La presente invención se refiere a un método para la síntesis de un nanocomposite formado por un polímero que presenta nanopartículas de metales nobles embebidas en él.

El método de la invención se caracteriza porque la reacción de reducción de las sales de metales nobles, que dan lugar a las nanopartículas, y el entrecruzamiento de las cadenas del polímero, que forma la matriz polimérica, se producen al mismo tiempo como consecuencia del calentamiento generado durante el proceso de irradiación. Esto permite la generación de nanoestructuras mediante un proceso litográfico estándar. Asimismo se describen los nanocomposites y sus usos en diferentes sectores técnicos

Nanocomposites plasmónicos basados en polímero y nanopartículas metálicas, para uso litográfico.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un nanocomposite, en adelante nanocomposite de la invención, formado por un polímero que presenta nanopartículas de metales nobles embebidas. Por lo tanto, esta invención puede ser englobada dentro del campo de la física, de la química o de la nanotecnología. El nanocomposite de la invención es susceptible de ser aplicado en diversos campos como la óptica o en sectores de las ciencias de la vida como, por ejemplo, medicina o biotecnología.

Estado de la técnica

Hoy en día la química orgánica está prestando mucha atención a la posibilidad de combinar materiales poliméricos conocidos con sistemas coloidales de nanopartículas, es decir, al desarrollo de nuevos nanocomposites utilizando como matriz una resina para litografía (por UV o por haz de electrones, que son las más extendidas y, por tanto, permiten un escalado industrial) mezclada con una solución de nanopartículas donde se aprovechen tanto las posibilidades del polímero como las propiedades ópticas y electrónicas del coloide, para su aplicación en diversos campos de la tecnología.

Un importante aspecto de la nanotecnología se refiere a la formación de capas de nanopartículas en un soporte sólido. El PVA (poli vinil alcohol), debido a su buena estabilidad térmica, resistencia química, transparencia óptica y capacidad para formar películas delgadas, puede ser considerado como un buen material matriz para la formación de nanopartículas metálicas y semiconductores.

En el documento WO2007024461 se divulga un método para la fabricación de un nanocomposite en forma de película que comprende nanopartículas generadas, in situ, en el interior de una matriz polimérica formada, por ejemplo, por PVA. Las nanopartículas que se forman son de óxidos de varios metales preferentemente Al, Ta, Ti, Zr, Nb, Sn y Hf, a partir de la hidrólisis de los alcóxidos correspondientes. El primer paso de dicho método se refiere a la formación de una solución de recubrimiento formado por el precursor de la nanopartícula y el polímero, disueltos en un vehículo líquido no acuoso que contiene uno o más disolventes orgánicos, siendo el precursor de la nanopartícula un compuesto metálico con al menos dos grupos hidrolizables. En un segundo paso, la solución de recubrimiento se aplica en un sustrato (utilizando la técnica "spin coating") para formar dicho recubrimiento, eliminar solventes orgánicos y formar un gel que contiene el precursor de las nanopartículas. El tercer paso se refiere a la formación del nanocomposite propiamente dicho, ya que el precursor de las nanopartículas se convierte en nanopartículas, las cuales se dispersan homogéneamente en una matriz polimérica para formar dicho nanocomposite. Finalmente se procede al secado del nanocomposite para eliminar los restos de solventes orgánicos. Las nanopartículas embebidas en el nanocomposite tienen una dimensión no superior a 50 nm y se caracterizan por tener una morfología de hebras elongadas o densamente empaquetadas. Por otro lado la solución de recubrimiento no contiene nanopartículas mayores de 2 nm, antes del recubrimiento. Durante gran parte este documento se explican diversas aplicaciones ópticas para el nanocomposite formado por el método arriba descrito como, por ejemplo, en el campo de la visualización, iluminación de estado sólido, comunicaciones por fibra óptica, etc.

En el documento WO2005121222 se divulga un método para la preparación de nanocomposites poliméricos. El polímero, por ejemplo PVA, contiene nanopartículas formadas in situ. Las nanopartículas tienen un tamaño menor de 100 nm de diámetro y están formadas por metales como por ejemplo: plomo, cadmio, germanio, estaño, hierro, cobalto, níquel, cobre, mercurio, zinc y combinaciones de los mismos. El tipo de nanopartícula que se forma es de carácter semiconductor y no de carácter metálico. Aunque el cobre (Cu) es un metal noble, lo que se obtiene con el procedimiento divulgado en este documento es un derivado de éste con valencia entre +1 y +3, nunca nanopartículas con valencia O. Inicialmente se procedió a la mezcla y reacción de una solución acuosa de un metal que contiene una sal, con una solución no acuosa de un tiol o carbamato, para formar un metal que contenga tiol o carbamato en la solución no acuosa. Posteriormente se procedió a la recogida de la solución no acuosa que contiene el metal de tiol o carbamato y se mezcló con una solución polimérica procediendo a reaccionar dicha mezcla con un agente de escisión y a su secado para formar un nanocomposite, o bien, al secado de la mezcla y reacción con dicho agente de escisión para formar un nanocomposite polimérico. La reacción con el agente de escisión para formar nanopartículas puede ocurrir en solución o después de que una película sólida se haya preparado mediante el uso de la técnica "spin coating".

En el documento US2003223673 se describe un dispositivo óptico integrado formado por un medio de cristal, elegido de forma aleatoria, que contiene un sustrato y dispositivos para el guiado de ondas dispuestas en dicho sustrato. El dispositivo de guiado de ondas es seleccionado entre varios mecanismos focalizados en la mejora de las propiedades ópticas. Por otro lado, el sustrato arriba mencionado puede ser un polímero y, aunque no se hace referencia al PVA, se citan otros polímeros de vinilo como por ejemplo el etilen vinil alcohol. En el presente documento se describe que el compuesto puede incluir nanopartículas distribuidas en la matriz polimérica. Así, se refiere a la obtención de nanopartículas dispersadas en una matriz monomérica que es polimerizada después de la dispersión. Por ejemplo, nanopartículas de óxidos metálicos que pueden ser dispersados en un monómero líquido mediante aplicación de ultrasonidos. El medio resultante se mezcla con un iniciador térmico o foto iniciador. La mezcla se calienta para inducir la polimerización para formar un nanocomposite. Adicionalmente, la mezcla pre-polimerizada puede ser depositada mediante "spin-coating" en un sustrato seguido de polimerización foto o térmicamente inducida para formar una película fina de nanocomposite.

Ninguno de los documentos localizados en el estado de la técnica hace referencia al método de la invención, caracterizado porque la reacción de reducción de las sales de metales nobles que dan lugar a las nanopartículas y el entrecruzamiento de las cadenas del polímero que forma la matriz polimérica se producen al mismo tiempo, otorgando sencillez y efectividad al método. Por otro lado, los documentos del estado de la técnica tampoco se refieren al tipo de material generado y utilizado en la presente invención. Ni la composición química del nanocomposite de la invención ni el efecto físico conseguido por el mismo, directamente relacionado con sus aplicaciones, han sido localizados en los documentos divulgados en el estado de la técnica. Para la consecución del nanocomposite de la invención fue de vital importancia que las nanopartículas embebidas en la matriz polimérica estuvieran formadas por metales nobles (de valencia 0) como por ejemplo plata (Ag), oro (Au) o aleaciones de los mismos. Esta composición específica de las nanopartículas embebidas en la matriz polimérica dio lugar a que su plasmón superficial produjera la absorción de luz debido a la resonancia colectiva de electrones superficiales presentes en dichas nanopartículas. Aunque esta propiedad es común a todos los metales con valencia 0, cuando los metales nobles, como por ejemplo Au, Ag y Cu, están presentes en forma de nanopartículas dando lugar a películas delgadas, únicamente en ellos el plasmón se encuentra en el espectro visible, por lo que permite la excitación plasmónica por fuentes y métodos ópticos estándares.

Una de las propiedades más importantes de la presente invención es la formación de nanopartículas metálicas en el interior del polímero bajo irradiación (UV, haz de electrones, etc.), a la vez que la zona irradiada de dicho polímero sufre cambios en su estructura química variando su solubilidad en un disolvente llamado revelador (fundamento químico del proceso de litografía). Ello permite conseguir estructuras polímero-nanopartículas (nanocomposites) con una extensión espacial de hasta la centena de nanómetros (límite inferior), mediante un proceso litográfico estándar. Esto es de gran interés para la fabricación de nanodispositivos.

En los métodos descritos en el estado de la técnica no se utilizan nanopartículas de metales nobles y, por...

1. Método de obtención de un nanocomposite que comprende:

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque, opcionalmente, además comprende un proceso de revelado y de post-calentamiento del nanocomposite.

3. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tamaño y concentración de las nanopartículas comprendidas en el nanocomposite son controlados en función de la concentración inicial de las sales de los metales nobles y/o de la dosis de irradiación y/o de la temperatura de post-calentamiento y/o del sustrato utilizado para el depósito de las mezclas.

4. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el aumento de la temperatura de calentamiento y/o de la concentración inicial de las sales de metales nobles es directamente proporcional al aumento de la absorbancia LSPR de las nanopartículas comprendidas en el nanocomposite.

5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la sal metálica dispuesta en el medio líquido se selecciona entre: sal de plata, sal de oro, sal de platino, sal de cobre o mezclas de dichas sales.

6. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el metal noble se selecciona entre: plata, oro, platino, cobre o aleaciones de dichos metales.

7. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polímero se selecciona del grupo comprendido por: PVA, Polivinilpirrolidona, Poli(2-hidroxietil metacrilato), Poli(2-hidroxietil metacrilato), Poli(2-hidroxipropil metacrilato), Poli 4-vinilfenol, Polifenol, Poli(alilamina), Poli(etilenimina), Quitosan, Celulosa o cualquier otro polímero que comprenda cualquiera de los monómeros de los polímeros anteriormente citados.

8. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato recubierto con la mezcla de metales nobles y el polímero es aislante.

9. Método, según la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato aislante es de cuarzo o de vidrio.

10. Método, según la reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque el aislante está recubierto por una película conductora de ITO.

11. Método, según las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el sustrato recubierto con la mezcla de metales nobles y el polímero es semiconductor.

12. Método, según la reivindicación 11, caracterizado porque el sustrato semiconductor se selecciona entre: Si, Ge, GaAs o InP.

13. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio líquido es una disolución, una emulsión o una dispersión.

14. Nanocomposite caracterizado por comprender nanopartículas de metales nobles con valencia 0 embebidas en un polímero.

15. Nanocomposite, según la reivindicación 14, caracterizado porque el metal noble se selecciona entre: plata, oro, platino, cobre o aleaciones de dichos metales.

16. Nanocomposite, según la reivindicación 14, caracterizado porque el polímero se selecciona entre el grupo comprendido por: PVA, Polivinilpirrolidona, Poli(2-hidroxietil metacrilato), Poli(2-hidroxietil metacrilato), Poli(2-hidroxipropil metacrilato), Poli 4-vinilfenol, Polifenol, Poli(alilamina), Poli(etilenimina), Quitosan, Celulosa o cualquier otro polímero que comprenda cualquiera de los monómeros de los polímeros anteriormente citados.

17. Nanocomposite, según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, caracterizado por comprender nanopartículas de Ag embebidas en el polímero PVA y poseer un máximo de absorbancia LSPR a una longitud de onda en el rango 400-450 nm.

18. Nanocomposite, según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, caracterizado por comprender nanopartículas de Au embebidas en el polímero PVA y poseer un máximo de absorbancia LSPR a una longitud de onda en el rango 530-580 nm.

19. Uso del nanocomposite de las reivindicaciones 14-18 como sensor para la detección de moléculas químicas y/o biológicas.

20. Uso del nanocomposite de las reivindicaciones 14-18 en dispositivos plasmónicos, o fotónicos, o circuitos de guiado de luz.

21. Uso del nanocomposite de las reivindicaciones 14-18 en chips electrónicos y/o fotónicos y/u opto-electrónicos.