Material híbrido

Muchos materiales naturales están compuestos por bloques de construcción inorgánicos y orgánicos distribuidos a 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 la unión entre los bloques de construcción inorgánicos y/o el resto del tejido . Ejemplos típicos son el hueso y el nácar .

Los primeros materiales híbridos fueron las pinturas elaboradas con componentes inorgánicos y orgánicos, utilizadas hace miles de años. El caucho es un ejemplo del uso de materiales inorgánicos como cargas para polímeros orgánicos . El proceso sol-gel, desarrollado en la década de 1930, fue uno de los principales impulsores de lo que hoy es el amplio campo de los materiales híbridos inorgánicos-orgánicos.

Los materiales híbridos se pueden clasificar según 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 pueden utilizarse para distinguir entre diversos materiales híbridos. Una porción orgánica que contiene un grupo funcional que permite la unión a una red inorgánica, por ejemplo, un grupo trialcoxisilano, puede actuar como modificador de red, ya que en la estructura final la red inorgánica solo se modifica por el grupo orgánico. Los feniltrialcoxisilanos son un ejemplo de estos compuestos; modifican la red de sílice en el proceso sol-gel mediante la reacción del grupo trialcoxisilano sin aportar grupos funcionales adicionales destinados a sufrir reacciones químicas posteriores en el 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 da lugar a materiales en los que el grupo inorgánico es posteriormente parte integral de la red híbrida. Este 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 este tipo de material es la combinación de cúmulos 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 fragmentos inorgánicos discretos atrapados en los que, dependiendo de las funcionalidades de los componentes, se produce, por ejemplo, una reticulación débil mediante las unidades inorgánicas atrapadas a través de interacciones físicas, o bien los componentes inorgánicos quedan atrapados en una matriz polimérica reticulada. Si una red inorgánica y una orgánica se interpenetran sin interacciones químicas fuertes, se forman las denominadas redes interpenetrantes (IPN), como ocurre, por ejemplo, cuando se forma un material sol-gel en presencia de un polímero orgánico o viceversa. Ambos materiales descritos pertenecen a los híbridos de clase I. Los híbridos de clase II se forman cuando los bloques de construcción inorgánicos discretos, por ejemplo, los cúmulos, están unidos covalentemente a los polímeros orgánicos, o cuando los polímeros inorgánicos y orgánicos están conectados covalentemente entre sí.

El término nanocompuesto se utiliza cuando la combinación de unidades estructurales orgánicas e inorgánicas da como resultado un material con propiedades compuestas. Es decir, las propiedades originales de los componentes orgánicos e inorgánicos individuales se mantienen en el compuesto y no se modifican al mezclar estos materiales. Sin embargo, si surge una nueva propiedad de la mezcla, el material se convierte en un híbrido. ^{[ 3 ]} Un ejemplo macroscópico es la mula, que está más adaptada para el trabajo pesado 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 influyen en la definición de un material híbrido. ^{[ 4 ]}

Los bloques de construcción conservan, al menos parcialmente, su integridad molecular durante la formación del material, lo que significa que las unidades estructurales presentes en las fuentes de formación de materiales también se encuentran en el material final. Al mismo tiempo, las propiedades típicas de estos bloques de construcción suelen mantenerse tras la formación de la matriz, lo que no ocurre si los precursores del material se transforman en materiales nuevos. Ejemplos representativos de estos bloques de construcción bien definidos son los cúmulos inorgánicos modificados o las nanopartículas con grupos orgánicos reactivos unidos.

Los compuestos en clúster suelen constar de al menos un grupo funcional que permite la 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 reticulados parcial o totalmente (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 a nanoescala, como partículas o nanobarras, para formar nanocompuestos. El enfoque de bloques de construcción presenta una gran ventaja en comparación con la formación in situ de entidades inorgánicas u orgánicas: dado que al menos una unidad estructural (el bloque de construcción) está bien definida y, por lo general, no experimenta cambios estructurales significativos durante la formación de la matriz, es posible predecir mejor la relación estructura-propiedad. Además, los bloques de construcción se pueden diseñar de manera que ofrezcan el mejor rendimiento en la formación de materiales; por ejemplo, una buena solubilidad de compuestos inorgánicos en monómeros orgánicos mediante grupos superficiales que presenten una polaridad similar a la de los monómeros.

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

La formación in situ de los materiales híbridos se basa en la transformación química de los precursores utilizados durante su preparación. Esto suele ocurrir al formar polímeros orgánicos, pero también al aplicar el proceso sol-gel para producir el componente inorgánico. En estos casos, moléculas discretas bien definidas se transforman en estructuras multidimensionales, que a menudo presentan propiedades totalmente diferentes a las de los precursores originales. Generalmente se utilizan moléculas sencillas y disponibles comercialmente, y la estructura interna del material final está determinada por la composición de estos precursores, así como por las condiciones de reacción. Por lo tanto, el control de estas últimas es un paso crucial en este proceso. Modificar un solo parámetro puede dar lugar a dos materiales muy diferentes. Si, por ejemplo, la especie inorgánica es un derivado de sílice formado mediante el proceso sol-gel, el cambio de catálisis básica a ácida supone una gran diferencia, ya que la catálisis básica produce una microestructura más particulada, mientras que la catálisis ácida produce una microestructura polimérica. Por consiguiente, el rendimiento final de los materiales derivados depende en gran medida de su procesamiento y su optimización.