Síntesis, funcionalización y caracterización de nanopartículas de óxidos de silicio, zinc y titanio

Resumen

En la presente memoria, se describe la preparación y caracterización de nanopartículas de óxidos de silicio, zinc y titanio, funcionalizadas con diversos grupos orgánicos en su superficie a través de la metodología Sol-Gel. Adicionalmente, se ha verificado la aplicabilidad de las nanopartículas de SiO2 y TiO2, obteniendo resultados preliminares prometedores, que abren la posibilidad de futuros desarrollos de productos que se basen en el conocimiento generado en esta tesis doctoral. Se han estudiado dos rutas (postsíntesis e in situ) para la síntesis y funcionalización de nanopartículas de SiO2, partiendo del método Stöber, diseñado específicamente para la síntesis de nanosílice. De esta forma, se ha logrado modificar su superficie, bajo el empleo de compuestos basados en silanos que cuentan con diferentes grupos orgánicos (amina, fenilo, vinilo, etc.), obteniendo en cada caso dispersiones coloidales de nanopartículas de SiO2 funcionalizadas. Se ha realizado una caracterización completa sobre las suspensiones sintetizadas, que han servido para comparar ambas rutas, demostrado así, que la ruta in situ permitía obtener dispersiones de partículas estables y de tamaño nanométrico en suspensión, independientemente de la función orgánica empleada. A continuación, se ha estudiado la aplicabilidad de dicha nanosílice funcionalizada incorporándola a una matriz cementicia, donde se ha logrado mejorar sus resistencias mecánicas, así como abrir la posibilidad de hibridar la estructura principal, formada en la hidratación del cemento, el Gel C-S-H. También se han sintetizado y funcionalizado nanopartículas de óxidos metálicos a partir de la ruta postsíntesis. Concretamente, nanopartículas de ZnO funcionalizadas a través de la absorción superficial de agentes acoplantes, completando su caracterización con diversas técnicas que permitieron conocer sus propiedades más destacadas en aplicaciones como bloqueadores de la luz ultravioleta. Otra de las nanopartículas de óxidos metálicos que se han sintetizado, son nanopartículas de TiO2 tras la adición de los correspondientes organoalcoxisilanos sobre la nanotitania sin funcionalizar. Además, se ha estudiado la aplicabilidad de dichas nanopartículas en la preparación de recubrimientos a través de la metodología Sol-Gel y empleando como fuente de titanio, nanopartículas de TiO2 sin funcionalizar sintéticas y/o comerciales (P25 TiO2), demostrando buenas propiedades fotocatalíticas y ópticas. Finalmente, debido al auge de estas nanoestructuras y a la correspondiente preocupación por los efectos sobre la salud y seguridad, se ha evaluado la toxicidad de la nanosílice funcionalizada en esta tesis doctoral (en concreto, n-SiO2, N-1P, A-1P) frente al crustáceo de agua dulce Daphnia magna, afirmando la no toxicidad, en este caso específico, de las nanopartículas analizadas, así como su actividad biocida destruyendo la especie bacterial Bacillus antrophaeus.