Formación de nanomateriales porosos a través de estrategias biomiméticas

Abstract

El trabajo presentado en este proyecto abarca el estudio, diseño y desarrollo de estrategias para controlar la formación de nanomateriales porosos y nanoderivados compuestos utilizando los procesos biológicos como fuente de inspiración. Los organismos vivos se sirven de materiales abundantes y baratos como los carbonatos y fosfatos cálcicos para fabricar sus esqueletos y estructuras de protección. Ninguno de ellos, sin embargo, sería reconocido en nuestra sociedad por tener propiedades mecánicas óptimas. Los organismos, por el contrario, consiguen transformarlos en materiales altamente organizados y optimizados para su función estructural, logrando excelentes propiedades mecánicas que podrían rivalizar con muchos materiales industriales. Es muy remarcable también que todo esto lo consiguen a temperatura ambiente a través de rutas de bajo consumo energético y responsables con el entorno. Por el contrario, los materiales de construcción industriales suelen obtenerse mediante procesos a elevadas presiones y temperaturas, y conllevan la generación de residuos. Un buen ejemplo son las espinas del erizo de mar. Formadas casi exclusivamente por carbonato cálcico, su dureza es un 80% superior al carbonato cálcico inorgánico puro, y similar a metales como el hierro o níquel. Al mismo tiempo tienen un menor coeficiente de rigidez que el mineral puro y por tanto mayor resistencia a la tracción. En este proyecto nos centraremos en la formación de fibras porosas de carbonato cálcico por sus potenciales aplicaciones en sensores, catalizadores, industria farmacéutica y alimentaria. En este sentido, algunas características claves de los procesos biogénicos son: un medio de reacción compartimentado, el uso de aditivos orgánicos como catalizadores y la incorporación de partículas orgánicas en la estructura del material. El entorno confinado se transforma en una poderosa herramienta para controlar la formación del material y su morfología. Además, las rutas de reacción por las cuales sucede difieren marcadamente de aquellas que ocurren en disolución libre. En los experimentos se han utilizado membranas porosas de policarbonato para reproducir este entorno restringido. Membranas de diferente tamaño de poro y diferentes proveedores fueron utilizadas para evaluar el efecto tanto de la restricción espacial como del recubrimiento químico superficial de la membrana. Se obtuvieron diferentes tipos de fibras según las condiciones experimentales y membranas utilizadas. La infiltración en los poros de la membrana se debe al efecto de capilaridad. Una fase amorfa del carbonato cálcico, bien estabilizada por confinamiento o por los aditivos solubles, se erige como la fase precursora del proceso de formación de las fibras. Un gran número de procesos industriales están controlados por aditivos orgánicos. En nuestro caso, los aditivos orgánicos solubles son conocidos por formar y alargar el tiempo de vida de fases amorfas de compuestos inorgánicos, lo que se traslada en un mayor control sobre el proceso de formación del material. Las rutas sintéticas vía precursores amorfos tienen numerosas ventajas sobre las tradicionales. Por ejemplo: altos rendimientos de reacción y la habilidad para moldear los futuros sólidos en casi cualquier forma. El ácido poliacrílico fue el escogido facilitando una gran infiltración en los poros de la membrana y menores tiempos de reacción. Al mismo tiempo parece favorecer la formación de calcita monocristalina sobre otros polimorfos, lo que demuestra la habilidad de los aditivos de no sólo catalizar la reacción sino también la variedad polimorfa. Algunas moléculas orgánicas no sólo juegan un papel catalizador durante las reacciones sino que finalmente aparecen incorporadas en la estructura del material. Estos materiales compuestos muchas veces muestran características y propiedades mecánicas muy superiores a sus homólogos puros. Con este objetivo, utilizamos partículas de poliestireno de distintos tamaños y funcionalidad química para incorporarlas en las nanofibras durante su crecimiento en el interior de la membrana. Por posterior calcinación obtuvimos las deseadas nanofibras porosas. En paralelo, experimentos con menor concentración de reactivos y partículas produjeron nanotubos huecos no porosos y mono-fásicos. Como resumen obtuvimos 3 tipos de materiales: nanofibras porosas, nanotubos huecos y nanofibras compuestas con partículas de poliestireno. La porosidad conseguida en fibras de 200nm de diámetro llegó hasta el 50%. Nanocilindros de igual diámetro fueron conseguidos con aproximadamente un 30% del diámetro interior hueco. Por último, mediante ensayos de nanoindentación de nanofibras compuestas con poliestireno revelaron valores un 50% menor en dureza y coeficientes de rigidez y elasticidad, pero mayor resistencia a la tracción, comparando con el mineral puro.