UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

Les organosíliques són materials híbrids en què es combina una part inorgànica (xarxa d’òxid de silici) amb un fragment orgànic. Per les seves propietats químiques i gran estabilitat tèrmica i mecànica, l’ús d’aquests materials s’ha estès a una gran varietat de camps com l’òptica, l’electrònica, els sensors, les membranes o la catàlisi. La metodologia sol-gel és una de les estratègies més aplicades en la preparació d’aquests materials híbrids ja que el procés té lloc en condicions suaus que permeten preservar la part orgànica. Durant el procés sol-gel (Figura 1) les molècules d’aigua ataquen el compost precursor (hidròlisi) i els intermedis resultants condensen formant petites cadenes de polímer (oligòmers, sol) que després van creixent fins formar una xarxa tridimensional de cadenes polimèriques llargues que atrapen el dissolvent (gel). Al final del procés s’elimina el dissolvent per mitjà d’un tractament d’assecat tèrmic o mecànic fins a obtenir el polímer com una pols sòlida.
 

Figura 1: Procés sol-gel.

D’altra banda, l’estructuració a escala nanomètrica (1 nm = 10^-9 m) dels materials ha atret l’interès dels científics perquè permet no només un estudi exhaustiu de les seves propietats, sinó també la seva millora a través del control sobre l’estructura a nivell molecular. Aquest control es pot exercir mitjançant els processos d’autoorganització induïts per les forces intermoleculars que estableixen entre si els fragments orgànics del precursor durant la formació del material híbrid pel procés sol-gel. Aquest tipus de forces, com l’enllaç d’hidrogen, les hidrofòbiques, les interaccions electrostàtiques o l’apilament π, poden ser febles a nivell individual però quan ocorren en un gran nombre són capaces de dirigir eficientment la nanoestructuració en organosíliques.
 
En el nostre cas hem triat com a fragment orgànic director les molècules presentades a la Figura 2. Es tracta de precursors sol-gel derivats de sals de bis o trisimidazoli (vermell) que incorporen també grups mesitil (blau), unitats urea (verd) i cadenes alquilidèniques de diferent longitud (taronja).


Figura 2: Precursors orgànics utilitzats en aquest treball.

Amb tots ells s’han preparat organosíliques per hidròlisi i policondensació sol-gel en diferents condicions: àcides, bàsiques o neutres; en aigua o mescles amb dissolvents orgànics; i se n’ha estudiat el grau d’organització a través de diferents tècniques de caracterització (rajos X, microscòpia electrònica de SEM i TEM, espectre infraroig, adsorció de nitrogen i ressonància magnètica nuclear). Els precursors amb cadenes alquilidèniques curtes (I, III) van originar materials amorfs, és a dir, sense autoorganització. En canvi, els materials derivats de precursors amb cadenes llarguessí donaven lloc a materials híbrids amb nanoestructures més regulars. Els millors resultats es van obtenir amb el precursor IV (Figura 2), capaç d’induir un bon grau d’organització en totes les condicions assajades segons la difracció de rajos X, fins i tot en medi bàsic. A partir de les dades experimentals, s’ha proposat per les organosíliques derivades de IV una estructura de doble capa on el fragment orgànic director adopta una orientació tripodal amb les cadenes sense estar completament esteses formant capes hidrofòbiques separades de les capes hidrofíliques compostes pels siloxans (grups Si-O, Figura 3).


Figura 3: Organització proposada dins l’estructura de l'organosílica derivada del precursor IV.