Interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico, dispositivo que lo contiene y procedimiento para el control de la hidrofobicidad en superficie

El interruptor comprende un sustrato sólido que lleva anclado en su superficie moléculas de policlorotrifenilmetilo (PTM) funcionalizadas y en un estado de oxidación radical o anión,

tal que proporcionan una superficie hidrofóbica, una superficie hidrofílica o una superficie con zonas hidrofóbicas y zonas hidrofilicas, y medios para cambiar reversiblemente dicho estado de oxidación de radical a anión o viceversa y localmente en el sustrato.

La invención también se refiere al dispositivo de memoria que contiene dicho interruptor así como un módulo de acondicionamiento de la señal y un módulo de tratamiento de la misma.

El interruptor y dispositivo que lo contiene tienen especial aplicación en el campo de la microfluídica, como dispensadores de biomoléculas o biosensores, en la fabricación de etiquetas o marcadores o en el campo de las superficies autolimpiantes.

Interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico, dispositivo que lo contiene y procedimiento para el control de la hidrofobicidad en superficie.

La presente invención se refiere a un interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico de superficie que comprende un sustrato con moléculas de policlorotrifenilmetilo (PTM) , y los medios adecuados para cambiar reversiblemente y localmente las propiedades hidrofóbicas en dicho sustrato.

El interruptor y dispositivo que lo contiene son de especial aplicación en el campo de superficies autolimpiantes o en el campo de la microfluídica, aunque también presentan otras aplicaciones tal y como se describirá más adelante.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se conocen desde hace tiempo moléculas biestables que se comportan como interruptores en solución. En particular, existe un elevado interés en sistemas que puedan convertirse reversiblemente entre dos estados de oxidación que sean estables y que sus propiedades físicas difieran en ambos estados de oxidación con el principal objetivo de desarrollar dispositivos de memoria.

Por otra parte, la ingeniería de superficie molecular tiene como principal objetivo diseñar superficies con propiedades específicas mediante la funcionalización con moléculas seleccionadas adecuadamente. Una propuesta innovadora en este campo es la preparación de superficies que respondan a estímulos externos, también conocidas como superficies inteligentes, que pueden operar como interruptores o bits de memoria que tienen una aplicación potencial como (bio) sensores y dispositivos (opto) electrónicos. Para conseguir este objetivo, se requieren sistemas biestables que puedan transformarse a partir de una señal externa y cuya transformación pueda medirse a través de una lectura no destructiva. Aunque los interruptores moleculares en solución se han estudiado durante mucho tiempo, los interruptores basados en monocapas generadas sobre superficies (SAMs) , que son de crucial importancia para la implementación de dichos dispositivos, son todavía escasos y sólo se han descrito algunos pocos ejemplos (Liu, Z., Yasseri, A.A., Lindsey, J.S.& Bocina, D.F. Molecular memories that survive silicon device processing and real-world operation. Science 302, 1543-1545 (2003) .

De estos sistemas, la mayoría están basados en moléculas que funcionan por reacciones foto- o electro-inducidas asociadas con cambios en su conformación, electroactividad, capacidad sensora química o absorción óptica.

Así pues, todavía no existe en el estado de la técnica un sistema biestable en estado sólido, que pueda transformarse a partir de una señal externa en superficies con carácter hidrofóbico o carácter hidrofílico y cuya transformación pueda medirse a partir de una lectura no destructiva.

No se ha descrito hasta la fecha un interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico o un dispositivo de memoria con elevada reversibilidad que permita generar superficies o zonas de dichas superficies hidrofóbicas o hidrofílicas, cuya hidrofobicidad sea además estable en el tiempo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Así pues, forma parte del primer aspecto de la presente invención desarrollar un interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico de superficie que comprende:

- un sustrato sólido que lleva anclado en su superficie moléculas de policlorotrifenilmetilo (PTM) funcionalizadas en un estado de oxidación radical o anión tal que proporcionan una superficie hidrofóbica, una superficie hidrofílica o una superficie con zonas hidrofóbicas y zonas hidrofílicas, y

- medios para cambiar reversiblemente dicho estado de oxidación de radical a anión o viceversa y localmente en dicho sustrato.

El interruptor de la invención se basa en un sustrato que lleva anclado radicales orgánicos electroactivos inmovilizados en el mismo, que pueden convertirse reversiblemente y química o electroquímicamente a la forma anión o radical según se desee. Este sistema biestable molecular se comporta como un interruptor redox a partir del cual una entrada eléctrica o química transforma la superficie en hidrofóbica o hidrofílica, en condiciones de presión y temperatura ambiente.

Sorprendentemente, los autores de la invención han encontrado que los dos estados de oxidación radical-anión se mantienen estables en el tiempo sin la necesidad de mantener el estímulo aplicado para cambiar el estado de oxidación. Dicha característica proporciona la base para la obtención de un dispositivo de memoria no volátil.

El sustrato utilizado en el interruptor de la invención puede ser de material conductor o no-conductor.

Cuando el sustrato es conductor los medios utilizados para cambiar el estado de oxidación pueden ser terminales, lo que hace el interruptor más versátil.

También ventajosamente, el interruptor según la invención presenta elevada sensibilidad. Con el interruptor de la invención se consigue un cambio de la hidrofobicidad con una entrada de tensión de tan sólo +0, 1V (respecto a un hilo de plata) que convierte dicha molécula de PTM en el radical y la superficie del sustrato en hidrofóbica, y al mismo tiempo con una entrada de tensión de tan sólo -0, 1V (respecto a un hilo de plata) se convierte dicha molécula de PTM en el anión y la superficie del sustrato en hidrofílica. Además, es sorprendente la velocidad de respuesta del interruptor que con un tiempo umbral de 1 s consigue cambiar de un estado de oxidación a otro y, en consecuencia, de hidrofóbico a hidrofílico o viceversa.

Opcionalmente, el interruptor según la invención puede obtenerse sobre un sustrato no-conductor, en cuyo caso los medios utilizados para cambiar el estado de oxidación son un agente químico oxidante o un agente químico reductor. En esta realización, el contacto de un agente oxidante con el sustrato convierte dicha molécula de PTM en el radical y la superficie en hidrofóbica, y el contacto con un agente reductor convierte dicha molécula de PTM en el anión y la superficie en hidrofílica.

Preferiblemente, dichos agentes químicos oxidantes son compuestos que contienen yodo, p-cloroanilo

o Ag+. Un ejemplo de un compuesto que contiene Ag+ puede ser el nitrato de plata.

Preferiblemente, dichos agentes químicos reductores son hidróxidos o alcóxidos. Un ejemplo de un hidróxido puede ser el de tetrabutilamonio y un ejemplo de un alcóxido puede ser el ter-butóxido de potasio.

También preferiblemente dicho sustrato se selecciona entre óxido de indio-estaño (ITO) , oro (Au) , grafito, óxido de silicio (SiO2) o silicio con una capa de su óxido nativa, preferiblemente de ITO. Es sabido que un experto con conocimientos generales en la materia puede utilizar como sustrato otros materiales sin por ello apartarse del alcance de la presente invención. Así, según sea el material del sustrato seleccionado, las moléculas de PTM se funcionalizarán con unos grupos u otros. Por ejemplo, cuando el sustrato es de óxido de indio-estaño o de óxido de silicio, dichas moléculas de PTM se funcionalizan con grupos silano o carboxílico, cuando el sustrato es de oro, dichas moléculas de PTM se funcionalizan con grupos funcionales tiol, disulfuro, tioacetato o tioalquilo y cuando el sustrato es de grafito, dichas moléculas de PTM se funcionalizan con grupos funcionales que comprenden cadenas alquílicas (C5-C30) . Los grupos funcionales a seleccionar según el material del sustrato utilizado pueden encontrarse, por ejemplo, en Xia, Y & Whitesides, G. M. Soft lithography, Angewandte Chemical Internacional Edition 37, 550-575 (1998) .

La funcionalización de las moléculas PTM permite la inmovilización o el anclado de éstas sobre el sustrato y, por lo tanto, la obtención del interruptor según la invención. Cabe destacar que dichas moléculas de PTM funcionalizadas pueden estar ancladas mediante enlaces covalentes, electrostáticas o mediante interacciones moleculares débiles. La versatilidad del interruptor según la presente invención permite la inmovilización de micro- o nanopartículas de agregados de dichas moléculas de PTM funcionalizadas o la inmovilización de dendrit de dichas moléculas de PTM funcionalizadas.

Aunque a priori es preferible la inmovilización de las moléculas de PTM mediante enlaces covalentes que aseguran un anclado más fuerte de las moléculas en la superficie del sustrato, según...

1. Interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico de superficie que comprende:

- un sustrato sólido que lleva anclado en su superficie moléculas de policlorotrifenilmetilo (PTM) funcionalizadas en un estado de oxidación radical o anión, tal que proporcionan una superficie hidrofóbica, una superficie hidrofílica o una superficie con zonas hidrofóbicas y zonas hidrofílicas, y

- medios para cambiar reversiblemente dicho estado de oxidación de radical a anión o viceversa y localmente en el sustrato.

2. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dichos medios son terminales para aplicar tensión, donde una tensión de +0, 1V convierte dicha molécula de PTM en el radical y dicha superficie en hidrofóbica, y donde una tensión de -0, 1V convierte dicha molécula de PTM en el anión y dicha superficie en hidrofílica, en un umbral de 1 s.

3. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dichos medios son un agente químico oxidante o un agente químico reductor, donde la adición de un agente oxidante convierte dicha molécula de PTM en el radical y dicha superficie en hidrofóbica, y la adición de un agente reductor convierte dicha molécula de PTM en el anión y dicha superficie en hidrofílica.

4. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dicho sustrato sólido es conductor.

5. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dicho sustrato sólido es no-conductor.

6. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dicho sustrato se selecciona entre óxido de indio-estaño, óxido de silicio o silicio con una capa de su óxido nativa y dichas moléculas de PTM comprenden grupos funcionales silano o carboxílico.

7. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dicho sustrato es oro y dichas moléculas de PTM comprenden grupos funcionales tiol, disulfuro, tioacetato o tioalquilo.

8. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dicho sustrato es grafito y dichas moléculas de PTM comprenden grupos funcionales de cadenas alquílicas (C5-C30) .

9. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dichas moléculas de PTM funcionalizadas están ancladas mediante enlaces covalentes.

10. Interruptor molecular según la reivindicación 1, donde dichas moléculas de PTM funcionalizadas son micro- o nanopartículas de agregados o dendritas y están ancladas mediante interacciones intermoleculares débiles.

11. Interruptor molecular según la reivindicación 9, donde dicha molécula de PTM en el estado de oxidación del radical presenta un ángulo de contacto de 85º±20 y en el estado de oxidación del anión un ángulo de contacto de 35º±20.

12. Interruptor molecular según la reivindicación 10, donde dicha molécula de PTM en el estado de oxidación del radical presenta un ángulo de contacto de 150º±20 y en el estado de oxidación del anión un ángulo de contacto de 35º±20.

13. Procedimiento para controlar reversiblemente y localmente la hidrofobicidad de una superficie, cuya superficie comprende un interruptor molecular hidrofóbico-hidrofílico según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende las etapas de:

i) diseñar sobre dicha superficie un patrón que presenta zonas destinadas a ser hidrofóbicas y/o hidrofílicas,

ii) activar dicha zona destinada a ser hidrofóbica mediante la aplicación de una tensión de +0, 1V o la adición de un agente oxidante, y/o

iiii) activar dicha zona destinada a ser hidrofílica mediante la aplicación de una tensión de -0, 1V o la adición de un agente reductor, y

iv) repetir las etapas ii) -iii) tantas veces como se desee cambiar reversiblemente y localmente dicha superficie de hidrofóbica a hidrofílica o viceversa.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, donde en la etapa i) el diseño de un patrón con zonas hidrofóbicas y/o zonas hidrofílicas puede obtenerse de acuerdo con cualquiera de las siguientes vías:

a) anclado de radicales de moléculas de PTM funcionalizadas sobre un sustrato sólido e hidrofílico en las zonas destinadas a ser hidrofóbicas;

b) anclado de radicales de moléculas de PTM funcionalizadas sobre toda la superficie de un sustrato sólido y, a continuación, reducción de dichos radicales al anión mediante el contacto local de las zonas destinadas a 5 ser hidrofílicas con un sello polimérico que lleva un agente reductor; o

c) anclado de radicales de moléculas de PTM funcionalizadas en toda la superficie de un sustrato que presenta partes conductoras y partes no conductoras y, a continuación, con terminales entre partes conductoras, aplicación de tensión para reducir dichos radicales al anión en las zonas destinadas a ser hidrofílicas.

15. Dispositivo para controlar reversiblemente y localmente el carácter hidrofóbico-hidrofílico de una 10 superficie, que comprende:

- un interruptor molecular según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12,

- un módulo de acondicionamiento de la señal y

- un módulo de tratamiento de la señal.

16. Utilización de un interruptor molecular según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 15 a 12 para conmutar el carácter hidrofóbico a hidrofílico, o viceversa, en una superficie o zona de una superficie.

17. Utilización de un interruptor molecular según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 o de un dispositivo según la reivindicación 15 que lo contiene en el campo de la microfluídica, como dispensador de biomoléculas o biosensores, en la fabricación de etiquetas o marcadores o en el campo de las superficies auto-limpiantes.