Diseño, preparación y caracterización de materiales dendronizados con aplicación en sensores electroquímicos

Abstract

El punto focal de este trabajo de tesis es el empleo de moléculas poliméricas de tamaño nanométrico para la modificación de superficies. El uso de bloques constructivos en la escala del nanómetro nos lleva al concepto de nanotecnología. ¿Qué es la nanotecnología?, es el área de investigación que estudia, diseña y fabrica materiales o sistemas a escala nanoscópica y les concede alguna aplicación práctica. Eventualmente puede denominarse nanotecnología a la habilidad de controlar la materia átomo por átomo [1]. El tamaño de las unidades de construcción es sumamente importante debido a las propiedades físicas y químicas que presentan en esta escala. En la escala macro, el tamaño de los objetos de estudio va desde micrómetros hasta los kilómetros y las propiedades que se asocian a estos materiales son generalmente valores promedio, como la densidad, el modulo elástico, la resistividad o la magnetización. Cuando se miden a escalas inferiores a los micrómetros, muchas de las propiedades de los materiales cambian, como por ejemplo las mecánicas, las ferroeléctricas o ferromagnéticas [2]. Un ejemplo clásico es el oro; que en tamaños macroscópicos es dorado a simple vista, mientras que a escala nanométrica, las nanopartículas de oro dispersas en solución presentan diferentes colores, ya sea rojo, naranja, purpura o verdoso, dependiendo de su tamaño o de su forma. Las propiedades físicas, químicas y biológicas que tienen los materiales en los sistemas nanométricos difieren en muchas formas de sus propiedades en los sistemas macroscópicos y la investigación en nanotecnología busca entender y aprovechar estas propiedades para fabricar materiales y dispositivos mejorados, ya sea creando estructuras con nuevos tipos de arreglos atómicos, con nueva composición química, o el diseño de materiales híbridos nanoestructurados, etc [1]. La nanoestructuración superficial brinda la posibilidad de modificar las superficies generando patrones de tamaño nanométrico con determinadas propiedades o funciones de acuerdo a las características de la misma y siendo a su vez susceptibles de participar en diferentes reacciones químicas localizadas en la interfase. Las superficies nanoestructuradas muestran generalmente un aumento del área superficial y dependiendo de las propiedades de los bloques de construcción, pueden presentar un incremento en la conductividad eléctrica o iónica y mejoras en las propiedades ópticas respecto de aquellas preparadas sobre la base de películas conductoras compactas y amorfas. Los dendrímeros o polímeros dendríticos han captado la atención de los científicos desde su aparición debido a sus propiedades tan particulares. Sus unidades monoméricas están diseñadas de tal forma que mientras el radio del polímero crece en forma lineal, el número de grupos terminales crece en forma geométrica. Esta particularidad le confiere a las moléculas dendríticas un gradiente radial de propiedades. Estos polímeros presentan integridad y homogeneidad estructural, una cavidad interna bien definida disponible para encapsular o “atrapar” otra molécula (propiedades endoreceptoras), composición controlada y múltiples y homogéneos grupos terminales activos para dar reacciones de interés (propiedades exoreceptoras) [3] [4] [5] . La forma altamente compacta y globular, así como el tamaño uniforme y la multifuncionalidad de los dendrímeros los hace bloques constructores ideales para una amplia gama de materiales. Son factibles de formar monocapas autoensambladas, multicapas, y otros tipos de estructuras confinadas en la superficie. Por otra parte, el estudio del comportamiento de los dendrímeros en superficies e interfaces ofrece una visión única de sus propiedades químicas y físicas [6] [7]. Por todo ello, las moléculas dendríticas juegan un papel cada vez más importante en ciencia de materiales, pudiendo beneficiarse de sus propiedades físicas y químicas distintivas [8]. El uso de este tipo de polímeros como unidades estructurales permite obtener a través de una rutina sintética, una gran variedad de materiales con estructura y arquitectura perfectamente conocida y definida. Su tamaño, forma y funcionalidad controlada [9], su habilidad para autoensamblarse iso ó anisotrópicamente, su compatibilidad con otras unidades reactivas como DNA [10] y nanotubos, su capacidad de combinarse con compuestos orgánicos e inorgánicos [11], les confiere un importante rol como módulos fundamentales para la síntesis en nanoescala. Es por ello que el uso de dendrímeros como unidades estructurales para la rápida construcción de nanoarquitecturas controladas abre una nueva visión en la ciencia de los materiales[12]. Es importante tener en cuenta que la síntesis de dendrímeros es dificultosa y costosa. Es por esta razón, que una buena alternativa para mantener el efecto dendrítico es el uso de otras moléculas dendríticas, como los dendrones y los polímeros hiperramificados [12]. Los dendrones, son unidades estructurales de los dendrímeros y también pueden ser empleados para la modificación química de un sustrato, manteniendo a su vez el efecto dendrítico deseado con menor esfuerzo sintético [13]. Asimismo, los polímeros hiperramificados, a pesar de tener una estructura menos controlada que los dendrímeros, aún son capaces de presentar efecto dendrítico y tienen la ventaja de que pueden ser sintetizados con mayor facilidad [9]. Teniendo en cuenta esto último, es de gran interés pensar en las moléculas dendríticas como unidades constructoras para obtención de materiales nanoestructurados originales. En este sentido, la dendronización y el uso de determinados sustratos factibles de ser modificados tales como carbono u oro, nanopartículas metálicas, nanotubos de carbono, etc. resultan una combinación muy adecuada para formar nanoestructuras controladas [14]. El término dendronización describe la interacción covalente o supramolecular de dendrones o dendrímeros con sustratos no dendríticos creando nuevos materiales híbridos con propiedades únicas. Esta metodología de funcionalización ha demostrado ser una herramienta útil y eficaz, hacia la obtención de materiales multifuncionalizados y multirramificados [8] [15], posibilitando controlar sistemática y rigurosamente el tamaño, forma y grupos funcionales del sistema [16] [17] [18]. La modificación química de una superficie permite otorgar nuevas propiedades al material dependiendo de los grupos funcionales expuestos, enfocando el mismo hacia algún uso específico, ya sea en áreas como medicina[19], biomateriales[20], farmacología[21], desarrollo de sensores[22], etc. Dependiendo de las funcionalidades expuestas a la superficie, el material puede presentar características tales como adhesión, biocompatibilidad, hidrofobicidad, hidrofilicidad, etc. [23] [24] [11]. Por tal motivo, un control estricto de la modificación a nivel nanoscópico puede tener un efecto determinado a nivel macroscópico. Estos últimos años la investigación dedicada al diseño y obtención de nanomateriales a partir de unidades de construcción a escala nanométrica ha tenido un rápido crecimiento; principalmente fundamentado en las novedosas propiedades que se han encontrado, y que aún se espera encontrar, de esta nueva clase de materiales. Como se refirió anteriormente, algunas de estas propiedades son derivadas de su propia estructura molecular y dimensional, pero por otro lado, al modificar la superficie a escala nanométrica se suma versatilidad y la posibilidad de generar diseños con varios tipos de formas y estructuras diferentes, y por último, la facilidad de sufrir modificaciones químicas que promueven su adaptación hacia usos específicos, tales como el desarrollo de plataformas sensoras