Preparación y caracterización de plataformas basadas en películas de óxidos porosos y nanoestructurados

Abstract

Desde hace varias décadas, el estudio de la formación electroquímica de capas de óxido que son relativamente inertes al estar en contacto con un medio agresivo, comúnmente denominadas películas pasivas, ha cobrado gran interés debido a su diversidad de propiedades y aplicaciones en áreas como la protección contra la corrosión, pasivación de superficies metálicas, ciencia de los materiales, tecnología de películas delgadas, microelectrónica, micromecánica y nanotecnología [1–6]. Entre las películas pasivas, los óxidos semiconductores han sido extensamente estudiados y empleados para muchas aplicaciones tecnológicas debido a sus interesantes propiedades (foto)conductoras, producto de las posiciones de sus bandas de energía y de la presencia de defectos estructurales o estequiométricos (vacancias iónicas o atómicas, sitios intersticiales, impurezas) [1,5,6]. Los estudios se han centrado principalmente en estructuras de tipo películas delgadas, pero más recientemente se ha generado un interés particular en la obtención de películas nanoestructuradas debido a que se obtienen propiedades físicas y químicas diferentes a sus análogos macroscópicos por los efectos combinados de su gran área superficial específica y de confinamiento cuántico [7,8]. En este contexto, se han obtenido nanoestructuras autoorganizadas de diferentes óxidos metálicos, tanto aislantes como semiconductores, dentro de los cuales se pueden mencionar Al2O3 [9–16], TiO2 [2,3,16–23], Nb2O5 [25–27], CuO/Cu2O [4,28–34] y WO3 35–38] entre muchos otros, que han mostrado potenciales usos para varias aplicaciones tecnológicas. Especialmente, las películas nanoestructuradas de óxidos semiconductores y sus materiales compuestos derivados (materiales "compósitos") han mostrado interesantes propiedades fisicoquímicas y un mejor rendimiento en módulos luminiscentes, transductores piezoeléctricos, celdas solares, sensores químicos y electrocatalizadores. En este sentido, la comprensión de los mecanismos implicados en el crecimiento de películas de óxido sobre metales juega un papel importante en el control y diseño de nuevas nanoestructuras con propiedades deseadas para aplicaciones específicas. Dentro de la diversidad de los óxidos metálicos más estudiados, en los últimos años el interés se ha centrado en la obtención de diferentes morfologías de películas nanoestructuradas de TiO2. De esta manera, se combinan las propiedades físicas y químicas propias que posee el material (alta estabilidad química, inocuidad ambiental, excepcional biocompatibilidad y conductividad electrónica/iónica) y su bajo costo de obtención con las características geométricas de las películas generadas (tubulares, porosas o de tipo esponja), lo que amplía su espectro de aplicación [2,3,8,16–20,39]. En este sentido, para la obtención de películas nanoestructuradas de TiO2 se han empleado distintas estrategias bottom-up y metodologías de síntesis, tales como las vías hidrotermales, deposición de capa atómica (ALD: Atomic layer deposition), síntesis por sol-gel, pulverización catódica con magnetrón (Magnetron sputtering), entre otros [40,41]. Sin embargo, la gran mayoría conducen a la formación de películas no homogéneas debido a que poseen un control limitado sobre los parámetros morfológicos de las nanoestructuras. Para superar esta limitación, se ha demostrado que la anodización electroquímica de titanio en diferentes electrolitos acuosos y no acuosos que contienen iones fluoruro representa un método alternativo que permite obtener de manera simple arreglos autoorganizados, idealmente hexagonales, de nanotubos abiertos e idénticos, que se caracterizan por su longitud, diámetro interior y espesor de pared. Además, se ha demostrado ampliamente que existe una importante correlación entre las condiciones de formación, la geometría y las propiedades de los nanotubos así obtenidos. A tal fin, se ha empleado una amplia gama de condiciones de preparación variando el potencial eléctrico aplicado, tiempo de anodización, temperatura, naturaleza del disolvente, cantidad de agua añadida, electrolito soporte, especies donoras de iones de fluoruro y contraiones, pH, viscosidad, material del cátodo y tratamiento térmico después del anodizado. En ese sentido, las películas autoorganizadas de nanotubos de TiO2 son de gran interés debido a que poseen varias propiedades ventajosas [2,3,8,40,42]. Por ejemplo, los efectos de confinamiento cuántico en la estructura unidimensional pueden reducir la dispersión de electrones. Asimismo, la superficie curvada de los nanotubos puede modificar las propiedades físicas y químicas del material. En proceso fotocatalíticos, la geometría tubular favorece la excelente separación del par electrón-hueco, en la que los huecos se dirigen hacia la pared de los nanotubos y los electrones hacia su base. Adicionalmente, la capacidad de intercalación iónica del TiO2 convierte a las películas en candidatas para ser utilizadas como electrodos en baterías de ion-litio o para ser empleadas en dispositivos electrocrómicos (ventanas inteligentes). Otro aspecto importante es que el arreglo geométrico de los nanotubos permite la modificación (“llenado” o “decorado”) con un material huésped (nanopartículas metálicas, semiconductoras o de polímeros) dentro de los tubos, en el espacio que separa las paredes de los tubos o en la superficie de la nanoestructura [8,40,42]. En resumen, las películas nanotubulares de TiO2 poseen un conjunto de características altamente versátiles que han permitido su aplicación en dispositivos para el sensado de biomoléculas, dispositivos de almacenamiento de carga, materiales biocompatibles para implantes dentales y óseos, fotocatálisis y sistemas fotovoltaicos [1,2,39,40]. Además, es también remarcable que la metodología de auto-organización por anodización no se encuentra limitada solo al titanio, sino que se ha aplicado exitosamente a otros metales de transición (Zr, Ta, Hf, Nb, Fe, W, V) y aleaciones (TiZr, TiNb, TiTa, TiW, TiRu, TiAl) para formar películas de óxidos con tubos o estructuras porosas altamente ordenadas [25,29,32,33,36–38,40,42]. Etiquetas de esta biblioteca: No hay etiquetas de esta biblioteca para este título.