Material híbrido

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Los materiales híbridos son compuestos que constan de dos componentes a nivel nanométrico o molecular . Por lo general, uno de estos compuestos es de naturaleza inorgánica y el otro, de naturaleza orgánica . Por lo tanto, se diferencian de los compuestos tradicionales, en los que los componentes se encuentran a nivel macroscópico ( de micrómetros a milímetros ). ^[1] La mezcla a escala microscópica da como resultado un material más homogéneo que muestra características intermedias entre las dos fases originales o incluso nuevas propiedades.

Muchos materiales naturales están compuestos por bloques de construcción orgánicos e inorgánicos distribuidos en la nanoescala. En la mayoría de los casos, la parte inorgánica proporciona resistencia mecánica y una estructura general a los objetos naturales, mientras que la parte orgánica proporciona unión entre los bloques de construcción inorgánicos y/o el resto del tejido . Algunos ejemplos típicos son el hueso y el nácar .

Los primeros materiales híbridos fueron las pinturas fabricadas a partir de componentes inorgánicos y orgánicos que se utilizaban hace miles de años. El caucho es un ejemplo del uso de materiales inorgánicos como rellenos para polímeros orgánicos . El proceso sol-gel desarrollado en la década de 1930 fue una de las principales fuerzas impulsoras de lo que se ha convertido en el amplio campo de los materiales híbridos inorgánicos-orgánicos.

Los materiales híbridos se pueden clasificar en función de las posibles interacciones que conectan las especies inorgánicas y orgánicas. ^{[2] Los materiales híbridos} de clase I son aquellos que muestran interacciones débiles entre las dos fases, como van der Waals , enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas débiles . Los materiales híbridos de clase II son aquellos que muestran interacciones químicas fuertes entre los componentes, como enlaces covalentes .

Las propiedades estructurales también se pueden utilizar para distinguir entre varios materiales híbridos. Una fracción orgánica que contiene un grupo funcional que permite la unión a una red inorgánica, por ejemplo, un grupo trialcoxisilano, puede actuar como un modificador de red porque en la estructura final la red inorgánica solo se modifica por el grupo orgánico. Los feniltrialcoxisilanos son un ejemplo de tales compuestos; modifican la red de sílice en el proceso sol-gel a través de la reacción del grupo trialcoxisilano sin suministrar grupos funcionales adicionales destinados a sufrir reacciones químicas adicionales al material formado. Si se incorpora un grupo funcional reactivo, el sistema se denomina funcionalizador de red . La situación es diferente si dos o tres de estos grupos de anclaje modifican un segmento orgánico; esto conduce a materiales en los que el grupo inorgánico es posteriormente una parte integral de la red híbrida. El último tipo de sistema se conoce como constructor de red .

Las mezclas se forman cuando no existen interacciones químicas fuertes entre los bloques de construcción inorgánicos y orgánicos. Un ejemplo de un material de este tipo es la combinación de grupos o partículas inorgánicas con polímeros orgánicos que carecen de una interacción fuerte (por ejemplo, covalente) entre los componentes. En este caso, se forma un material que consiste, por ejemplo, en un polímero orgánico con fracciones inorgánicas discretas atrapadas en las que, dependiendo de las funcionalidades de los componentes, por ejemplo, se produce una reticulación débil por las unidades inorgánicas atrapadas a través de interacciones físicas o los componentes inorgánicos están atrapados en una matriz de polímero reticulado. Si una red inorgánica y una orgánica se interpenetran entre sí sin interacciones químicas fuertes, se forman las llamadas redes interpenetrantes (IPN), que es, por ejemplo, el caso si se forma un material sol-gel en presencia de un polímero orgánico o viceversa. Ambos materiales descritos pertenecen a híbridos de clase I. Los híbridos de clase II se forman cuando los bloques de construcción inorgánicos discretos, por ejemplo, los grupos, están unidos covalentemente a los polímeros orgánicos o los polímeros inorgánicos y orgánicos están conectados covalentemente entre sí.

El término nanocompuesto se utiliza si la combinación de unidades estructurales orgánicas e inorgánicas da como resultado un material con propiedades de compuesto. Es decir, las propiedades originales de los componentes orgánicos e inorgánicos separados siguen presentes en el compuesto y no se modifican al mezclar estos materiales. Sin embargo, si surge una nueva propiedad de la mezcla íntima, entonces el material se convierte en un híbrido. ^[3] Un ejemplo macroscópico es la mula, que es más adecuada para el trabajo duro que cualquiera de sus progenitores, el caballo y el burro. El tamaño de los componentes individuales y la naturaleza de su interacción (covalente, electrostática, etc.) no entran en la definición de un material híbrido. ^[4]

• Se pueden incorporar grupos inorgánicos o nanopartículas con propiedades ópticas, electrónicas o magnéticas específicas en matrices poliméricas orgánicas.
• A diferencia de los materiales inorgánicos en estado sólido puro que a menudo requieren un tratamiento de alta temperatura para su procesamiento, los materiales híbridos muestran un manejo más parecido al de los polímeros, ya sea por su gran contenido orgánico o por la formación de redes inorgánicas reticuladas a partir de pequeños precursores moleculares, tal como en las reacciones de polimerización.
• Se puede evitar la dispersión de luz en material híbrido homogéneo y, por lo tanto, se puede lograr la transparencia óptica de los materiales híbridos y nanocompuestos resultantes.

Para la formación de materiales híbridos se pueden utilizar dos enfoques diferentes: o bien se aplican bloques de construcción preformados bien definidos que reaccionan entre sí para formar el material híbrido final en el que los precursores aún mantienen al menos parcialmente su integridad original o bien se forman una o ambas unidades estructurales a partir de los precursores que se transforman en una nueva estructura (red). Es importante que la interfaz entre los materiales inorgánicos y orgánicos se adapte para superar los graves problemas en la preparación de materiales híbridos. Se pueden utilizar diferentes bloques de construcción y enfoques para su preparación y estos se deben adaptar para salvar las diferencias entre los materiales inorgánicos y orgánicos. ^[1]

Los bloques de construcción conservan al menos parcialmente su integridad molecular durante la formación del material, lo que significa que las unidades estructurales que están presentes en estas fuentes para la formación de materiales también se pueden encontrar en el material final. Al mismo tiempo, las propiedades típicas de estos bloques de construcción generalmente sobreviven a la formación de la matriz, lo que no sucede si los precursores del material se transfieren a nuevos materiales. Ejemplos representativos de tales bloques de construcción bien definidos son los clústeres inorgánicos modificados o las nanopartículas con grupos orgánicos reactivos adheridos.

Los compuestos en clúster suelen estar compuestos por al menos un grupo funcional que permite una interacción con una matriz orgánica, por ejemplo, mediante copolimerización. Dependiendo del número de grupos que pueden interactuar, estos bloques de construcción pueden modificar una matriz orgánica (un grupo funcional) o formar materiales parcialmente o totalmente reticulados (más de un grupo). Por ejemplo, dos grupos reactivos pueden dar lugar a la formación de estructuras en cadena. Si los bloques de construcción contienen al menos tres grupos reactivos, pueden utilizarse sin moléculas adicionales para la formación de un material reticulado.

Además de los bloques de construcción moleculares mencionados, también se pueden utilizar bloques de construcción de tamaño nanométrico, como partículas o nanobarras, para formar nanocompuestos. El enfoque de los bloques de construcción tiene una gran ventaja en comparación con la formación in situ de las entidades inorgánicas u orgánicas: debido a que al menos una unidad estructural (el bloque de construcción) está bien definida y, por lo general, no sufre cambios estructurales significativos durante la formación de la matriz, es posible realizar mejores predicciones de la estructura y las propiedades. Además, los bloques de construcción se pueden diseñar de tal manera que brinden el mejor rendimiento en la formación de los materiales, por ejemplo, una buena solubilidad de los compuestos inorgánicos en monómeros orgánicos mediante grupos superficiales que muestran una polaridad similar a la de los monómeros.

En los últimos años se han sintetizado y utilizado muchos bloques de construcción para la preparación de materiales híbridos. Los químicos pueden diseñar estos compuestos a escala molecular con métodos muy sofisticados y los sistemas resultantes se utilizan para la formación de materiales híbridos funcionales. Muchas aplicaciones futuras, en particular en nanotecnología, se centran en un enfoque ascendente en el que se forman estructuras complejas jerárquicamente a partir de estos pequeños bloques de construcción. Esta idea es también una de las fuerzas impulsoras del enfoque de bloques de construcción en materiales híbridos.

La formación in situ de los materiales híbridos se basa en la transformación química de los precursores utilizados en la preparación de los materiales. Normalmente, este es el caso si se forman polímeros orgánicos, pero también si se aplica el proceso sol-gel para producir el componente inorgánico. En estos casos, las moléculas discretas bien definidas se transforman en estructuras multidimensionales, que a menudo muestran propiedades totalmente diferentes de los precursores originales. Generalmente se aplican moléculas simples, disponibles comercialmente, y la estructura interna del material final está determinada por la composición de estos precursores, pero también por las condiciones de reacción. Por lo tanto, el control sobre estas últimas es un paso crucial en este proceso. Cambiar un parámetro a menudo puede dar lugar a dos materiales muy diferentes. Si, por ejemplo, la especie inorgánica es un derivado de sílice formado por el proceso sol-gel, el cambio de catálisis básica a ácida supone una gran diferencia porque la catálisis básica da lugar a una microestructura más parecida a una partícula, mientras que la catálisis ácida da lugar a una microestructura parecida a un polímero. Por lo tanto, el rendimiento final de los materiales derivados depende en gran medida de su procesamiento y su optimización.

Muchos de los materiales inorgánicos clásicos en estado sólido se forman utilizando precursores sólidos y procesos de alta temperatura, que a menudo no son compatibles con la presencia de grupos orgánicos porque se descomponen a temperaturas elevadas. Por lo tanto, estos procesos de alta temperatura no son adecuados para la formación in situ de materiales híbridos. Las reacciones que se emplean deben tener más el carácter de la formación clásica de enlaces covalentes en soluciones. Uno de los procesos más destacados que satisfacen estas demandas es el proceso sol-gel. Sin embargo, estos procesos de baja temperatura a menudo no conducen a la estructura termodinámicamente más estable, sino a productos cinéticos, lo que tiene algunas implicaciones para las estructuras obtenidas. Por ejemplo, los materiales inorgánicos derivados de baja temperatura a menudo son amorfos o la cristalinidad solo se observa en una escala de longitud muy pequeña, es decir, el rango nanométrico. Un ejemplo de esto último es la formación de nanopartículas metálicas en matrices orgánicas o inorgánicas por reducción de sales metálicas o precursores organometálicos.

Algunos métodos de formación in situ de materiales inorgánicos son:

• Proceso sol-gel
• Proceso sol-gel no hidrolítico
• Reacciones sol-gel de no silicatos
• Síntesis de infiltración secuencial (SIS)
• Método de pirólisis por microondas in situ ^{[5] [6]}

Si la polimerización orgánica se produce en presencia de un material inorgánico para formar el material híbrido, hay que distinguir entre varias posibilidades para superar la incompatibilidad de las dos especies. El material inorgánico puede no tener funcionalización superficial, pero sí la superficie del material desnudo; puede estar modificado con grupos orgánicos no reactivos (por ejemplo, cadenas de alquilo); o puede contener grupos reactivos superficiales, como funcionalidades polimerizables. Dependiendo de estos requisitos previos, el material puede tratarse previamente; por ejemplo, una superficie inorgánica pura puede tratarse con surfactantes o agentes de acoplamiento de silano para hacerla compatible con los monómeros orgánicos, o pueden añadirse monómeros funcionales que reaccionen con la superficie del material inorgánico. Si el componente inorgánico tiene grupos orgánicos no reactivos unidos a su superficie y puede disolverse en un monómero que se polimeriza posteriormente, el material resultante después de la polimerización orgánica es una mezcla. En este caso, el componente inorgánico interactúa sólo débilmente o no interactúa en absoluto con el polímero orgánico; por lo tanto, se forma un material de clase I. En este caso, sólo se obtienen materiales homogéneos si se evita la aglomeración de los componentes inorgánicos en el entorno orgánico. Esto se puede conseguir si las interacciones entre los componentes inorgánicos y los monómeros son mejores o al menos iguales que entre los componentes inorgánicos. Sin embargo, si no se forman interacciones químicas fuertes, la estabilidad a largo plazo de un material que alguna vez fue homogéneo es cuestionable debido a los efectos de difusión en el material híbrido resultante. Cuanto más fuerte sea la respectiva interacción entre los componentes, más estable será el material final. La interacción más fuerte se consigue si se forman materiales de clase II, por ejemplo, con interacciones covalentes.

La formación simultánea de polímeros orgánicos e inorgánicos puede dar lugar a redes interpenetrantes de tipo más homogéneo. Normalmente, los precursores para el proceso sol-gel se mezclan con monómeros para la polimerización orgánica y ambos procesos se llevan a cabo al mismo tiempo con o sin disolvente. Al aplicar este método, compiten entre sí tres procesos:

(a) la cinética de la hidrólisis y condensación que forman la fase inorgánica,
(b) la cinética de la polimerización de la fase orgánica, y
(c) la termodinámica de la separación de fases entre las dos fases.

Al adaptar la cinética de las dos polimerizaciones de tal manera que se produzcan simultáneamente y con la suficiente rapidez, se evita o minimiza la separación de fases. También se pueden utilizar parámetros adicionales, como las interacciones atractivas entre las dos fracciones, como se describió anteriormente, para evitar la separación de fases.

Un problema que también surge de la formación simultánea de ambas redes es la sensibilidad de muchos procesos de polimerización orgánica a las condiciones sol-gel o a la composición de los materiales formados. Las polimerizaciones iónicas, por ejemplo, suelen interactuar con los precursores o intermediarios formados en el proceso sol-gel, por lo que no suelen aplicarse en estas reacciones.

• Recubrimientos decorativos obtenidos mediante la incorporación de colorantes orgánicos en recubrimientos híbridos.
• Recubrimientos resistentes a los arañazos con propiedades hidrófobas o antivaho.
• Dispositivos basados ​​en nanocompuestos para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, incluidos diodos emisores de luz , fotodiodos , células solares , sensores de gas y transistores de efecto de campo .
• Materiales ignífugos para la industria de la construcción.
• Materiales de relleno dental basados ​​en nanocompuestos .
• Materiales electrolíticos compuestos para aplicaciones como baterías de litio de estado sólido o supercondensadores .
• Membranas conductoras de protones utilizadas en pilas de combustible .
• Recubrimientos antiestáticos/antirreflejos
• Protección contra la corrosión
• Materiales híbridos porosos

• Guido Kickelbick (Editor), Materiales híbridos: síntesis, caracterización y aplicaciones , Wiley, ISBN 978-3-527-31299-3 , doi :10.1002/9783527610495 
• Materiales híbridos inorgánicos-orgánicos