Diseño y obtención de nanoarquitecturas químicas : síntesis y caracterización de nanopartículas metálicas soportadas en compuestos de inclusión de ciclodextrina

Abstract

Los prodigiosos descubrimientos e invenciones de la Nanotecnología, especialmente en el área de materiales nanoestructurados que marcan el progreso realizado desde fines del siglo pasado a esta parte en todas las áreas de la actividad humana, han generado un inmenso interés en la comunidad científica y el público en general. Este gran interés se basa en los estados cuánticos de estos materiales, que son tamaño-dependientes, conduciendo a nuevas propiedades fisicas y químicas, que difieren considerablemente del estado sólido y molecular. En especial, su ordenamiento estructural ha sido una motivación principal de estudio, debido a sus potenciales aplicaciones, como lo son la formación de películas delgadas auto-ensambladas y nanoestructuras de una y dos dimensiones (wires, scrolls, tubes, etc). El propósito de la presente Tesis, la cualya conjugado dos áreas de investigación científica, "Química Supramolecular y Nanotecnología" ha sido el diseño, síntesis fisica y caracterización estructural de ordenamientos hexagonales de nanopartículas metálicas estables de cobre, plata, oro y paladio soportadas en complejos de inclusión de aciclodextrina. El método fisico utilizado, denominado "Magnetron Sputter Deposition DC" consiste en depositar átomos metálicos provenientes de un cátodo sobre un sustrato o blanco (complejo de inclusión). Mediante la aplicación de una diferencia de potencial, que genera un gas altamente ionizado, se desprenden átomos metálicos, los cuales son depositados selectivamente sobre el complejo, permitiendo obtener nanopartículas metálicas ordenadas hexagonalmente sobre planos cristalinos del sistema macromolecular. Estos nuevos sistemas los hemos denominado "Sistemas SupraNanomoleculares". Finalmente, dichos sistemas se sometieron a un tratamiento térmico de alta temperatura (1000 °C), generando materiales metálicos de una- y dos dimensiones, los cuales fueron caracterizados por Microscopía Electrónica de Transmisión. Se sintetizaron y caracterizaron los siguientes complejos matriz-huésped: a-ciclodextrina/1-octanotiol, a-ciclodextrina/1-decanotiol, a-ciclodextrina/1- dodeçanotiol y a-ciclodextrina/1-octilamina. Los complejos estudiados se caracterizaron por presentar columnas infinitas de la matriz (estructuras tipo canal), dentro de las cuales se albergan linealmente los huéspedes, quedando expuestos fuera del plano (001) los grupos funcionales tiol y amina. Estos grupos han permitido modular selectivamente la depositación de las nanopartículas. Por otra parte, estudios de Microscopía Electrónica de Barrido, han evidenciado el cambio de morfología de la a-ciclodextrina, cuando interacciona con cadenas alifáticas para formar cristales hexagonales de complejos de inclusión. Una yez caracterizados los complejos, se procedió a su funcionalización, mediante la depositación selectiva de nanopartículas: oro, plata y paladio para el caso de aciclodextrina/alquiltioles y cobre para a-ciclodextrina/1-octilamina. A través de la caracterización de la Banda de Plasmón Superficial de cada nanopartícula metálica (10 nm de diámetro aproximadamente), fue posible determinar el tiempo óptimo de exposición de los microcristales supramoleculares al método físico utilizado en esta tesis. Los tiempos óptimos son 15 s, 40 s, 55 s y 60 s para oro, plata, paladio y cobre respectivamente. Los diámetros, distribuciones de tamaño, distancia ínter-partícula, morfología, naturaleza y selectividad de adhesión, fueron determinadas por medio de estudios de Microscopías electrónicas. Dichos estudios revelan el crecimiento epitaxial de las nanopartículas en el plano (001) del cristal, con tamaños promedios de 5 nm aproximadamente. Una investigación realizada a la a-ciclodextrina pura interaccionando con oro muestra la obtención de estrellas de oro, las cuales se generan presumiblemente, por la cohesión del material metálico depositado sobre el sustrato, el cual se agrupa en un cierto porcentaje con estructuras canales hexagonales. Dicho ordenamiento es propicio para la nucleación del metal, generando así, las microestrellas. El método utilizado permitió la síntesis de una variedad de nanopartículas metálicas, depositadas hexagonalmente sobre un cristal supramolecular. Siendo precursores de materiales metálicos de una- y dos dimensiones, con potenciales aplicaciones en nanoelectrónica.

The prodigious discoveries and inventions in nanotechnology, especially in the area of nanostructured materials that marks the progress made since the end of last century to this part in all areas of human activity, have generated an immense interest in the scientific community and the general public. This great interest is based on the quantum states of these materials, which are size-dependent, leading to new physical and chemical properties that differ considerably from the solid state and molecules. In particular, the structural arrangement has been a primary motivation for study, because of potential applications, such as the formation of thin films and nanostructures self-assembled one-and two-dimensional (wires, scrolls, tubes, etc). The purpose of this thesis, which combined two areas of scientific research, "Supramolecular Chemistry and Nanotechnology" has been the design, physical synthesis and structural characterization of hexagonal systems of stable metal nanoparticles of copper, silver, gold and palladium supported on a-cyclodextrin inclusion complexes. The physical method used, called "DC Magnetron Sputter Deposition" is to deposit metal atoms from a cathode on a substrate or target (inclusion complex). By applying a potential difference, which generates a highly ionized gas, flow metallic atoms, which are selectively deposited on the complex, allowing obtaining metal nanoparticles ordered hexagonal crystal planes of the macromolecular system. These new systems we call the "Supra-Nanomolecular Systems". Finally, these systems were subjected to heat treatment at higher temperature (1000 ° C), generating metallic materials of one and two dimensions, which were characterized by transmission eleciron microscopу. he following host-guest complexes were synthesized and characterized: a-cyclodextrin/1-octanethiol, a-cyclodextrin/1-decanethiol, a-cyclodextrin/1- dodecanethiol and a-cyclodextrin/1-octylamine. The complexes studied are characterized by infinite columns of the host (channel-like structures) within which are housed guests linearly, being exposed outside the plane (001) the thiol and amine functional groups. These groups have allowed selectively modulate the deposition of nanoparticles. Moreover, studies of scanning electron microscopy, revealed the change of morphology of the cyclodextrin, when interacts with aliphatic chains to form hexagonal crystals of inclusion complexes. Once characterized complexes, we proceeded to their functionalization through the selective deposition of nanoparticles: gold, silver and palladium in the case of acyclodextrin/alkylthiols and copper x-cyclodextrin/1-octylamine Through the characterization of the surface plasmon band of metal nanoparticles (10 nm in diameter), it was possible to determine the optimum time of exposure of the microcrystals supramolecular physical method used in this thesis. The optimum time is 15 s, 40 s, 55 s and 60 s for gold, silver, palladium and copper respectively. Diameters, size distributions, distance inter-particle, morphology, nature and selectivity of accession, were determined through studies of electron microscopy. These studies reveal the epitaxial growth of nanoparticles at (001) crystal with average size of about 5 nm. An investigation of the pure a-cyclodextrin interacting with gold, shows the obtaining of gold stars, which are generated presumably by the cohesion of the metallic material deposited on the substrate, which is grouped in a certain percentage of hexagonal channel structures. This arrangement is conducive to the nucleation of the metal, thus generating the microstars. The used method allowed the synthesis of a variety of metal nanoparticles deposited on a hexagonal crystal supramolecular. As precursor of metallic materials of one and two dimensions, with potential applications in nanoelectronic devices.