05.11.2020 - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Nano recubrimientos con muchas funciones

Los científicos de materiales sintetizan por primera vez copolímeros de gradiente a nanoescala con propiedades contradictorias

Los materiales que tienen simultáneamente propiedades contrastantes - por ejemplo, son blandos por un lado y duros por el otro, la transición es gradual - podrían permitir aplicaciones completamente nuevas como lentes anti-reflejantes graduales. En la naturaleza, tales propiedades de fusión son de hecho comunes, por ejemplo en los mejillones o en el ojo humano. Los científicos de materiales de la Universidad de Kiel han utilizado este principio para desarrollar nuevos materiales a nanoescala. Han logrado producir películas finas de copolímeros ultra finos con propiedades que varían gradualmente. Como recubrimientos multifuncionales, podrían permitir aplicaciones ópticas y electrónicas complejas en formato miniatura, por ejemplo para la microelectrónica.

Propiedades de los materiales inspiradas en la naturaleza

Los mejillones pueden adherirse tan firmemente a las piedras o a los muelles que no pueden ser desprendidos por la corriente marina. Para que los tejidos blandos del interior del caparazón del mejillón se acoplen de forma estable a la superficie dura de una piedra, los mejillones forman hilos adhesivos elásticos, por ejemplo, que se van endureciendo continuamente hacia el final. Esto se debe a la mezcla de proteínas que cambia uniformemente de un extremo a otro dentro de la fibra.

Basándose en este principio de la naturaleza, los científicos de materiales en Kiel desarrollan materiales delgados únicos con propiedades de fusión similares, las llamadas películas delgadas de gradiente. "Para lograr esto, combinamos dos materiales con diferentes propiedades a nivel nano", explica Stefan Schröder. Es el primer autor del estudio y actualmente está haciendo su doctorado en la Cátedra de Materiales Multicomponentes. El estudio muestra una manera de sintetizar por primera vez gradientes tales como películas de polímeros ultrafinos. Schröder y sus colegas combinaron el politetrafluoroetileno (PTFE, más conocido bajo el nombre comercial de "Teflón") con el polímero PV3D3. La combinación de materiales resultante podría utilizarse, por ejemplo, para revestir aviones, refrigeradores o frentes de vidrio para facilitar su descongelación.

Para ello, Schröder y sus colegas aprovecharon las diferentes propiedades de los dos polímeros: El teflón no sólo es conocido por sus propiedades antiadherentes, su superficie también es hidrofóbica. Por lo tanto, lo ideal es que las gotas de agua se desprendan inmediatamente o se congelen sólo ligeramente, lo que también facilita la eliminación del hielo. Pero el teflón en sí mismo es difícil de aplicar a otras superficies. El PV3D3, por otro lado, se caracteriza por sus buenas propiedades adhesivas. Al combinar gradualmente los dos materiales a nivel nano, el equipo de investigación pudo unirlos en una transición suave. Por un lado, la unión es particularmente buena, y por otro lado, se conservan diferentes propiedades. El resultado es un material de revestimiento con una parte superior repelente al agua y una parte inferior bien adherida.

Los revestimientos de polímero fino - no son tan fáciles de producir

Pero revestir las superficies con polímeros de forma controlada no es tan fácil. Ya existen procesos establecidos de deposición de vapor o de pulverización para el revestimiento con metales o materiales cerámicos, que también se han utilizado a gran escala industrial durante décadas. Sin embargo, los polímeros no pueden ser simplemente vaporizados o pulverizados sin descomposición. La científica estadounidense Karen K. Gleason ofrece un remedio con la técnica de deposición química por vapor iniciada (iCVD) que desarrolló a mediados de la década de 1990 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), donde Schröder pasó una estancia de investigación en 2017.

"En este proceso, un gas es alimentado junto con un gas iniciador en una cámara de reacción en la que se encuentra una superficie de sustrato. El calor hace que se rompan los enlaces químicos del iniciador y que comience una reacción en cadena", explica el supervisor del doctorado, el profesor Franz Faupel, titular de la Cátedra de Materiales Compuestos y miembro del área de investigación KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) en la CAU. De esta manera, una fina película polimérica "crece" en la superficie del sustrato a partir de los gases introducidos.

Los científicos de materiales de Kiel fueron un paso más allá. Utilizaron el proceso iCVD no sólo para crear una fina capa de polímero, sino que también unieron simultáneamente dos polímeros en una transición gradual. Después de introducir el monómero V3D3, añadieron el material de partida para la deposición de PTFE y aumentaron continuamente su concentración. Al mismo tiempo, disminuyeron la de V3D3, de modo que ambos forman una película de polímero en el sustrato con una transición gradual de un polímero puro de PV3D3 a una película de PTFE puro a partir de la superficie del sustrato.

Una nueva clase de nanomateriales de gradiente orgánico

Durante la técnica de iCVD, numerosos procesos tienen lugar en paralelo. "Si se modifican parámetros individuales como la temperatura del sustrato o la presión del gas monómero en el reactor, el material final adquiere diferentes propiedades. Sin embargo, encontrar los parámetros adecuados para las propiedades deseadas es muy complejo", explica Schröder. Por lo tanto, equipó el sistema convencional de iCVD de su silla con un espectrómetro de masas cuadrupolar de fuente abierta de iones. Permite la observación de los procesos en la cámara de reacción in situ y ajustar la composición de la mezcla de gases del iniciador y de los dos monómeros al mismo tiempo.

Gracias a este control de alta precisión, el equipo de investigación pudo sintetizar una capa de gradiente polimérico de sólo 21 nanómetros de espesor. Para comparar: el cabello humano tiene un diámetro de unos 50.000 nanómetros. Anteriormente, sólo los gradientes macroscópicos habían sido posibles. "Una película de gradiente tan fina es prácticamente un récord mundial y prácticamente una nueva clase de nanomateriales de gradiente orgánico", dice el Dr. Thomas Strunskus, investigador asociado del grupo de trabajo. "Especialmente para las aplicaciones en óptica, los revestimientos de sólo unos pocos nanómetros son cruciales para no perjudicar las propiedades ópticas de las ventanas o las lentes, por ejemplo". Los primeros proyectos con socios industriales del sector de la tecnología de los revestimientos y el aire acondicionado ya están en preparación.

Las posibles aplicaciones van desde la microelectrónica y los sensores hasta la óptica y la biomedicina

El proceso presentado en el estudio también puede utilizarse para realizar otras combinaciones de polímeros con nuevas propiedades químicas y físicas de los materiales. Las películas de polímeros nanométricos también son interesantes, por ejemplo, para los componentes microelectrónicos flexibles y los sensores de la tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos) o las máquinas moleculares que transfieren procesos mecánicos a la nanoescala.

Los resultados que ahora se publican también fluirán en el trabajo de varias asociaciones de investigación bajo el paraguas de KiNSIS. "Estas son herramientas fundamentales para la ciencia de los materiales. Las aplicaciones van desde la mejora de la adhesión de las capas funcionales en los sensores y el desarrollo de materiales para la liberación controlada de fármacos a las máquinas moleculares", dice Faupel.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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