Introducción

El cobre (Cu) es uno de los pocos metales que se encuentran de forma natural en su estado elemental, lo que le confiere una importancia histórica, como posiblemente el primer metal utilizado por los seres humanos, debido a su fácil accesibilidad^1-3. Existen registros del Antiguo Egipto que documentan el uso terapéutico de minerales de Cu, como la malaquita (Cu₂(CO₃)(OH)₂) y el carbonato de cobre (Cu₂(CO₃)(OH)₂), para el tratamiento de infecciones y la cicatrización de heridas^2,4. En la actualidad diversas investigaciones han demostrado las propiedades antimicrobianas del cobre^5,6. Además, su eficacia antimicrobiana ha sido reconocida oficialmente por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA)⁷, subrayando la relevancia actual de este metal en la prevención y control de infecciones.

Este amplio interés por las propiedades biológicas y químicas del Cu ha impulsado el desarrollo de formas más avanzadas de este metal, como las nanopartículas de óxido de cobre (NPsCuO), que permiten un mayor control sobre su reactividad y funcionalidad. Estas NPs se emplean en diversas aplicaciones incluyendo actividades antibacterianas y antivirales^8-12, catálisis^{(11, 12)}, procesos fotocatalíticos^{(13, 14)}, y sensores¹⁵, así como en el diseño de vehículos para su administración controlada^8,9. En este último campo, parámetros estructurales como el diámetro de partícula y el área superficial desempeñan un papel crítico en la biocompatibilidad y el nivel de toxicidad asociado¹⁷. Por lo tanto, resulta fundamental controlar estas variables durante la síntesis de las NPsCuO a fin de optimizar su desempeño en aplicaciones biomédicas.

En la literatura científica se han reportado diferentes métodos de síntesis de NPsCuO como la síntesis guiada por sonoquímica¹⁰, sol-gel¹¹, microemulsión¹² y métodos de precipitación química¹³, los cuales permiten un control preciso del tamaño y la morfología de las nanopartículas¹⁴. Recientemente, los métodos de “síntesis verde” que emplean productos naturales han ganado terreno como enfoques ecológicos para la síntesis de NPsCuO. Estos métodos presentan la ventaja de ser sostenibles y menos contaminantes, aunque la cantidad de NPs que se puede producir suele ser limitada, lo que ha motivado la búsqueda de rutas complementarias. Prathap et al.¹⁵ y Nzilu et al.¹⁶, por ejemplo, sintetizaron NPsCuO utilizando sulfato de cobre pentahidratado (CuSO₄·5H₂O) como precursor en presencia de extractos vegetales aplicando Indigofera linnaei Ali y Parthenium hysterophorus como agentes bioreductores y estabilizantes. En el estudio de Prathap et al.¹⁵ se reportó un tamaño de cristalito de 113 nm determinado mediante la ecuación de Debye-Scherrer, y las NPs se aplicaron con éxito como agentes bactericidas frente a Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli y Enterococcus faecalis. Por otro lado, en el estudio de Nzilu et al., obtuvieron NPsCuO con un tamaño promedio de cristalito de 31.58 nm, destacando además la eficiencia de estas NPs en la degradación del antibiótico rifampicina, alcanzando una eficiencia de degradación del 98%.

Si bien los métodos verdes ofrecen una síntesis verde de NPsCuO el uso de CuSO₄·5H₂O como precursor constituye una alternativa atractiva para la producción a mayor escala, gracias a su simplicidad, bajo costo y capacidad de generar CuO de alta pureza con un uso mínimo de reactivos y tiempos de procesamiento reducidos^17,18. En este contexto, el presente estudio tuvo como objetivo sintetizar NPsCuO mediante precipitación química utilizando CuSO₄·5H₂O como precursor, con especial énfasis en el análisis de sus propiedades cristalográficas. Las NPsCuO fueron caracterizadas mediante técnicas como microscopía electrónica de barrido (MEB), espectroscopía de energía dispersiva (EDS), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía fotoelectrónica por rayos X (XPS). Los resultados confirman que este método permite obtener NPsCuO de alta pureza, lo que lo convierte en una opción viable y sencilla para diferentes aplicaciones biomédicas e industriales. Además, la caracterización cristalográfica realizada en distintos lotes demostró la reproducibilidad de las características cristalinas de este óxido, lo que añade valor a su viabilidad industrial.

Metodología

Síntesis de nanopartículas de óxido de cobre (NPsCuO)

Las NPsCuO se sintetizaron utilizando el método de precipitación química descrito por Luna et al.¹⁷, con algunas modificaciones. Se emplearon sulfato de cobre pentahidratado (CuSO₄·5H₂O, pureza ≥ 99.5%), hidróxido de sodio (NaOH, pureza ≥ 99.0%) y solución de amoníaco (25%) de grado analítico (Merck-Alemania). Inicialmente, se sometieron 200 mL de una solución 0.4 M de CuSO₄ a calentamiento en baño maría a 65 °C, manteniendo agitación magnética constante. A continuación, se añadieron 20 mL de una solución acuosa de amoníaco (12.5%), lo que dio lugar a la formación de un complejo de tetraamina de cobre(II) de color azul intenso. Posteriormente, se añadieron 25 mL de una solución 2M de NaOH a la mezcla para evitar un gradiente de pH elevado y favorecer la precipitación del hidróxido de cobre(II). El precipitado se filtró y se lavó repetidamente con agua destilada para eliminar las posibles impurezas y, a continuación, se secó en una estufa (Q317M-23, Quimis, Brasil) a 100 °C durante 3 h. Finalmente, las muestras secas se calcinaron a 600 °C en una mufla (BABERTHERM B 180, Alemania) durante 2 h, con una velocidad de calentamiento de 5 °C/min¹⁷. Las siguientes ecuaciones químicas (1) describen la secuencia de reacciones que conducen a la formación de las NPsCuO.

Caracterización de las NPsCuO

Las características morfológicas y la composición química de las NPsCuO se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) equipada con un espectrómetro de dispersión de energía (EDS) (Evo15, Zeiss, Alemania). Las muestras fueron recubiertas con una fina capa de carbono por pulverización catódica para mejorar la conductividad. El promedio de tamaño de partícula se determinó a partir de las micrografías MEB utilizando el software ZEISS SmartSEM.

Se empleó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) (Nicolet iS5, Thermo Scientific, EE. UU.) para identificar los modos vibracionales de los enlaces Cu-O y detectar posibles impurezas. Los datos espectrales se registraron en el rango de 4000 a 400 cm⁻¹, con una resolución de 4 cm⁻¹ y 64 barridos por espectro, utilizando la técnica de pastilla de KBr.

Los patrones de difracción de rayos-X en polvo se registraron por medio de un difractómetro X'Pert³ Powder (Malvern Panalytical, Países Bajos) bajo las siguientes condiciones: ánodo de cobre, radiación CuKα (λ = 0.15405 nm), operando a 45 kV y 40 mA, con un rango de 2θ de 10° a 90°, un tamaño de paso de 0.02° y un tiempo de conteo de 2.0 s por paso. El grado de cristalinidad (Xc) se calculó mediante la relación entre el área cristalina (Ac) y el área amorfa (Aa), según la Ecuación 2:

El refinamiento Rietveld de los espectros de XRD se realizó utilizando el software libre FullProf. Se empleó una función polinómica de quinto orden para modelar el fondo, y la forma de los picos se ajustó mediante el algoritmo pseudo-Voigt. Además, se utilizó el método de mínimos cuadrados como modelo de ponderación para el refinamiento, que se llevó a cabo hasta alcanzar el mejor ajuste entre los valores observados y calculados. La estructura cristalina de las nanopartículas de CuO se visualizó empleando el software VESTA^19,20.

La posición de los picos en los espectros de difracción refinados se empleó para calcular el promedio del tamaño de cristalita (tₕₖₗ) mediante los métodos de Scherrer y Williamson-Hall^21,22. Además, las microdeformaciones (ε) se determinaron utilizando el método de Williamson-Hall. Cabe resaltar que el método de Scherrer cuantifica el tamaño de cristalita (tₕₖₗ) sin considerar el efecto de las microdeformaciones inducidas en la red cristalina. Según la Ecuación 3, Scherrer estableció que el ancho total a media altura FWHM (β) varía inversamente con el tamaño de cristalito (tₕₖₗ).

Donde, K es un factor de forma, generalmente asumido como constante en 0.90^29,30, λ es la longitud de onda de los rayos X, y ϴ es la mitad del ángulo de Bragg (2θ), β y θ expresados en radianes.

Williamson-Hall. Este método determina el tamaño promedio de cristalita y las microdeformaciones mediante un ajuste de mínimos cuadrados lineal de los datos de difracción en la Ecuación 4.

Donde, ɛ cuantifica las microdeformaciones, β, θ, K, λ y tₕₖₗ corresponden a los términos definidos en la ecuación (3). La gráfica de β_hkl versus sin ϴ puede utilizarse para determinar t_hkl y ɛ. El valor de ɛ se calcula a partir de la pendiente, y el valor t_hkl se obtiene a partir de la intersección con el eje y.

La composición química superficial (~ 5 a 10 nm de profundidad) de las muestras se estudió mediante XPS, para lo cual los espectros se recogieron utilizando un equipo SPECS ProvenX-PS con un analizador de energía de electrones hemisférico PHOIBOS 150. Todas las medidas se realizaron a temperatura ambiente en condiciones de ultra alto vacío (<1x10^-9 torr). Los espectros generales se tomaron tanto con el ánodo de Al como el de Mg, con un paso de 0.4 eV. Los espectros individuales se tomaron con el ánodo de Mg, con un paso de 0.1 eV. Esta técnica permite medir las energías de enlace de los electrones fotoemitidos, lo que facilita la identificación de los elementos presentes y la determinación de sus estados de oxidación.

Resultados y discusión

La microscopía electrónica de barrido (MEB) permitió examinar en detalle la morfología superficial de las NPsCuO. En la Figura 1, como se observa, las partículas son predominantemente semiesféricas y se encuentran altamente aglomeradas. La aglomeración observada es típica en nanopartículas debido a la mayor energía superficial, que promueve la atracción entre partículas, en concordancia con estudios previos²³. El histograma de la distribución de tamaño de las NPs también se muestra en la Figura 1. El tamaño medio de partícula fue 124 nm.

Figura 1: Micrografía MEB de las nanopartículas de CuO, acompañada del histograma de distribución de tamaños. 

La Figura 2 presenta una micrografía MEB de las NPsCuO, junto con el espectro EDS y el mapeo elemental de Cu y O. El análisis EDS (Figuras 2b-2d) reveló una proporción atómica Cu:O de 49.8:50.2, cercana al valor estequiométrico esperado de 50:50²⁴. Los porcentajes de masa atómica obtenidos fueron 79.73% para Cu y 20.27% para O, valores que concuerdan con la estequiometría teórica de CuO (Cu 79.88% y O 20.12%). Por medio de los mapas de distribución elemental (Figuras 2c y 2d) se observa que el oxígeno (color naranja) y el cobre (color verde) se encuentran homogéneamente distribuidos en la muestra. Estos resultados confirman la formación de óxido de cobre (CuO) de alta pureza, descartando la presencia de fases secundarias como el óxido cuproso (Cu₂O).

Figura 2: Imagen MEB (a); análisis elemental EDS y espectro de dispersión atómica de las NPsCuO (b, c y d). 

El análisis FTIR (Figura 3) reveló enlaces característicos Cu-O. De acuerdo con la literatura, las bandas de Cu-O muestran su mayor intensidad en el rango de 500-700 cm⁻¹^6,17-19. Además, se ha observado una banda de baja intensidad alrededor de 1616 cm⁻¹, correspondiente a un modo de estiramiento simétrico de Cu-O¹⁷. En este trabajo, se observan bandas de mayor intensidad en el rango de 505 a 601 cm⁻¹, asignadas al estiramiento asimétrico de Cu-O^17,25-28. Las bandas FTIR identificadas en este estudio coinciden en gran medida con las reportadas en la literatura (Tabla 1).

Figura 3: Espectros FTIR de la muestra NPsCuO. 

Tabla 1: Bandas FTIR características del grupo Cu-O. 

La Figura 4 muestra el espectro de XRD de NPsCuO sintetizadas, en el rango de 20 a 90°, donde los picos observados en 32.73, 35.73, 38.95, 48.95, 53.77, 58.45, 61.75, 66.39, 68.31, 72.63, 75.47, 82.49 y 89.91° corresponden a los planos cristalinos (110), (11-1), (111), (20-2), (020), (202), (11-3), (31-1), (220), (311), (004), (31-3) y (13-1), respectivamente. Según el PDF n.º 00-048-1548, las posiciones de los picos coinciden con la fase monoclínica de CuO identificada como tenorita y grupo espacial C2/c, en concordancia con lo reportado en la literatura^17,29. Los resultados de los patrones de difracción de CuO revelaron un alto nivel de reproducibilidad de la ruta de síntesis propuesta en este trabajo, considerando que las muestras se obtuvieron con una cristalización completa de NPsCuO. El grado de cristalinidad (Xc), calculado mediante la ecuación (2), alcanzó un valor del 99.9%.

Figura 4: Patrones de DRX de muestras de NPsCuO calcinadas a 600 °C. 

Los resultados de XRD se utilizaron para obtener los valores de RF, RB, RWP, REXP, y Chi² mediante refinamiento Rietveld (Tabla 2 y Figura 5a). Estos valores reflejan la calidad del procedimiento de refinamiento y de las NPsCuO obtenidas. Cabe destacar que el factor R de Bragg (3.38%) está por debajo del umbral del 10% mencionado por Castro et al. (2019)³⁰ como criterio para una muestra adecuadamente refinada. El valor de Chi² (1.2) se encuentra dentro del rango de 1.0 a 1.3, por lo que se acepta como satisfactorio para un refinamiento de alta calidad³⁷, considerando la base de datos de la Crystallographic Open Database (COD ID 1011148). De acuerdo con los parámetros refinados, el CuO obtenido (tenorita, grupo espacial C2/c) tiene una proporción atómica de 1:1 entre O y Cu.

La Figura 5b muestra los valores de la distancia interatómica Cu-O (1.96 Å) y los ángulos de enlace Cu-O-Cu₁ (60.67°) y O₁-Cu₁-O₁ (154.57°), característicos del CuO³². No se identificaron otras fases de óxidos de cobre ni posibles impurezas, ya sea por una reacción incompleta del procedimiento utilizado o por contaminación indeseada.

Figura 5: Refinamiento Rietveld del espectro de difracción de rayos X (a); estructura cristalina indicando la disposición atómica y distancias y ángulos interatómicos (b). 

La Tabla 3 presenta los valores promedio del tamaño de cristalita (tₕₖₗ) calculados mediante los métodos de Scherrer y Williamson-Hall y el método de Rietveld. Los valores de tₕₖₗ fueron muy semejantes para los tres métodos: 22 nm según Scherrer, 20 nm según Williamson-Hall y 22 nm según Rietveld. Es importante mencionar que el método de Rietveld utiliza todo el patrón de difracción, el método de Scherrer solo considera los dos picos de mayor intensidad (ubicados en 35.0° y 39.0°), mientras que el método de Williamson-Hall emplea los tres picos de difracción de mayor intensidad. El ajuste lineal para el método de Williamson-Hall se muestra en la Figura 6. Dado que el ancho a media altura del pico (FWHM) está influenciado tanto por efectos instrumentales como por las características de la muestra, y solo el refinamiento Rietveld corrige estos factores, este último método se considera el más adecuado para calcular con precisión el tamaño de cristalita³⁸.

En cuanto a los valores de microdeformación (ε), al comparar el método Williamson-Hall (64 × 10⁻⁴, ε) con el refinamiento Rietveld (1.32 × 10⁻³, ε), se obtuvieron valores del mismo orden de magnitud. Los bajos valores de ε sugieren la presencia de pocas imperfecciones cristalinas, como dislocaciones, que pueden ser atribuibles al procedimiento de síntesis o a la ausencia de contaminantes³³. Nikam et al.³⁴ señalan que una microdeformación positiva indica deformaciones inducidas por estrés en la red cristalina. Esta observación refuerza que el método de precipitación química empleado en este estudio produce un polvo de alta pureza con una nanoestructura uniforme, lo que probablemente contribuye al bajo valor de ε observado³⁵.

Figura 6: Ajuste lineal para el cálculo del tamaño de cristalito mediante el método Williamson-Hall considerando los 3 primeros picos de difracción. 

A partir del espectro XPS de barrido general (Mg Kα) en el rango de 0-1100 eV, se confirma la presencia de Cu, O y C (Figura 7a). Del ajuste a la región Cu2p, en particular a la señal Cu2p3/2, se obtienen dos picos ubicados alrededor de 933.85 eV y 935.75 eV, atribuidos a CuO y Cu(OH)₂, respectivamente. Esto, junto con las señales shake-up satellite (Figura 7b) observadas alrededor de 942.7 eV y 962.7 eV, con una separación de 20 eV, indica la presencia de solo Cu²⁺ ³⁶. A su vez, el perfil de la señal Auger Cu LMM (Figura 7c), cuyo máximo se encuentra ubicado alrededor de 917.6 eV, confirma la presencia mayoritaria de CuO^37-39. Del ajuste a la región O1s (Figura 7d) se obtienen tres picos, ubicados alrededor de 530.10 eV, 531.93 eV y 533.54 eV, respectivamente. La señal a 530.10 eV se asigna a oxígeno proveniente de la red de CuO; a 531.93 eV, a grupos ^-OH; y a 533.54 eV, a H₂O adsorbida en la superficie⁽³⁶). Del ajuste a la región C1s (Figura 7e) se obtienen dos picos: el principal a 284.8 eV (pico de referencia de carbono adventicio) y otro pequeño a unos 288.12 eV. El primero se asigna a ^-CH y C-C, y el segundo podría asignarse a especies del tipo carboxílicas provenientes de contaminación superficial o ambiental^36,37.

Figura 7: Espectros XPS de NPsCuO; Cu2p(a); Auger CuLMM (b) y O 1s (b). 

Conclusiones

La ruta de síntesis propuesta para obtener nanopartículas de óxido de cobre(II) mediante el método de precipitación química en medio acuoso ha demostrado ser eficaz para la producción de materiales de alta pureza. Las nanopartículas presentaron morfología semiesférica y un tamaño promedio de 124 nm según MEB. La cristalización fue completa a 600 °C, confirmándose mediante DRX con formación de una fase monoclínica con grupo espacial C2/c. Los resultados del análisis de Williamson-Hall revelaron bajos valores de microdeformaciones demostrando así propiedades estructurales favorables. El refinamiento de Rietveld permitió una caracterización detallada de la estructura cristalina, mientras que el análisis por XPS detectaron la presencia mayoritaria de CuO. Finalmente, estos resultados destacan la viabilidad del método de precipitación química acuosa como un enfoque rápido, sencillo y escalable para la producción de CuO monoclínico de alta pureza, adecuado para su implementación a escala industrial, así como en diversas aplicaciones biomédicas.