Efectos de nanoconfinamiento de agua en óxidos mesoporosos : de la simulación molecular al diseño y la síntesis de materiales - González Solveyra, Estefanía (2014)
En este trabajo de tesis se emplearon herramientas de simulación molecular clásicajunto con distintas estrategias de síntesis y caracterización para explorar la relación entrenanoconfinamiento y propiedades de agua en materiales mesoporosos. Los óxidos mesoporososson materiales que presentan poros monodispersos (2-50 nm) altamente ordenadosy de elevada área específica (100-1000 m2/g). La precisión con que pueden controlarse lasdimensiones, la interconectividad y la morfología de los poros en la escala nanométrica,da lugar a propiedades sumamente particulares, de interés en multitud de aplicacionestecnológicas: (foto)catálisis, sorción, sensores, biomateriales, involucrando casi todas ellasla inteacción con H2O. En base a ello, se decidió investigar los aspectos físico-químicosdel agua confinada en estos entornos, haciendo foco en fenómenos de equilibrio de fase (equilibrio líquido-vapor y sólido-líquido), estructura y transporte. Además de la motiva-ción tecnológica, estos sistemas son de interés desde el punto de vista fundamental, puesofrecen un modelo donde estudiar los efectos del confinamiento en la nanoescala. Se emplearon en primer lugar herramientas de simulación molecular de distinta escala (Dinámica Molecular atomística y coarse-grained), caracterizando el comportamientode agua confinada en matrices porosas de 1-8 nm de diámetro. De esta manera, fue posibledescribir, desde una perspectiva molecular, la estructura y dinámica del agua, suspropiedades ópticas, así como los diferentes mecanismos de llenado de los nanoporos ylos fenómenos de histéresis. También se logró una descripción microscópica del equilibriosólido-líquido en estos entornos altamente confinados. Se estudió la incidencia del radiodel poro, la filicidad y la rugosidad de las paredes sobre los fenómenos mencionados y enparticular sobre las isotermas de sorción. Asimismo, se recurrió a un esquema experimental para complementar los resultadoscomputacionales. Los óxidos mesoporosos se sintetizaron en forma de películas delgadasy xerogeles mediante estrategias de síntesis sol-gel y procesos de autoensamblado inducidopor evaporación, que combinan la polimerización del óxido inorgánico junto con elautoensamblado de moléculas anfifílicas, que actúan como agentes moldeantes del arregloporoso. Para la caracterización estructural de los sistemas sintetizados se utilizaron diver-sas técnicas: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Las propiedades de sorciónde agua en mesoporos fueron investigadas en películas delgadas obtenidas por spin y dipcoating, mediante Porosimetría Elipsométrica Ambiental y XRR. El aporte original de esta tesis reside en la complementación de técnicas experimentalesavanzadas con herramientas de simulación computacional para atender cuestiones de graninterés para la comunidad experimental pero de difícil elucidación dadas las limitacionesde resolución espacio-temporales de las técnicas actuales. Esta estrategia dual constituyeuna vía extremadamente poderosa para la descripción de fenómenos físicos y químicos enestos sistemas.