Procedimiento de síntesis de materiales compuestos de nanopartículas metálicas y polímeros conductores.

Procedimiento de síntesis de materiales compuestos de nanopartículas metálicas y polímeros conductores.

Se basa en la aplicación de radiaciones de ultrasonidos en ausencia de agentes catalizadores y estabilizantes, para obtener una dispersión coloidal de pequeñas estructuras "en forma de varillas" de materiales compuestos de polímeros conductores y nano-partículas metálicas obtenidas a partir del monómero y de la sal metálica disueltas en agua.

El material obtenido es estructuralmente homogéneo y relativamente soluble en agua, y puede aplicarse para la obtención de capas adhesivas, modificante de superficies para uso en electrónica, óptica, electroquímica, catálisis, elementos de almacenamiento y producción de energía, protección contra la corrosión y en la fabricación de dispositivos derivados. A título de ejemplo, el material sintetizado podría emplearse en la fabricación de: transistores orgánicos, diodos orgánicos de emisión de luz, células fotovoltaicas de polímeros, ventanas inteligentes, sensores de gases, biosensores, y hasta en tejidos musculares sintéticos y tejidos neuronales.

PROCEDIMIENTO DE SÍNTESIS DE MATERIALES COMPUESTOS DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS Y POLÍMEROS CONDUCTORES.

SECTORES DE LA TÉCNICA.

1. Dispositivos de medida: sensores y biosensores 2-Fabricación de dispositivos electrónicos.

3. Fabricación de células solares.

4. Producción y almacenamiento de energía.

5. Fabricación de electrodos para pilas de combustible.

6. Protección contra la corrosión.

-Catálisis 8-Fabricación de tejidos artificiales musculares y neuronales.

ESTADO ANTERIOR A LA TÉCNICA

Los polímeros conductores han atraído la atención de investigadores a 10 largo de los últimos 30 años. Comparados con los materiales conductores convencionales (p.e. metales o semiconductores) los polímeros conductores cuentan con interesantes ventajas, entre ellas su bajo peso, su flexibilidad, su durabilidad, y su fácil tratamiento manejo y/o adaptación a interesantes aplicaciones. Entre los polímeros conductores más usados se encuentran la polianilina, el politiofeno, el poli (3, 4etilendioxitiofeno) y el polipirrol.

Actualmente, esos polímeros están accesibles comercialmente en diferentes formulaciones. Dependiendo de la aplicación a la que se destinan se pueden preparar, gracias a la polimerización catalizada del monómero, en medios orgánicos o acuosos en presencia de ácidos necesarios para su disolución. En la mayoría de los casos, esos ácidos actúan como dopantes para asegurar la conductividad del polímero. Por ejemplo, el ácido poliestirenosulfónico PSS fue usado en la patente "US Patent N° 5, 300, 575", mientras que en la patente "US Patent N° 5, 567, 356" se ha usado el ácido dinonil naftalén sulfónico DNSA. En todo caso, la formulación del compuesto polimérico conductor depende de la aplicación final y de la solubilidad del dopante. Por ejemplo, para la síntesis de la polianilina dopada con DNSA se empleó una mezcla de xileno y del etilenglicol monobutil éter o N-etil-pirrolidón, y el polímero obtenido fue aplicado en la fabricación de condensadores eléctricos (US Patent N° 5, 853, 794) .

Recientemente, los materiales compuestos de polímeros conductores y nanopartículas metálicas han atraído considerable atención gracias a su aplicación en importantes campos, tales como la catálisis, la electro-catálisis, el diseño de electrodos para pilas de combustible, los sensores, la fabricación de tintas para su imprenta en sustratos de dispositivos electrónicos, y hasta se puede anticipar su posible aplicación en la ingeniería de tejidos musculares y neuronales.

Sin embargo, la síntesis de esos compuestos sigue siendo un desafio, sobre todo si se pretende la preparación. de compuestos con estructura definida. En la bibliografia actual se pueden encontrar generalmente tres vías para la obtención de dichos compuestos: Primero; la síntesis de los polímeros en presencia de las nanopartículas. Segundo; el uso de los polímeros conductores como reductantes de la sal metálica (US Patent N° 7, 786, 037) . Por último, la oxidación del monómero con las nanopartículas. No obstante, podríamos considerar como planteamiento original y poco explorado el intercambio electrónico entre el monómero y los iones metálicos. En esta ruta se puede imaginar un proceso redox donde el monómero jugara el papel de donante electrónico, 10 cual le hace pasar a radical, dímero, trímero y finalmente a polímero. Mientras que el anión metálico actúa como aceptor electrónico por lo cual pasa a su forma atómica y después a las nanopartículas correspondientes. Esta posibilidad ha sido ya explorada por varios grupos de investigación, aunque desafortunadamente el éxito del proceso requiere un periodo largo, de hasta varios meses, y la adición de aceleradores o catalizadores fue necesaria aunque la reacción fuese termodinámicamente posible. El uso de catalizadores químicos [Polymer 50 (2009) p50, Macromolecules, 43 (2010) 10406) , radiación UV (Nano Letters. 1 (2001) 305; Materials Characterization 50 (2003) p131; Synthetic Metals 155 (2005) p3; Macromolecular Rapid Cornmunications 28 (2007) p740; Materials chemistr y and physics 92 (2005) p2014] o rayos y [The Joumal of Materials Science 43 (2008) P 1400] fue necesario a título de ejemplo. A pesar de esos esfuerzos no parece que el reto se haya superado, debido a que en la mayoría de los casos no se ha demostrado la obtención de compuestos con estructura definida, porque la tecnología ampliada no se puede considerar como ecológica, o porque el tiempo de la reacción sigue siendo excesivo (Chemical Reviews 107 (2007) p-4243) .

La metodología de sono-catálisis podría ser muy apropiada para resolver esta dificultad, ya que se considera como vía verde, rápida y de fácil control. Su uso consiste en la aplicación de la irradiación localizada de ultrasonidos a una mezcla de monómero y sal metálica en medio aguoso. Al poner en marcha la radiación se crean unas altas temperaturas y una elevada presión en el interior de las burbujas generadas por el fenómeno de cavitación. Esto a su vez causa la descomposición del agua a radicales de hidrógeno e hidróxido (Science 253 (1991) p-1397) . Esos radicales actuarán como catalizadores en los procesos de la oxidación y de la polimerización del monómero y en el proceso de la reducción del anión metálico a átomo y su paso a nanopartículas. Usando esta metodología, Park el al. (Electrochimica acta 51 (2005) 849) , han conseguido obtener compuestos de polipirrol y nano-partículas de oro o platino. Sin embargo, el procedimiento se ha basado en el uso (a lo largo del proceso) del dodecíl sulfato de sodio como estabilizante o/y dopante 10 cual en nuestro punto de vista dificulta la polimerización del monómero y impide un contacto íntimo entre las nano-partículas y el polímero. Efectivamente, se necesitaron cuatro horas continuas de aplicación de ultrasonidos, para 10 cual fue necesario un sistema de refrigeración para impedir una pérdida de materia mediante evaporación; aun así no se ha conseguido una estructura continua y definida del compuesto. Otra tentativa de aprovechamiento de esta metodología fue la que ha aparecido recientemente en Polymers Composites 31 (20to) p 1662. Igualmente, en este trabajo no se ha logrado una estructura definida del compuesto polianilina-nano-partículas de plata a pesar de que los autores han recurrido al uso del peróxido de hidrógeno como catalizador-oxidante.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN.

La presente invención está relacionada con la síntesis de materiales compuestos de polímeros conductores y nanopartículas metálicas. La invención consiste en un nuevo método de síntesis de materiales compuestos a partir del monómero y la sal metálica en una sola etapa y sin necesidad de añadir agentes oxidantes. La síntesis se cataliza mediante aplicación de ultrasonidos de alta potencia, podemos considerar que se trata de una ruta de síntesis verde, rápida y fácilmente adaptable para una producción a escala industrial.

El término material compuesto se refiere a un material de estructura homogénea constituido de un polímero conductor y de nanopartículas metálicas.

El material compuesto cuando se extrae de su disolución coloidal, mediante precipitación o evaporación del agua (si está aplicado como recubrimiento de una superficie) tiene una estructura continua y puede que tenga unas dimensiones de micro o nano escala.

A diferencia de otras aproximaciones (EP 2, 341, 118, A 1 Y US 7, 786, 037) , en la presente invención se trata de polímeros conductores que rodean las nanopartículas, y no de una decoración de polímeros conductores con nanopartículas. Esto significa que en nuestro material los grupos funcionales del polímero se encuentran libres en la superficie del compuesto (lo cual le otorga la ventaja de facilitar posibles modificaciones) y que las nanopartículas están altamente estabilizadas (lo cual les otorga cierta inercia y hace su amplificación de la conductividad del compuesto más eficiente) .

A diferencia de los métodos descritos en Polymers Composites 31 (2010) p 166 e Electrochimica acta 51 (2005) 849, donde se ha usado la irradiación ultrasónica, en esta invención no se usan agentes oxidantes y los agentes estabilizantes se añaden opcionalmente a la disolución coloide después de finalizar el proceso. Con esta metodología se ha conseguido controlar las dimensiones y la forma del material y el tiempo de la reacción se ha reducido hasta 10 minutos como máximo.

El material conductor conseguido en esta invención está compuesto típicamente a partir de monómeros que contienen en su estructura un átomo de nitrógeno como la anilina o el pirrol o un átomo de sulfuro como son el tiofeno o el... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de síntesis de materiales compuestos de nanopartículas metálicas y polímeros conductores, basado en el uso de la catálisis acústica 5 en ausencia de agentes estabilizantes ni oxidantes.

2. Compuesto sintetizado según reivindicación 1.

3. Materiales derivados del compuesto sintetizado según reivindicación 1.

4. Uso de cualquier producto obtenido directamente o indirectamente por el procedimiento descrito en la reivindicación 1, en cualquier aplicación directa,

o como modificante de superficies de interés.

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