Nuevo material compuesto inteligente

Láminas de un nuevo material compuesto inteligente, de espesor nanométrico.

A partir de una mezcla de polímero orgánico flexible, el difluoruro de polivinilideno (PVDF) con un polímero de coordinación (PC) monodimensional que emite luz en la zona cuando es estimulado con luz ultravioleta (compuesto luminiscente), investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han logrado diseñar un nuevo material compuesto más resistente, flexible e inteligente. Las láminas de este material pueden obtenerse desde unas cuantas micras de espesor hasta unos cuantos nanómetros en función del método que se emplee para obtenerlas. El hallazgo permitirá crear nuevos sensores de presión y temperatura con aplicaciones industriales.

Figura 1 (A): formación de láminas del nuevo material compuesto mediante la mezcla en proporciones y condiciones adecuadas del polímero de coordinación (amarillo) y la matriz orgánica (incolora). (B) espectro de emisión del nuevo material compuesto que muestra como la intensidad de la emisión aumenta al bajar la temperatura exterior. (C) Imágenes de espectroscopia electrónica de barrido que muestra el espesor de una de estas láminas y (E) difractograma de rayos X de polvo que nos asegura que dentro de la matriz orgánica esta nuestro polímero de  coordinación.

La creación de materiales compuestos no es nueva, se obtienen mediante la mezcla de uno o varios dopantes con un polímero orgánico que actúe como matriz. En general estos materiales presentan las propiedades mecánicas del material orgánico y, a la vez, presentarán las nuevas propiedades del dopante que les pueden proporcionar utilidad en diversos campos industriales.

Estos materiales podrían permitir, por ejemplo, que un simple trozo del material compuesto pueda decirnos, a golpe de vista, la temperatura de una cámara frigorífica o la presión en el interior de una tubería.

Interesantes propiedades

En el nuevo material hemos utilizado un polímero de coordinación (PC), que son unos compuestos con estructuras infinitas formados por centros metálicos y fragmentos (tanto orgánicos como inorgánicos) que actúan como ligandos.

Los PCs con cadenas dobles de cobre(I)-halógeno en forma de escalera, se comportan como muelles elásticos al exponerlos a estímulos físicos, como presión y temperatura; o químicos, como a vapores de compuestos orgánicos volátiles, debido a la gran flexibilidad de esta doble cadena. Gracias a este comportamiento estímulo-respuesta, estos compuestos son unos excelentes dopantes para crear nuevos materiales híbridos.

Figura 2; Izq. Muestra un ejemplo de una cadena doble en forma de zig-zag de un polímero de coordinación de cobre (I) monodimensional y su representación como un muelle.  En el centro tenemos su cambio de color en función del a temperatura. A la derecha   vemos un esquema de su cambio de color con la presión. Este tipo de  compuestos responden a estímulos cambiando sus propiedades.

Ahora, el Grupo de Nanomateriales del Departamento de Química Inorgánica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), con el apoyo de investigadores del CSIC, la Universidad de La Laguna y la Universidad de Valencia, han publicado en la revista Chemical Science un nuevo material híbrido inteligente de espesor nanométrico con resistencia y flexibilidad, que podría usarse en sensores de presión y temperatura, tanto en instalaciones industriales como en embalajes.

Equipo de trabajo

El nuevo nanomaterial se obtiene embebiendo nanofibras de un polímero de coordinación de cobre(I)-yodo, con 2-aminoisonicotinato de metilo como ligando terminal, en una matriz de difluoruro de polivinilideno (PVDF).

Lo estudios sobre este PC muestran que posee una estructura de doble cadena monodimensional de cobre y yodo, que le confiere semiconductividad eléctrica, y una llamativa luminiscencia al irradiarlo con luz ultravioleta de baja energía.

A temperatura ambiente, el compuesto no presenta ningún tipo de emisión, pero al enfriarse hasta -196 °C (la temperatura del nitrógeno líquido) resplandece con un intenso color amarillo, (ver video adjunto) regresando a su estado anterior conforme vuelve a temperatura ambiente. Sin embargo, al someter el compuesto a presiones de gigapascales (un gigapascal equivale a aproximadamente diez mil veces la presión atmosférica), la emisión desaparece por completo, también de forma reversible. Ambos fenómenos se deben a cambios en las interacciones de los centros de cobre, como consecuencia del comportamiento tipo muelle de la doble cadena.

El PC en sí es muy sencillo de obtener, ya que la mezcla de yoduro de cobre disuelto en acetonitrilo con 2-aminoisonicotinato de metilo disuelto en etanol conduce a una reacción instantánea con la consecuente formación del PC en forma de nanofibras, con longitudes de micras y unos 5 nanómetros de espesor, equivalentes al apilamiento de 8 cadenas monodimensionales sencillas. Para conseguir la formación de los composites como nanoláminas es necesario partir de estas nanofibras, ya que su tamaño determinará el espesor mínimo de la lámina final.

La preparación de las nanoláminas de material híbrido se llevó a cabo dispersando las nanofibras del PC en una disolución del PVDF en dimetilformamida (DMF), y depositando la suspensión resultante sobre óxido de silicio por spin-coating (recubrimiento por rotación a grandes velocidades, superiores a 1000 rpm) o por inmersión o dip-coating. Todas ellas son homogéneas y comparten las propiedades termoluminiscentes del PC original.

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Referencia bibliográfica:

  1. Conesa-Egea, N. Nogal, J. I. Martínez, V. Fernández-Moreira, U. R. Rodríguez-Mendoza, J. González-Platas, C. J. Gómez-García, S. Delgado, F. Zamora, P. Amo-Ochoa. Smart composite films of nanometric thickness based on copper–iodine coordination polymers. Toward sensors. Chem. Sci. 2018, 9, 8000-8010. DOI: 10.1039/c8sc03085e.

 

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