se
comenzó con las siguientes cantidades:

1Litro de Agua destilada

2 Matraces aforados de 50 ml y 25 ml

200 Gramos de Hidróxido de sodio

200 Gramos de Cloruro de zinc
Imagen 3.- Materiales para empezar a trabajar.
29
2.- Para comenzar, se prepararon dos soluciones: La primera de ellas consiste
en una solución a 0.1 M de hidróxido de sodio, en 100 ml de agua destilada con
0.3997gr de hidróxido de sodio, utilizando un matraz aforado y se agito hasta
disolver el hidróxido, como se muestra en la imagen 4:
Imagen 4.- Solución de Hidróxido de Sodio en agua destilada.
3.- Para la segunda solución, se necesitó una concentración de 0.5 M en 50 ml
de agua destilada con 3.40675 gr de cloruro de zinc. Se utilizó un matraz
aforado y se agito hasta disolver el cloruro, como se muestra en la imagen 5.
Imagen 5.- Solución del Cloruro de Zinc en agua destilada
30
4.- Para iniciar la técnica sol-gel, se realizó el montaje con dos soportes
universales, utilizando una pinzas de agarre para el termómetro con una
capacidad de 180°C max, y otra para soportar una bureta graduada de 50ml, una
plancha y un agitador magnético de 3 cm, como se muestra en la imagen 6.
Imagen 6.- Montaje terminado del todo el equipo.
5.- Posteriormente, se agregó la solución de hidróxido de sodio en un matraz de
un volumen de 250ml y se colocó sobre la plancha, ajustando el termómetro para
que quedara en contacto con la solución, como se muestra en la imagen 7.
Imagen 7.- Matraz con la solución de hidróxido de Sodio.
31
6.- En seguida, el hidróxido de sodio se sometió a un calentamiento por un tiempo
de 20min, hasta llegar a la temperatura de entre 80°C y 90°C. Como se muestra
en la imagen 8.
Posteriormente se inició una agitación constante de la solución, con uso de la
plancha y un agitador magnético de 3cm de largo, manteniendo una velocidad
regular para evitar que el imán llegara a estrella el matraz.
Imagen 8.- Hidróxido de Sodio entre 50°C y 90°C
7.- A continuación, en la bureta graduada se agregó la solución de cloruro de
zinc, con la ayuda de un embudo para evitar cualquier derrame de la solución y
se mantuvo en constante goteo por gravedad, aproximadamente entre 23 y 26
minutos, que fue el tiempo que tardo en precipitar tola la solución de cloruro a la
solución de hidróxido.
Mientras el goteo se realizó, se incrementó la temperatura hasta los 98°C
manteniéndola constante sin pasar los 100°C, se continuo con la agitación
magnética para incrementar la disolución de ambas.
32
En este paso se mantuvo la solución final por un tiempo de 15 min, con la
agitación y la temperatura indicada, tal como se muestra en la imagen 9.
Imagen 9.- Bureta graduada con la solución de cloruro de zinc.
8.- Una vez terminado el goteo, la solución resultante se mantuvo a una
temperatura de 98 - 98.5°C, junto con la agitación magnética controlada durante
un periodo de 2 horas. Con la finalidad de evaporar la mayor cantidad de agua
destilada, y así poder obtener la fase gelificada. Tal como se muestra en la
imagen 10.
Imagen 10.- Agitación y temperatura constantes por 2 horas
33
9.- Mas tarde, se generó una filtración donde se extrajo del matraz el residuo de
la solución después de terminar el tiempo de sintetizado, obteniendo una pasta
blanca, la cual se colocó en papel filtro durante un día aproximadamente, todo
esto para dejar que terminara de pasar el exceso de agua que aún contenía la
solución.
10.- La última fase de la técnica de sol-gel es el secado, que consiste en un
tratamiento térmico del Gel que se obtuvo. Dicho Gel, se llevó a un horno de alta
temperatura en los laboratorios de química, con la ayuda de la División de
Ambiental, ya que en nanotecnología no se cuenta con este equipo.
La muestra se mantuvo a una temperatura de 100 °C durante 5 horas, al final se
logró una evaporación completa del agua destilada presente, logrando la
obtención de un polvo blanco muy fino que son las nanopartículas de ZnO. En la
imagen 11 se presenta el resultado de la muestra después del tratamiento
térmico.
Imagen 11.- Polvo obtenido después del tratamiento térmico.
34
10.6. Segunda Parte Experimental
En esta segunda parte, se buscó una crema humectante comercial, que
generalmente son de uso común para cualquier tipo de público, que presentara
una coloración y aroma neutro, donde se realizó la incorporación de las NP. De
esta forma se obtuvo la crema con filtro solar.
1.- Para iniciar se eligió una crema humectante del a marca NIVEA, ya que es
una crema simple. Posteriormente se llevó a un calentamiento de 30°C a baño
maría, para poder realizar la incorporación de las NP de ZnO, como se muestra
en la imagen 12.
Imagen 12.- Resultado de la incorporación de nanopartículas en la crema.
Este paso de la parte experimental se realizó en un solo día ya que no fue un
procedimiento muy complejo y no se requiere de algún equipo especial. Cabe
mencionar que se realizó con los cuidados de higiene necesarios para evitar
contaminar la crema, como lo fue el uso de guantes y recipientes esterilizados
para la colocación de la crema.
35
10.7. Tercera Parte Experimental
La tercera parte experimental del proyecto, se realizaron una serie de pruebas
cualitativas para corroborar las propiedades del polvo blanco obtenido de la
síntesis Sol-Gel. Considerando el objetivo inicial que era la obtención de NP de
ZnO.
Debido a que no se cuenta con el equipo necesario para hacer pruebas
cuantitativas más específicas, así como el límite de tiempo en la estadía, se
realizó una serie de pruebas que se muestran a continuación, con una explicación
más detallada.
1.- Primera inspección visual
El primer resultado obtenido después del uso del horno de secado fue un polvo
completamente blanco y muy fino, considerando que una de las propiedades
físicas de las nanopartículas de ZnO es de ser un polvo fino y blanco, como se
muestra en la Imagen 13.
Imagen 13.- Polvo de óxido de zinc (nanopartículas)
36
2.- Primera prueba química
Se realizó una serie de pruebas químicas, con la finalidad de asegurar que en
realidad se había obtenido las NP de ZnO por medio de las características
químicas que estas poseen como la solubilidad.
El ZnO se trata de un óxido insoluble en agua y alcohol, pero de disuelve en
ácidos. En este caso, se utilizó 4 ml de ácido clorhídrico (HCl) en un vaso
precipitado, como se muestra en la Imagen 14, para verificar la propiedad de
disolución.
ZnO + 2 HCl  ZnCl2 + H2O
Imagen 14.- Propiedad de Disolución del ZnO en ácidos
3.- Segunda Prueba Química
Como ya se había mencionado anteriormente, otra característica es que el ZnO
presenta una insolubilidad a la presencia de agua.
37
Para esta prueba se utilizó un vaso precipitado, donde se utilizó 4 ml de agua
destilada como se muestra en la Imagen 15, para corroborar su propiedad
química.
Imagen 15.- Propiedad insoluble en presencia de agua
4.- Pruebas cualitativas con celdas solares
Por último, para poder comprobar si efectivamente se tenía la característica como
protección solar en los polvos obtenidos y en la crema, fue importante realizar
una serie de pruebas por medio de unas pequeñas celdas solares, las cuales
tienen una conexión integrada hacia un LED. Con la finalidad de analizar la
cantidad de luz que se obtenía de cada celda contra el mismo tiempo, es decir, 1
hora de exposición solar a medio día para las celdas utilizadas.
Se consideró como factor principal el Tiempo VS la cantidad de crema en cada
celda, la exposición al sol y la radiación de luz que se obtenía de cada celda
solar.
38
A continuación se presenta la tabla 3, la comparación de las pruebas que se
realizaron y sus resultados.
CELDA
1
2
3
4
5
Tiempo de exposición solar: 1 hora c/u de las celdas
CANTIDAD DE IMAGEN
RESULTADOS
CREMA
1 gota
La capa de crema
fue la más
delgada y se
mostró poca
protección contra
los rayos UV
2 gotas
Esta segunda
muestra es más
gruesa y presento
mayor protección
que en la primera,
aun así era débil
3 gotas
En la tercera la
protección UV fue
mucho más
notoria y más
fuerte a
comparación de
las otras.
4 gotas
En la cuarta celda
la capa es
proporcionalmente
más gruesa que
las anteriores y
presento una alta
efectividad contra
los rayos UV
Nano partículas
En la celda
número 5 se
aplicó solamente
nanopartículas,
presentando un
bloqueo completo
de los rayos UV.
Tabla 3.- Comparación de las muestras con celdas solares
39
Por último, se presentan los resultados de cada una de las celdas a la hora de
estar en ausencia de luz, para ver la potencia con la que iluminan cada una de
ellas, de acuerdo a la capa de crema que se les aplico y se mostraran en las
imágenes 16,17, 18 y 19 respectivamente.
De esta manera se pudo comprobar si la finalidad de la crema con protección
solar era realmente la deseada o no.
Imagen 16.- Celdas solares con la crema en diferentes cantidades de 1 a 4 gotas
respectivamente.
Imagen 17.- Celdas solares sin presencia de rayos UV
40
Imagen 18.- Celdas solares con 1 gota, 2 gotas y 3 gotas con orden de izquierda a derecha,
presentando diferencia en la iluminación.
.
Imagen 19.- Celda con 4 gotas de crema y celda 5 con nanopartículas, presentando mínima y
nula iluminación respectivamente.
10.8. Segundo taller de revisión
Como último taller, se dio una segunda parte de la revisión, con la finalidad de
verificar los errores corregidos la vez anterior y la aprobación de los temas a tratar
que estaban pendientes. Se realizó una serie de correcciones finales en la
redacción de la memoria para su aprobación final.
41
5.- Pruebas cutáneas
La prueba consistió en comparar la efectividad de la crema con NP de ZnO contra
una crema comercial de filtro solar, con un factor de protección solar (FPS) de
50+, como se muestra en la Imagen 20, irradiándolas con un foco de luz UV
Banda “A”, calculando, cualitativamente, la emisión de cada una.
Imagen 20.- Crema de protección solar FPS 50+
Se utilizó un foco ahorrador de luz negra, realizando una conexión con un socket,
una clavija y dos metros de cable, como se muestra en la imagen 21.
Imagen 21.- Instalación completa del foco ahorrador.
42
El foco utilizado presenta las siguientes especificaciones:

Emisión de luz ultravioleta banda “A”.

Emite entre los 365 nanómetros y 465 nanómetros.

61 mm de ancho.

137 mm de alto.

Foco ahorrador.
Posteriormente se aplicaron ambas cremas sobre el brazo ya que es una zona
muy expuesta a los rayos del sol, para que después se le irradie con luz UV banda
“A”.
Con la finalidad de comparar el nivel de protección solar, antes de aplicar ambas
cremas, primero se limpió con agua y jabón el área a utilizar. Después de eso, se
dispersaron 15 gramos de crema sobre el brazo izquierdo, como se muestra en
la imagen 22.
Imagen 22.- A la izquierda: crema con NP de ZnO. A la derecha: filtro solar FPS 50+
43
Al irradiar las cremas dispersadas sobre la piel con luz ultravioleta, los rayos de
energía provenientes del foco causaron un fenómeno físico llamado
fluorescencia, haciendo que las cremas tengan una absorción y una emisión de
esa misma energía, pero emitiéndola en una longitud de onda visible para el ojo
humano dentro del espectro electromagnético.
Como se muestra en la imagen 23, la muestra 1 tiene una menor fluorescencia
que la muestra 2, lo que nos indica, cualitativamente, que la muestra 2 tiene una
mayor efectividad contra los rayos UV banda “A”.
Muestra 2.Crema con
un FPS de
50+
Muestra 1.Crema con
NP de ZnO
Imagen 23.- Comparación de nivel de protección de ambas cremas en presencia de luz UV.
44
XI. Resultados obtenidos
Debido a las necesidades que existen hoy en día en la sociedad como tal y que
son atendidas a través de proyectos de investigación, desarrollo tecnológico e
innovación, el propósito de los resultados es el de resumir las observaciones
llevadas a cabo, de forma que proporcionen respuesta a las interrogantes de la
investigación. Una vez reunida y transcrita la información, se procedió a analizar
la misma, ligándola con los objetivos planteados desde un principio,
clasificándola a su vez como cumplida o no cumplida. En la tabla 4 se muestra
el condensado de los resultados.
Estatus
Objetivo general
Creación de un bloqueador solar a
partir de una crema humectante Cumplido
comercial.
Objetivos específicos
Elaboración de reporte de estadía. Cumplido
Obtención de 100 gramos de
nanopartículas de óxido de zinc en No cumplido
estado sólido
Incorporación de nanopartículas a
Cumplido
una crema humectante comercial
Comprobar cualitativamente
nivel de protección solar.
el
Cumplido
Tabla 4.- Condensado de los objetivos obtenidos
45
11.1. Análisis de los resultados
Dentro de cualquier proyecto que este sea, para lograr solucionar uno o varios
problemas de carácter general y/o científico que se tengan, es necesario
profundizar con la ayuda de las investigaciones para así entender su
comportamiento.
El análisis de resultados es la palabra clave que permite establecer un contacto
con la realidad, definiendo las causas y los motivos
de una manera más
detallada, para identificar por qué se logran los resultados deseados o no.
El simple hecho de no cumplir con algún objetivo es válido siempre y cuando los
análisis de resultados como lo es en este proyecto, muestran que después de
haber cumplido con todos los pasos requeridos, algunos objetivos se vieron
limitados a su conclusión, ya sea por la falta de equipos de laboratorio,
disponibilidad de tiempo, recursos económicos o actividades ajenas a este
proyecto.
Para todo lo anterior, se elaboró la tabla 4, concentrando cada uno de los
objetivos establecidos en el proyecto, dando una explicación de las causas por
los cuales se lograron cumplir estos objetivos y las razones por las cuales
algunos no se llegaron a lograr.
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Objetivo general
Creación de un
bloqueador solar a
partir de una crema
humectante
comercial.
Motivo por el cual si
se logró
La elaboración de NP
de ZnO y todo su
proceso fue exitoso
debido a la gran
dedicación que se tuvo
por parte de
compañeros y maestros.
Motivo por el cual no
se logró
Objetivos específicos
Elaboración de
reporte de estadía.
Gracias a la gran
dedicación que se le dio
por parte de los autores
y también a nuestro
asesor.
Obtención de 100
gramos de
nanopartículas de óxido
de zinc en estado sólido
Incorporación de
nanopartículas a una
crema humectante
comercial
Comprobar
cualitativamente el
nivel de protección
solar.
Se hicieron pruebas con
diferentes cálculos
estequiométricos pero
dadas las instalaciones
del laboratorio de
nanotecnología, no fue
posible por la escasa
vidriería que se tiene.
Para este objetivo,
dadas las condiciones
en ese momento del
laboratorio, el equipo se
vio forzado a realizar
pruebas cualitativas de
la crema.
Desde un principio, el
objetivo principal que se
llevó y que se tuvo
como una meta
inalcanzable ahora es
realidad.
Satisfactoriamente la
incorporación de NP de
ZnO fue exitosa.
Tabla 4.- Concentrado de análisis de resultados y motivos
47
XII. Conclusiones y Recomendaciones
El resultado que dio la síntesis de ZnO y su incorporación a una crema
humectante comercial fueron satisfactorios. Por otra parte, el participar en un
proyecto de intercambio estudiantil limitó en cuestión de tiempo el desarrollo de
este proyecto, acelerando las actividades a realizar en todo sentido. A la vez, el
no haber utilizado una técnica de caracterización con la ayuda de equipos más
adecuados para los valores apropiados a algunos de los objetivos específicos del
proyecto, sobrepasando nuestro alcance hacia un camino de investigación más
detallado y específico.
Por lo tanto, el proyecto se tuvo que ajustar a las condiciones actuales del
laboratorio para poder trabajar de una manera diferente. Consideramos que el
conocimiento en nanotecnología nos permitirá desempeñarnos académicamente
a nivel global ya que contamos con las bases necesarias para entender e
insertarnos en una cuestión de orden general, ya sea en la innovación, desarrollo,
procesos o equipo destinado a la manipulación de materiales de nivel general.
Este trabajo me sirvió para aprender de una manera adecuada el cómo se realiza
un proyecto de investigación para en un futuro tener una mejor noción a la hora
de realizar una investigación, los pasos que se llevan a cabo y la forma correcta
para realizarlo, de esta manera tengo una idea más formada del trabajo al cual
se enfrenta un verdadero investigador.
48
XIII. Anexos
49
50
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