Material híbrido - Hybrid material

Os materiais híbridos são compostos que consistem em dois constituintes no nível nanométrico ou molecular . Normalmente, um desses compostos é inorgânico e o outro é de natureza orgânica . Assim, eles diferem dos compósitos tradicionais onde os constituintes estão no nível macroscópico ( micrômetro a milímetro ). A mistura na escala microscópica leva a um material mais homogêneo que apresenta características entre as duas fases originais ou mesmo novas propriedades.

Introdução

Materiais híbridos na natureza

Muitos materiais naturais consistem em blocos de construção orgânicos e inorgânicos distribuídos em nanoescala. Na maioria dos casos, a parte inorgânica fornece resistência mecânica e uma estrutura geral aos objetos naturais, enquanto a parte orgânica fornece ligação entre os blocos de construção inorgânicos e / ou o resto do tecido . Exemplos típicos incluem osso e nácar .

Desenvolvimento de materiais híbridos

Os primeiros materiais híbridos foram as tintas feitas de componentes inorgânicos e orgânicos usados ​​há milhares de anos. A borracha é um exemplo do uso de materiais inorgânicos como cargas para polímeros orgânicos . O processo sol-gel desenvolvido na década de 1930 foi uma das principais forças motrizes que se tornou o amplo campo de materiais híbridos inorgânicos-orgânicos.

Classificação

Os materiais híbridos podem ser classificados com base nas possíveis interações entre as espécies inorgânicas e orgânicas. Os materiais híbridos de Classe I são aqueles que apresentam interações fracas entre as duas fases, como van der Waals , ligações de hidrogênio ou interações eletrostáticas fracas . Os materiais híbridos de Classe II são aqueles que apresentam fortes interações químicas entre os componentes, como ligações covalentes .

As propriedades estruturais também podem ser usadas para distinguir entre vários materiais híbridos. Uma porção orgânica contendo um grupo funcional que permite a ligação a uma rede inorgânica, por exemplo, um grupo trialcoxissilano, pode atuar como um modificador de rede porque na estrutura final a rede inorgânica é modificada apenas pelo grupo orgânico. Os feniltrialcoxissilanos são um exemplo de tais compostos; eles modificam a rede de sílica no processo sol-gel por meio da reação do grupo trialcoxissilano sem fornecer grupos funcionais adicionais destinados a sofrer outras reações químicas ao material formado. Se um grupo funcional reativo for incorporado, o sistema é chamado de funcionalizador de rede . A situação é diferente se dois ou três desses grupos âncora modificam um segmento orgânico; isso leva a materiais nos quais o grupo inorgânico é posteriormente uma parte integrante da rede híbrida. O último tipo de sistema é conhecido como construtor de rede

As misturas são formadas se não houver interações químicas fortes entre os blocos de construção orgânicos e inorgânicos. Um exemplo de tal material é a combinação de aglomerados ou partículas inorgânicas com polímeros orgânicos sem uma interação forte (por exemplo, covalente) entre os componentes. Neste caso, é formado um material que consiste, por exemplo, de um polímero orgânico com porções inorgânicas discretas aprisionadas em que, dependendo das funcionalidades dos componentes, por exemplo, a reticulação fraca ocorre pelas unidades inorgânicas aprisionadas por meio de interações físicas ou os componentes inorgânicos são aprisionados em uma matriz de polímero reticulado. Se uma rede inorgânica e uma rede orgânica se interpenetram sem fortes interações químicas, as chamadas redes interpenetrantes (IPNs) são formadas, o que é por exemplo o caso se um material sol-gel é formado na presença de um polímero orgânico ou vice-versa. Ambos os materiais descritos pertencem a híbridos de classe I. Híbridos de classe II são formados quando os blocos de construção inorgânicos discretos, por exemplo, aglomerados, são covalentemente ligados aos polímeros orgânicos ou polímeros inorgânicos e orgânicos são covalentemente conectados uns aos outros.

Distinção entre nanocompósitos e materiais híbridos

O termo nanocompósito é usado se a combinação de unidades estruturais orgânicas e inorgânicas produz um material com propriedades compostas. Isso quer dizer que as propriedades originais dos componentes orgânicos e inorgânicos separados ainda estão presentes no compósito e não são alteradas pela mistura desses materiais. No entanto, se uma nova propriedade emerge da mistura íntima, o material se torna um híbrido. Um exemplo macroscópico é a mula, que é mais adequada para o trabalho duro do que qualquer um de seus pais, o cavalo e o burro. O tamanho dos componentes individuais e a natureza de sua interação (covalente, eletrostática, etc.) não entram na definição de um material híbrido.

Vantagens dos materiais híbridos sobre os compósitos tradicionais

  • Aglomerados inorgânicos ou nanopartículas com propriedades ópticas, eletrônicas ou magnéticas específicas podem ser incorporados em matrizes poliméricas orgânicas.
  • Ao contrário dos materiais inorgânicos de estado sólido puro que muitas vezes requerem um tratamento de alta temperatura para seu processamento, os materiais híbridos apresentam um manuseio mais semelhante ao polímero, seja por causa de seu grande conteúdo orgânico ou por causa da formação de redes inorgânicas reticuladas a partir de pequenos precursores moleculares como em reações de polimerização.
  • A dispersão de luz em material híbrido homogêneo pode ser evitada e, portanto, a transparência óptica dos materiais híbridos e nanocompósitos resultantes pode ser alcançada.

Síntese

Duas abordagens diferentes podem ser usadas para a formação de materiais híbridos: Os blocos de construção pré-formados bem definidos são aplicados que reagem entre si para formar o material híbrido final no qual os precursores ainda mantêm, pelo menos parcialmente, sua integridade original ou um ou ambos estruturais unidades são formadas a partir dos precursores que são transformados em uma nova estrutura (rede). É importante que a interface entre os materiais inorgânicos e orgânicos tenha que ser adaptada para superar problemas sérios na preparação de materiais híbridos. Diferentes blocos de construção e abordagens podem ser usados ​​para sua preparação e devem ser adaptados para superar as diferenças de materiais inorgânicos e orgânicos.

Abordagem de blocos de construção

Os blocos de construção mantêm, pelo menos parcialmente, sua integridade molecular ao longo da formação do material, o que significa que as unidades estruturais que estão presentes nessas fontes para a formação de materiais também podem ser encontradas no material final. Ao mesmo tempo, as propriedades típicas desses blocos de construção geralmente sobrevivem à formação da matriz, o que não é o caso se os precursores do material são transferidos para novos materiais. Exemplos representativos de tais blocos de construção bem definidos são aglomerados inorgânicos modificados ou nanopartículas com grupos orgânicos reativos anexados.

Os compostos de cluster geralmente consistem em pelo menos um grupo funcional que permite uma interação com uma matriz orgânica, por exemplo, por copolimerização. Dependendo do número de grupos que podem interagir, esses blocos de construção são capazes de modificar uma matriz orgânica (um grupo funcional) ou formar materiais parcialmente ou totalmente reticulados (mais de um grupo). Por exemplo, dois grupos reativos podem levar à formação de estruturas em cadeia. Se os blocos de construção contiverem pelo menos três grupos reativos, eles podem ser usados ​​sem moléculas adicionais para a formação de um material reticulado.

Além dos blocos de construção moleculares mencionados, blocos de construção nanométricos, como partículas ou nanobastões, também podem ser usados ​​para formar nanocompósitos. A abordagem de bloco de construção tem uma grande vantagem em comparação com a formação in situ das entidades inorgânicas ou orgânicas: porque pelo menos uma unidade estrutural (o bloco de construção) é bem definida e geralmente não sofre mudanças estruturais significativas durante a formação da matriz, melhor previsões de estrutura-propriedade são possíveis. Além disso, os blocos de construção podem ser projetados de forma a dar o melhor desempenho na formação dos materiais, por exemplo, boa solubilidade de compostos inorgânicos em monômeros orgânicos por grupos de superfície apresentando uma polaridade semelhante aos monômeros.

Nos últimos anos, muitos blocos de construção foram sintetizados e usados ​​para a preparação de materiais híbridos. Os químicos podem projetar esses compostos em escala molecular com métodos altamente sofisticados e os sistemas resultantes são usados ​​para a formação de materiais híbridos funcionais. Muitas aplicações futuras, em particular em nanotecnologia, enfocam uma abordagem de baixo para cima na qual estruturas complexas são formadas hierarquicamente por esses pequenos blocos de construção. Essa ideia também é uma das forças motrizes da abordagem de blocos de construção em materiais híbridos.

Formação in situ dos componentes

A formação in situ dos materiais híbridos é baseada na transformação química dos precursores usados ​​ao longo da preparação dos materiais. Normalmente, este é o caso se polímeros orgânicos são formados, mas também se o processo sol-gel é aplicado para produzir o componente inorgânico. Nestes casos, moléculas discretas bem definidas são transformadas em estruturas multidimensionais, que frequentemente apresentam propriedades totalmente diferentes dos precursores originais. Geralmente, moléculas disponíveis comercialmente são aplicadas e a estrutura interna do material final é determinada pela composição desses precursores, mas também pelas condições de reação. Portanto, o controle sobre o último é uma etapa crucial neste processo. A alteração de um parâmetro geralmente pode levar a dois materiais muito diferentes. Se, por exemplo, a espécie inorgânica é um derivado de sílica formado pelo processo sol-gel, a mudança da catálise de base para ácida faz uma grande diferença porque a catálise de base leva a uma microestrutura mais parecida com uma partícula, enquanto a catálise de ácido leva a um polímero como microestrutura. Portanto, o desempenho final dos materiais derivados é fortemente dependente de seu processamento e sua otimização.

Formação in situ de materiais inorgânicos

Muitos dos materiais inorgânicos clássicos em estado sólido são formados usando precursores sólidos e processos de alta temperatura, que muitas vezes não são compatíveis com a presença de grupos orgânicos porque são decompostos em temperaturas elevadas. Portanto, esses processos de alta temperatura não são adequados para a formação in situ de materiais híbridos. As reações que são empregadas devem ter mais o caráter da formação de ligações covalentes clássicas em soluções. Um dos processos mais importantes que atendem a essas demandas é o processo sol-gel. No entanto, esses processos de temperatura bastante baixa muitas vezes não levam à estrutura termodinamicamente mais estável, mas a produtos cinéticos, o que tem algumas implicações para as estruturas obtidas. Por exemplo, materiais inorgânicos derivados de baixa temperatura são frequentemente amorfos ou a cristalinidade só é observada em uma escala de comprimento muito pequena, ou seja, na faixa nanométrica. Um exemplo deste último é a formação de nanopartículas metálicas em matrizes orgânicas ou inorgânicas por redução de sais metálicos ou precursores organometálicos.

Alguns métodos de formação in situ de materiais inorgânicos são:

  • Processo Sol-gel
  • Processo sol-gel não hidrolítico
  • Reações sol-gel de não silicatos

Formação de polímeros orgânicos na presença de materiais inorgânicos pré-formados

Se a polimerização orgânica ocorrer na presença de um material inorgânico para formar o material híbrido, deve-se distinguir entre várias possibilidades para superar a incompatibilidade das duas espécies. O material inorgânico pode ter nenhuma funcionalização de superfície, mas a superfície do material nu; pode ser modificado com grupos orgânicos não reativos (por exemplo, cadeias alquil); ou pode conter grupos de superfície reativos, como funcionalidades polimerizáveis. Dependendo desses pré-requisitos, o material pode ser pré-tratado, por exemplo, uma superfície inorgânica pura pode ser tratada com surfactantes ou agentes de acoplamento de silano para torná-la compatível com os monômeros orgânicos, ou monômeros funcionais podem ser adicionados que reagem com a superfície do material inorgânico. Se o componente inorgânico tiver grupos orgânicos não reativos ligados à sua superfície e puder ser dissolvido em um monômero que é subsequentemente polimerizado, o material resultante após a polimerização orgânica é uma mistura. Neste caso, o componente inorgânico interage apenas fracamente ou não interage com o polímero orgânico; portanto, um material de classe I é formado. Materiais homogêneos são obtidos neste caso somente se a aglomeração dos componentes inorgânicos no ambiente orgânico for evitada. Isso pode ser alcançado se as interações entre os componentes inorgânicos e os monômeros forem melhores ou pelo menos as mesmas que entre os componentes inorgânicos. No entanto, se nenhuma interação química forte for formada, a estabilidade a longo prazo de um material antes homogêneo é questionável por causa dos efeitos de difusão no material híbrido resultante. Quanto mais forte for a respectiva interação entre os componentes, mais estável é o material final. A interação mais forte é alcançada se os materiais da classe II forem formados, por exemplo, com interações covalentes.

Materiais híbridos pela formação simultânea de ambos os componentes

A formação simultânea de polímeros inorgânicos e orgânicos pode resultar no tipo mais homogêneo de redes interpenetrantes. Normalmente, os precursores do processo sol-gel são misturados com monômeros para a polimerização orgânica e ambos os processos são realizados ao mesmo tempo com ou sem solvente. Aplicando este método, três processos competem entre si:

(a) a cinética da hidrólise e condensação formando a fase inorgânica,
(b) a cinética da polimerização da fase orgânica, e
(c) a termodinâmica da separação de fases entre as duas fases.

Ajustando a cinética das duas polimerizações de modo que ocorram simultaneamente e com rapidez suficiente, a separação de fases é evitada ou minimizada. Parâmetros adicionais, como interações atraentes entre as duas frações, como descrito acima, também podem ser usados ​​para evitar a separação de fases.

Um problema que também surge da formação simultânea de ambas as redes é a sensibilidade de muitos processos de polimerização orgânica para as condições de sol-gel ou a composição dos materiais formados. As polimerizações iônicas, por exemplo, freqüentemente interagem com os precursores ou intermediários formados no processo sol-gel. Portanto, eles geralmente não são aplicados nessas reações.

Formulários

Referências