• UABDivulga
13/01/2021

Noves pel·lícules amb disseny de bresca d'abella amb hidrofobicitat controlada

Film Poroso

Investigadors de la UAB i de la Universitat de Santiago de Xile (Xile) han desenvolupat una sèrie de films porosos amb estructura de bresca d'abella en els quals és possible controlar les propietats hidrofíliques, la microestructuración dels porus i la porositat d'aquests materials mitjançant un precís tractament tèrmic. Les propietats físicoquímicas d'aquests films poden ser modificades amb elevada precisió mitjançant un control exhaustiu del procés de autoensamblado de diferents polímers en bloc i el processament tèrmic.

Imatge sobre l'ordre i la dispersió de la grandària dels porus en el material polimèric després del tractament tèrmic

L'investigador de la UAB, el Dr. Fernando Novio, i un grup d'investigadors de la Universitat de Santiago de Xile i la Universitat Tecnològica Metropolitana (Santiago de Xile) han desenvolupat una sèrie de co-polímers en bloc (Block copolymers en anglès; BCPs) amb un disseny de bresca d'abella mitjançant una tècnica de autoensamblaje coneguda com a mètode breath figuri (BF). Per a la síntesi d'aquests materials s'han usat precursors macroiniciadores de poliestirè que s'han polimeritzat amb co-monòmers hidròfils (àcid alilmalónico, àcid itacónico i àcid acrílic) com segons blocs, o usant la tècnica de polimerització per radicals de transferència d'àtoms (ATRP). L'objectiu de la recerca ha estat estudiar la relació entre la composició/morfologia de la superfície dels materials obtinguts i les seves propietats hidrofòbiques.

Els BCPs han estat reconeguts durant molt de temps com a materials versàtils per al desenvolupament de pel·lícules de polímers porosos a causa de la seva capacitat de autoensamblarse en estructures periòdiques altament ordenades (esferes, làmines, cilindres i nanoestructuras complexes bicontinuas). Se sap que els BCPs exhibeixen segregació de microdominios amb una geometria complexa i periòdica sorprenent, la qual cosa ofereix infinites possibilitats d'enginyeria a nanoescala, i també per a la fabricació de membranes microporoses. La versatilitat dels BCPs els ha convertit en materials interessants per a produir sistemes micro-/nanoporosos amb potencial ús en catàlisi, nanolitografía, i òptica. La generació de patrons porosos mitjançant la tècnica BF s'ha desenvolupat en gran manera per a la fabricació de nous materials microestructurados funcionals. En aquest sentit, la grandària del domini del polímer, la separació entre dominis i el grau d'ordre s'utilitzen per a identificar l'impacte dels diferents paràmetres en el procés de autoensamblaje. La morfologia i la grandària del domini generalment es controlen ajustant la longitud de cada bloc del polímer, mentre que el pes molecular del copolímer defineix les dimensions absolutes del material. Es poden obtenir així superfícies hidrofòbiques i superhidrofóbicas ajustant la rugositat i la morfologia de la superfície.

En aquest estudi, el autoensamblaje dels polímers mitjançant la tècnica BF ha resultat en la formació de patrons microescalados en forma de bresca mitjançant la condensació de gotes d'aigua (formació de rosada) durant el procés. En aquest sentit, la variació de la hidrofilicidad d'algunes parts del polímer de bloc provoca diferents dispersions en el diàmetre del porus i l'entropia en la distribució dels porus en la superfície, com es va poder observar mitjançant microscòpies d'escaneig (SEM) o de forces atòmiques (AFM). Les propietats d'humectabilitat
dels materials obtinguts, abans i després de diferents tractaments tèrmics, es van analitzar sistemàticament, observant-se que existia un increment significatiu en l'ordre i dispersió de la grandària dels porus després del tractament tèrmic que afectava la hidrofilicidad de la superfície. D'igual manera, es van analitzar els efectes de la incorporació de grups funcionals polars en el bloc hidrofílic, la morfologia de la pel·lícula i la humectabilitat després del tractament tèrmic usant temperatures per sota de la temperatura de transició vítria (Tg). A més, es van examinar les propietats de la morfologia de la superfície, així com la grandària de porus, la rugositat i el gruix de la pel·lícula de polímer.

Films Porosos CPEsquema de l'autoensamblaje dels polímers amb la tècnica BF. Desprès del tractament tèrmic s'observava que existia un increment significatiu en l'ordre i dispersió dels porus que afectava la hidrofilicidad de la superfície.

Els resultats indiquen que les modificacions en la superfície indueixen canvis significatius en algunes de les propietats esmentades, la qual cosa indica que les microestructures tendeixen a autoensamblarse correctament, mostrant una superfície porosa i rugosa amb una grandària de diàmetre de porus que varia entre 1.0 a 4.0 μm i 230 nm de profunditat, aproximadament. Posteriorment, els angles de contacte amb l'aigua de les superfícies planes es van incrementar a valors majors de 90 °. Els resultats posteriors al tractament tèrmic van mostrar una millora notable de la qualitat i l'ordre dels porus dins de les pel·lícules, que van mantenir les propietats de la superfície hidrofòbica. Aquestes interessants propietats fan que aquest tipus de materials puguin ser considerats per a diferents usos potencials en electrònica o òptica, o com a polímers funcionals per a l'elaboració de biomaterials.
 
Aquest treball va ser possible gràcies a la col·laboració amb la Dra. Guadalupe Pizarro del Departament de Química de la Universitat Tecnològica Metropolitana (Xile).

Fernando Novio

Departament de Química.
Universitat Autònoma de Barcelona.
 

Referències

Pizarro G. del C., Marambio O.G., Jeria-Orell Manuel, Sánchez J., Oyarzún D.P., Martin-Trasanco R., Novio F. (2020) Morphological, optical and wettability characterization of honeycomb patterned films based on self-assembling copolymer under thermal annealing. Chemical Physics. May 2020;533:110715. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2020.110715

 
View low-bandwidth version