Tesis

Los óxidos mesoporosos son materiales nanoestructurados que presentan poros monodispersos organizados, de tamaños de entre 2 y 50 nm, y una elevada área específica (100 - 1000 m2/g). El método de obtención de estos materiales se basa en la combinación de reacciones sol-gel, que dan lugar al material inorgánico, y el autoensamblado de moléculas anfifílicas, que actúan como molde de los poros. La síntesis de films delgados de óxidos mesoporosos (FDMP) es un campo que ha avanzado significativamente en los últimos años, por su potencial para producir recubrimientos avanzados con nuevas aplicaciones ópticas, optoelectrónicas y catalíticas. Sin embargo, muchas características fundamentales para aplicaciones industriales, tales como el espesor, la porosidad, el índice de refracción, la interconexión entre poros y las propiedades de sorción de moléculas no se conocen en profundidad. La determinación de estas propiedades para diferentes óxidos mesoporosos es fundamental para utilizar estos materiales como bloques de construcción de estructuras más complejas.
En la primera parte de esta tesis se estudió sistemáticamente el rol de las variables de síntesis y procesamiento en el espesor, volumen poroso y tamaño de poro para FDMP de SiO2, TiO2 y en menor medida, de ZrO2. Los materiales obtenidos se caracterizaron mediante diferentes técnicas: MET, MEB, XRR, 2D-SAXS, y PEA. Estas películas porosas se modificaron mediante la inclusión de grupos funcionales orgánicos en la superficie de los poros, o nanopartículas de plata metálica en el interior de los poros, obteniéndose films híbridos orgánico-inorgánicos o materiales nanocompuestos metal@óxido, respectivamente. Luego, se estudiaron las propiedades ópticas y de sorción de los óxidos modificados obtenidos. De esta manera, se obtuvo un abanico de FDMP funcionales bien caracterizados para poder diseñar y construir materiales avanzados a partir del conocimiento de las propiedades particulares de cada capa.
En la segunda parte, se desarrollaron los métodos de síntesis y procesamiento necesarios para formar arreglos bicapa y multicapa utilizando FDMP. Se estudiaron sus propiedades ópticas, así como la sorción de vapores, y la reactividad selectiva frente a la post-funcionalización y reducción de iones metálicos. El conocimiento adquirido en films monocapa se utilizó para modificar selectivamente las capas de TiO2 en estructuras de dos o más capas de sílice y titania, de manera de obtener sistemas con funciones orgánicas y/o nano-objetos precisamente localizados en el espacio. La síntesis de multicapas formadas por óxidos alternados permitió obtener cristales fotónicos unidimensionales mesoporosos, con propiedades ópticas sensibles al entorno.
Las bicapas y multicapas poseen características propias de las capas individuales que las componen (tamaño y orden de los mesoporos, porosidad, índice de refracción), pero también ocurre una sinergia entre las capas, principalmente en relación a las propiedades de sorción de bicapas y multicapas formadas por films con diferentes tamaños de poro. Las capas con poros más pequeños regulan las propiedades de sorción-desorción de todo el sistema multicapa.
El control del orden en diferentes escalas (grupos funcionales superficiales, mesoporos ordenados, índice de refracción periódico en multicapas) implica el control de las características derivadas de la escala: propiedades de sorción, localización de nano-objetos en el espacio, y difracción de luz visible debido a la periodicidad en la macroescala. Los materiales sintetizados encuentran potenciales aplicaciones como recubrimientos antirreflectantes, sustratos para catálisis y para SERS y sensores basados en cristales fotónicos porosos, entre otras.