Efectos de nanoconfinamiento de agua en óxidos mesoporosos : de la simulación molecular al diseño y la síntesis de materiales

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En este trabajo de tesis se emplearon herramientas de simulación molecular clásicajunto con distintas estrategias de síntesis y caracterización para explorar la relación entrenanoconfinamiento y propiedades de agua en materiales mesoporosos. Los óxidos mesoporososson materiales que presentan poros m...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: González Solveyra, Estefanía
Otros Autores: Scherlis Perel, Damián A.
Formato: Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:Español
Publicado: Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2014
Materias:
OXIDOS MESOPOROSOS
CONFINAMIENTO
ISOTERMAS
AGUA CONFINADA
DIFUSION
PROPIEDADES OPTICAS
EQUILIBRIO SOLIDO-LIQUIDO
TITANIA
MESOPOROUS OXIDES
NANOCONFINEMENT
ISOTHERMS
CONFINED WATER
DIFFUSION
OPTICS PROPERTIES
LIQUID-SOLID EQUILIBRIUM
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5527_GonzalezSolveyra
https://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n5527_GonzalezSolveyra_oai
Aporte de:
Repositorio Digital de la Universidad de Buenos Aires (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description En este trabajo de tesis se emplearon herramientas de simulación molecular clásicajunto con distintas estrategias de síntesis y caracterización para explorar la relación entrenanoconfinamiento y propiedades de agua en materiales mesoporosos. Los óxidos mesoporososson materiales que presentan poros monodispersos (2-50 nm) altamente ordenadosy de elevada área específica (100-1000 m2/g). La precisión con que pueden controlarse lasdimensiones, la interconectividad y la morfología de los poros en la escala nanométrica,da lugar a propiedades sumamente particulares, de interés en multitud de aplicacionestecnológicas: (foto)catálisis, sorción, sensores, biomateriales, involucrando casi todas ellasla inteacción con H2O. En base a ello, se decidió investigar los aspectos físico-químicosdel agua confinada en estos entornos, haciendo foco en fenómenos de equilibrio de fase (equilibrio líquido-vapor y sólido-líquido), estructura y transporte. Además de la motiva-ción tecnológica, estos sistemas son de interés desde el punto de vista fundamental, puesofrecen un modelo donde estudiar los efectos del confinamiento en la nanoescala. Se emplearon en primer lugar herramientas de simulación molecular de distinta escala (Dinámica Molecular atomística y coarse-grained), caracterizando el comportamientode agua confinada en matrices porosas de 1-8 nm de diámetro. De esta manera, fue posibledescribir, desde una perspectiva molecular, la estructura y dinámica del agua, suspropiedades ópticas, así como los diferentes mecanismos de llenado de los nanoporos ylos fenómenos de histéresis. También se logró una descripción microscópica del equilibriosólido-líquido en estos entornos altamente confinados. Se estudió la incidencia del radiodel poro, la filicidad y la rugosidad de las paredes sobre los fenómenos mencionados y enparticular sobre las isotermas de sorción. Asimismo, se recurrió a un esquema experimental para complementar los resultadoscomputacionales. Los óxidos mesoporosos se sintetizaron en forma de películas delgadasy xerogeles mediante estrategias de síntesis sol-gel y procesos de autoensamblado inducidopor evaporación, que combinan la polimerización del óxido inorgánico junto con elautoensamblado de moléculas anfifílicas, que actúan como agentes moldeantes del arregloporoso. Para la caracterización estructural de los sistemas sintetizados se utilizaron diver-sas técnicas: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Las propiedades de sorciónde agua en mesoporos fueron investigadas en películas delgadas obtenidas por spin y dipcoating, mediante Porosimetría Elipsométrica Ambiental y XRR. El aporte original de esta tesis reside en la complementación de técnicas experimentalesavanzadas con herramientas de simulación computacional para atender cuestiones de graninterés para la comunidad experimental pero de difícil elucidación dadas las limitacionesde resolución espacio-temporales de las técnicas actuales. Esta estrategia dual constituyeuna vía extremadamente poderosa para la descripción de fenómenos físicos y químicos enestos sistemas.
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spelling I28-R145-tesis_n5527_GonzalezSolveyra_oai2024-09-02 Scherlis Perel, Damián A. Soler Illia, Galo J. A. A. González Solveyra, Estefanía 2014-04-16 En este trabajo de tesis se emplearon herramientas de simulación molecular clásicajunto con distintas estrategias de síntesis y caracterización para explorar la relación entrenanoconfinamiento y propiedades de agua en materiales mesoporosos. Los óxidos mesoporososson materiales que presentan poros monodispersos (2-50 nm) altamente ordenadosy de elevada área específica (100-1000 m2/g). La precisión con que pueden controlarse lasdimensiones, la interconectividad y la morfología de los poros en la escala nanométrica,da lugar a propiedades sumamente particulares, de interés en multitud de aplicacionestecnológicas: (foto)catálisis, sorción, sensores, biomateriales, involucrando casi todas ellasla inteacción con H2O. En base a ello, se decidió investigar los aspectos físico-químicosdel agua confinada en estos entornos, haciendo foco en fenómenos de equilibrio de fase (equilibrio líquido-vapor y sólido-líquido), estructura y transporte. Además de la motiva-ción tecnológica, estos sistemas son de interés desde el punto de vista fundamental, puesofrecen un modelo donde estudiar los efectos del confinamiento en la nanoescala. Se emplearon en primer lugar herramientas de simulación molecular de distinta escala (Dinámica Molecular atomística y coarse-grained), caracterizando el comportamientode agua confinada en matrices porosas de 1-8 nm de diámetro. De esta manera, fue posibledescribir, desde una perspectiva molecular, la estructura y dinámica del agua, suspropiedades ópticas, así como los diferentes mecanismos de llenado de los nanoporos ylos fenómenos de histéresis. También se logró una descripción microscópica del equilibriosólido-líquido en estos entornos altamente confinados. Se estudió la incidencia del radiodel poro, la filicidad y la rugosidad de las paredes sobre los fenómenos mencionados y enparticular sobre las isotermas de sorción. Asimismo, se recurrió a un esquema experimental para complementar los resultadoscomputacionales. Los óxidos mesoporosos se sintetizaron en forma de películas delgadasy xerogeles mediante estrategias de síntesis sol-gel y procesos de autoensamblado inducidopor evaporación, que combinan la polimerización del óxido inorgánico junto con elautoensamblado de moléculas anfifílicas, que actúan como agentes moldeantes del arregloporoso. Para la caracterización estructural de los sistemas sintetizados se utilizaron diver-sas técnicas: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Las propiedades de sorciónde agua en mesoporos fueron investigadas en películas delgadas obtenidas por spin y dipcoating, mediante Porosimetría Elipsométrica Ambiental y XRR. El aporte original de esta tesis reside en la complementación de técnicas experimentalesavanzadas con herramientas de simulación computacional para atender cuestiones de graninterés para la comunidad experimental pero de difícil elucidación dadas las limitacionesde resolución espacio-temporales de las técnicas actuales. Esta estrategia dual constituyeuna vía extremadamente poderosa para la descripción de fenómenos físicos y químicos enestos sistemas. In this thesis, classical molecular dynamics along with several synthesis and characterizationtechniques were employed to explore the relation between nanoconfinement andproperties of water in mesoporous materials. Mesoporous oxides present highly orderedmonodisperse pores (2-50 nm) and high surface area (100-1000 m2/g). The precision achievedin controlling pore dimensions, interconnectivity, and morphology in the nanometerrange gives rise to unique properties with several technological applications, such as (photo)catalysis, sorption, sensors, biomaterials, all of which involve water interactions. Basedon this fact, we decided to investigate the physical-chemical aspects of water confined insuch environments, focusing on phase transitions phenomena (solid-liquid and liquid-vaporequilibria), structure and transport. Besides the technological motivations, these systemsare also very interesting from a fundamental point of view, given that they offer a modelin which to study confinement effects in the nanoscale. Firstly we employed molecular simulation techniques at different scales (atomistic andcoarse-grained Molecular Dynamics) to characterize the behavior of water confined inporous matrices of 1-8 nm diameter. In his way, we were able to describe from a molecularperspective, water structure and dynamics, its optical properties as well as different fillingmechanisms and hysteresis in the nanopores. We also achieved a microscopic descriptionof the liquid-solid equilibrium in these highly confining environments. We study the effectof pore radius, hydrophilicity/hydrophobicity, and surface roughness on the mentionedphenomena, particularly on the sorption isotherms. We also resorted to an experimental scheme to encompass our computational findings. Mesoporous oxides were synthesized as thin films and xerogels by sol-gel reactions andevaporation-induced self-assembly processes, which combine inorganic oxide polymerizationwith the self-assembly of amphiphilic molecules that act as a template of the porousarrange. Structural characterization of the synthesized materials involved several techniques: TEM, SEM, SAXS-2D, GISAXS, XRR, WAXRD. Water sorption properties in thinfilms obtained by spin and dip-coating were investigated by Environmental Ellipsometric Porosimetry and XRR. The original contribution of this thesis lies in the complementation of state of the artexperimental techniques with computational simulation tools to address issues of great dealof interest for the experimental community but difficult to elucidate given the temporaland spatial limitations of existing techniques. This dual strategy represents a very powerfulscheme for the description of physical-chemical phenomena in these systems. Fil: González Solveyra, Estefanía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5527_GonzalezSolveyra spa Universidad de Buenos Aires. 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