Micro y nanoensamblaje de partículas compuestas por adsorción electrostática

Resumen

Este trabajo informa sobre una novedosa técnica de fabricación controlada de nanocompuestos que es aplicable para el diseño de materiales a través de un método de micro y nanoensamblaje. El principio se basa en el uso de la adsorción electrostática de las partículas modificadas con carga superficial mediante un ensamblaje capa por capa. La polaridad y el potencial zeta de la carga superficial se controlaron utilizando policatión y polianión, mientras que la fuerza del potencial zeta se controló mediante el número de capas de revestimiento alternas que se determinó utilizando la medición del potencial zeta. Se realizó un estudio sistemático para demostrar la viabilidad del ensamblaje de material compuesto mediante adsorción electrostática utilizando alúmina (Al ₂ O ₃ ) y sílice (SiO ₂ ) compuesto como modelo de estudio, que se llevó a cabo en función del potencial zeta de la superficie, el porcentaje de cobertura de la superficie y el tiempo de procesamiento. El considerable potencial de esta técnica para el diseño de materiales compuestos también se demuestra aún más con el ensamblaje controlado que involucra diferentes materiales en varias formas estructurales, como fibra, bigotes, nanohojas e incluso uretano estructurado similar a una espuma de forma irregular. Los materiales compuestos diseñados con este método EA poseen un buen potencial para ser utilizados en diversas aplicaciones, como el control de propiedades mecánicas, la formación de películas cerámicas compuestas, la sinterización selectiva por láser y la batería recargable de metal-aire.

Introducción

En la sociedad centrada en la nanoescala de hoy en día, el diseño y la fabricación de nanoarquitectura nunca han sido más cruciales y han experimentado un rápido desarrollo en los últimos años. Los ensamblajes ascendentes, como las monocapas autoensambladas y una técnica de ensamblaje capa por capa (LbL) que utiliza adsorción electrónica, han atraído un interés significativo por parte de los investigadores [1, 2, 3]. Esto ha llevado a un nuevo concepto conocido como nanoarquitectura donde se utiliza una integración de polímero híbrido y nanoarquitectura inorgánica para el diseño morfológico a nanoescala [4]. Desde el descubrimiento de Decher et al., La mayor parte del trabajo informado involucró la formación de una o múltiples capas de películas (recubrimientos) en las superficies y se centró en la ingeniería molecular de la superficie [5, 6], polímeros conjugados, biocomponentes, grafeno. y fullereno [7]. El método LbL ha abierto un potencial significativo para el desarrollo de materiales avanzados que requieren un diseño preciso, como capas centrales para la administración de fármacos y cristales fotónicos, así como moléculas funcionales selectivas [8, 9]. Sin embargo, el ensamblaje controlado de micropartículas y nanopartículas utilizando una técnica de adsorción electrostática rara vez se informa [10]. Mo y col. demostraron el ensamblaje del hemisferio hueco basado en nanovarillas de ZnO usando termólisis hidrotermal del precursor de Zn en presencia de 2 g de polímero de cadena larga con un grupo lateral grande, poli (4-estirenosulfonato de sodio) (PSS) [11]. Mencionaron que la presencia de una cadena larga soluble en agua con un grupo lateral grande es crucial para la formación de la estructura ensamblada única que consta de hemisferios huecos. Se dice que la cadena larga promueve la agrupación de partículas coloidales secundarias que conducirían a la posterior cristalización y disolución de espacio limitado. Utilizando un concepto similar, también se ha demostrado que es posible fabricar capas de polímero tridimensionales utilizando núcleos que constan de una plantilla coloidal soluble por Decher [12, 13] y Caruso et al. [14]. Sus trabajos han sentado las bases para un mayor diseño de materiales utilizando el método EA. También se informa que el tamaño y la densidad de las nanoestructuras de un material aplicadas durante la bioingeniería podrían inducir específicamente las propiedades biológicas deseadas [15, 16]. Visalakshan y col. han informado sobre una formación controlada versátil y escalable de partículas de Au unidas covalentemente en una capa intermedia de polimetilioxazolina depositada en plasma con una nano-topografía bien definida que podría aplicarse a tecnologías relacionadas con la ingeniería de biomateriales [15]. En otro trabajo informado por Li et al., Han demostrado la viabilidad de obtener microesferas bifuncionales que constan de Fe ₂ O ₃ (núcleo) y SiO ₂ (caparazón) con nanopartículas de Au adsorbidas en la superficie a través de la interacción con polietilenimina mediante el método LbL. El compuesto híbrido bifuncional exhibió un excelente desempeño catalítico en la reducción orgánica e inorgánica mientras que poseía una propiedad superparamagnética que permitía una separación eficiente usando el campo magnético [17]. Los trabajos mencionados anteriormente han enfatizado aún más la importancia del micro y nanoensamblaje para la generación de propiedades deseadas para varias aplicaciones funcionales avanzadas. De cara a la fabricación a gran escala, Hueckel y Sacanna informaron sobre un método de reacción de mezcla y fusión que permite la producción en masa rápida de coloides anisotrópicos núcleo-capa utilizando autoensamblaje electrostático [18]. En el método LbL, a pesar de la posible aplicación de partículas / coloides sin carga, las cargadas siguen siendo el método comúnmente utilizado a través del ensamblaje de polielectrolitos multicapa [19]. Aparte de la utilización de polielectrolitos, el potencial zeta también se puede controlar mediante el ajuste del pH en función del material utilizado en la formación del compuesto [20, 21]. La aplicación secuencial de polielectrolitos con carga opuesta podría aumentar la fuerza de carga superficial así como la estabilidad de los recubrimientos de polielectrolitos, lo que puede determinarse mediante la medición del potencial zeta [13, 22]. Cuando el potencial zeta de una partícula modificada con carga superficial es equivalente o superior a +/− 40 mV, se informa que es suficiente para obtener una buena interacción electrostática estable para evitar la aglomeración y permanecer en forma coloidal [21, 23]. A pesar del avance y desarrollo del método LbL, su utilización para el diseño de materiales y compuestos rara vez se informa a pesar de su enorme potencial. Por lo tanto, en este trabajo, no solo demostramos un método fácil y superior para obtener una mezcla de materiales homogénea utilizando el método EA, sino que también nos dimos cuenta de la viabilidad del diseño de materiales compuestos que cruza los límites entre los materiales y la forma. El potencial del método EA se amplió aún más al demostrar la viabilidad de este método para la decoración de los aditivos deseados en materiales de estructura irregular como espuma de uretano, nitruro de boro en forma de lámina (BN) y materiales estructurados en forma de varilla. En cuanto a los métodos de mezcla convencionales, tales como la molienda mecánica, a menudo ocurre el caso en el que la estructura del precursor se degenera o altera debido al impacto volátil y la generación de calor. Además, también se produce una aglomeración de la mezcla que afectaría a las propiedades finales de los materiales compuestos [21, 24, 25]. Para superar este problema, es indispensable un método para el diseño preciso de materiales a nanoescala para impulsar la fabricación de precisión avanzada. La Figura 1 es un esquema que muestra la comparación de las microestructuras que podrían obtenerse mediante un método de molienda mecánico convencional con la ocurrencia de agregación en comparación con una nueva decoración homogénea de materiales compuestos mediante el método EA. Se podría obtener una microestructura bien distribuida utilizando los materiales compuestos decorados de manera homogénea para generar las propiedades deseadas a partir de un material compuesto funcional. En un trabajo publicado recientemente, se demostró una decoración homogénea de nanopartículas de óxido de indio y estaño (ITO) en la superficie de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) utilizando el método EA. Los polvos compuestos de ITO-PMMA obtenidos se utilizaron luego para fabricar un gránulo con buena transparencia en la región de la luz visible y un efecto de protección contra la luz IR controlable [21]. Por lo tanto, una descripción clara del método EA para micro y nanoensamblajes es vital para enfatizar la viabilidad y el potencial de esta técnica para el diseño de materiales. El principio fundamental de este nuevo trabajo se ilustra en la Fig.2 donde el control de la carga superficial se lleva a cabo utilizando polielectrolitos (policatión y polianión) para permitir la decoración homogénea de las partículas aditivas deseadas en la partícula primaria / madre. Utilizando la fuerza de atracción, se podrían lograr nanocomposites con una homogeneidad significativa independientemente de la complejidad estructural. La preservación de las nanoestructuras primarias y secundarias, como las nanofibras y las nanovarillas, podría lograrse en comparación con el método convencional de molienda mecánica que destruiría su estructura morfológica original. En términos de costo de fabricación, el método EA también es un método más rentable. Freymann y col. También enfatizó que el método EA es un excelente método de ensamblaje de abajo hacia arriba para la fabricación de cristales fotónicos en contraposición a los extremadamente costosos enfoques de arriba hacia abajo [8]. La viabilidad demostrada del diseño compuesto nanoarquitectónico demostrado en este novedoso trabajo podría ser una plataforma útil para diversas aplicaciones debido a su competitividad en costos y simplicidad. La formación a temperatura ambiente y la homogeneidad superior de este método tienen una ventaja significativa para la tecnología de fabricación precisa en polvo, como la deposición en aerosol [25], la tecnología de impresión 3D de cerámica y la sinterización láser de fabricación aditiva [26, 27]. La aplicabilidad de este método EA hacia aplicaciones prácticas útiles también se demuestra en nuestro trabajo recientemente informado para blindaje de luz IR [21], control de propiedades mecánicas del compuesto de alúmina a base de carbono [24] y batería recargable de Fe-aire [20].

Comparación de las microestructuras obtenidas mediante a método de fresado mecánico convencional y b novedosa técnica de adsorción electrostática para la fabricación de materiales compuestos

Esquema del ajuste de la carga electrostática de la superficie utilizando policatión y polianión para la formación de partículas compuestas

Procedimientos experimentales

Formación de Al ₂ O ₃ -SiO ₂ Partículas compuestas

Los experimentos se llevaron a cabo utilizando SiO ₂ esférico monodispersado comercialmente disponible. partículas (diámetro medio de partícula 8,8 μm, Ube EXSYMO) y alúmina (Al ₂ O ₃ ) partículas (tamaño medio de partícula 100 nm, Taimei Chemical Co., Ltd.). El policatión y el polianión utilizados fueron cloruro de polidialildimetilamonio (PDDA) (peso molecular medio 100.000 a 200.000, Sigma-Aldrich) y estirenosulfonato de polisodio (PSS) (peso molecular medio 70.000, Sigma-Aldrich), respectivamente. El SiO ₂ primario las partículas se sumergieron en los polielectrolitos en el orden de PDDA, PSS, PDDA y PSS para inducir una carga superficial negativa. En cuanto al Al ₂ O ₃ partículas, la carga superficial se preparó por inmersión en PSS y PDDA con el fin de obtener una carga superficial positiva. El potencial zeta de la superficie se controló mediante un recubrimiento repetitivo de múltiples capas mediante el proceso LbL [12, 13, 28]. Finalmente, la suspensión de SiO ₂ y Al ₂ O ₃ las partículas con el potencial zeta opuesto se mezclaron. El pH de la solución preparada estuvo en la vecindad de 7-8 (neutral). Cuando se añadió PDDA o PSS a una solución acuosa, el pH de la solución cambió a aproximadamente 5,5 y 6,8, respectivamente. Después de la adición de PDDA y PSS, las soluciones se lavaron y aclararon varias veces (hasta cuatro veces) para eliminar el exceso de PDDA y PSS de la solución. Después de lavar y enjuagar, el pH volvió a un pH original de aproximadamente 7-8. Si bien la suspensión obtenida fue estable durante varios días, se utilizaron para el ensamblaje electrostático a las pocas horas de su preparación. Las partículas más pequeñas cargadas electrostáticamente (secundarias) fueron atraídas y unidas a las partículas más grandes (primarias) que forman las nanopartículas / microcompuestos. El esquema del proceso de fabricación general del Al ₂ O ₃ -SiO ₂ partículas compuestas se muestra en la Fig. 3. El Al ₂ O ₃ y SiO ₂ Las partículas compuestas se mezclaron y agitaron durante hasta 180 min para permitir una adsorción completa. En la investigación del control de cobertura, la cantidad de adsorción de partículas se ajustó cambiando la proporción de mezcla de los precursores usando la fórmula siguiente:

$$ {W} _a =C {V} _a {\ rho} _a \ frac {W_m} {\ rho_m {V} _m} $$ (1)

Esquema de un Al ₂ O ₃ -SiO ₂ formación de partículas compuestas después del proceso de recubrimiento capa por capa de PDDA y PSS

W _a es la cantidad de partículas agregadas (g), C es la relación de cobertura de las partículas secundarias sobre las partículas primarias ( C = S _a / S _m; S _a es el área de la sección transversal [m ² ] de las partículas de aditivo mientras que S _m es el área de superficie de las partículas primarias [m ² ]), V _a es el volumen de una partícula aditiva [m ³ ], ρ _a es la densidad de las partículas aditivas [g / m ³ ], W _m es la cantidad de partículas primarias [g], ρ _m es la densidad de las partículas primarias [g / m ³ ] y V _m es el volumen de una partícula primaria [m ³ ]. En este estudio, la cantidad de partículas de aditivo se ajustó a coberturas de superficie del 25, 50 y 75% de una cantidad constante de SiO primario ₂ partículas. La estimación de cobertura del Al ₂ O ₃ -SiO ₂ El compuesto obtenido también se calculó a partir de las imágenes SEM y se tabuló en la Tabla 1. En un estudio diferente sobre el efecto del tiempo de deposición durante el proceso de reacción, la duración de Al ₂ O ₃ y SiO ₂ La formación de partículas compuestas se investigó a intervalos de 5, 15 y 60 minutos con una cobertura constante del 25%.

Formación de SiO ₂ -SiO ₂ Partículas compuestas con control de tamaño

En esta investigación, con el fin de demostrar la viabilidad de diseñar un composite que consta del mismo material pero de diferentes tamaños, SiO ₂ con tamaños de partícula de 1, 4 y 16 μm (Ube EXYMO). En cuanto al SiO ₂ primario de 16 μm partículas, se llevó a cabo un recubrimiento LbL de PDDA / PSS / PDDA / PSS mientras que para el secundario más pequeño de 1 y 4 μm SiO ₂ partículas, se realizó el recubrimiento LbL de PDDA / PSS / PDDA. Luego, las suspensiones se mezclaron y se agitaron en consecuencia.

Formación de varias combinaciones compuestas mediante el método EA

Para demostrar aún más la viabilidad y flexibilidad de este método novedoso en el diseño de materiales compuestos que involucra varios materiales y formas, materiales como Al ₂ O ₃ , polimetilmetacrilato (PMMA), nanotubos de carbono (CNT), nitruro de boro (BN), fibra de carbono y carburo de silicio (SiC) en la forma estructural de fibra, bigotes, nanoláminas y una estructura irregular similar a una espuma se utilizaron para formar los compuestos a través del método EA. Dependiendo del material, la modificación de la carga superficial difiere. Para Al ₂ O ₃ y SiO ₂ que poseen carga superficial positiva y negativa, respectivamente, se utilizaron PSS y PDDA para inducir la carga opuesta hasta que el potencial zeta sea superior a +/- 40 mV antes del ensamblaje electrostático. Para los materiales que exhiben un potencial zeta bajo o insignificante, como PMMA, microesferas de carbono, CNT, BN, fibra de carbono, SiC y uretano, se utilizó una capa inicial de surfactante, desoxicolato de sodio (SDC), para recubrir e inducir una carga superficial negativa. en la superficie seguido de PDDA. Se ajustaron múltiples capas alternas de PDDA y PSS hasta que el potencial zeta sea superior a +/- 40 mV antes de mezclar para permitir el ensamblaje electrostático. Por ejemplo, para obtener un compuesto que consta de carbono-microesfera-Al ₂ O ₃ , la superficie de la partícula primaria Al ₂ O ₃ se modificó con carga superficial usando PSS para inducir una carga superficial negativa. En cuanto a las microesferas de carbono secundarias, se llevó a cabo un recubrimiento inicial de SDC seguido de PDDA para generar un potencial de superficie zeta positivo. Si el potencial zeta es menor de + 40 mV, se realiza un recubrimiento alterno de PSS / PDDA para obtener un potencial de superficie más alto y más estable para el conjunto electrostático. Luego, el Al ₂ modificado con carga superficial O ₃ y una solución acuosa de microesferas de carbono se mezclaron y agitaron para promover el proceso de adsorción electrostática. Se aplicó un enfoque similar a PMMA, CNT, BN, fibra de carbono, SiC y uretano antes del proceso de ensamblaje electrostático.

Método, observación morfológica y medición

Se utilizó un homogeneizador ultrasónico (QSonica, LLC., Q 700) para dispersar las partículas aglomeradas en una solución. Se utilizó un liofilizador (FDU-1200, Tokyo Science Instrument Co., Ltd.) para secar la suspensión de partículas compuestas obtenida. Las morfologías obtenidas después de EA se observaron utilizando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo S-4800 (FE-SEM, Hitachi S-4800). El potencial zeta se midió utilizando equipos de medición de Otsuka Electronics Co. Ltd., ELSZ-1 y Micro Tech Nission, ZEECOM Co. Ltd.

Resultados y discusión

La Figura 4 muestra las imágenes SEM del Al ₂ obtenido O ₃ -SiO ₂ partículas compuestas con las diferentes coberturas del 25, 50 y 75%, respectivamente. Se puede observar claramente que el Al ₂ O ₃ las nanopartículas se distribuyen de manera homogénea por la superficie del SiO ₂ partícula. De las imágenes SEM, la cantidad de Al ₂ O ₃ partículas adsorbidas en la superficie del SiO ₂ Las partículas se calcularon y se resumen en la Tabla 1. A partir de los resultados obtenidos, los valores de cobertura estimada medidos son aproximados a las coberturas objetivo previstas de 25, 50 y 75%. Este resultado muestra que al usar este novedoso método de EA, la cobertura podría controlarse ajustando la cantidad de partículas de aditivo mientras se mantiene una muy buena cobertura homogénea donde el Al ₂ secundario O ₃ las partículas se distribuyen uniformemente en la superficie del SiO primario ₂ partícula sin ningún signo de aglomeración o manchas concentradas. En el estudio separado del tiempo de reacción durante el mezclado y la agitación, las imágenes SEM de las partículas compuestas (25% de cobertura) obtenidas después de 5, 15 y 60 min se muestran en la Fig. 5. La cantidad de partículas de aditivo depositadas en el primario SiO ₂ Se observó que la partícula aumentaba con el tiempo. Cabe destacar que incluso en un tiempo de mezcla y agitación corto de 5 min, las partículas de aditivo se distribuyen uniformemente en la superficie de SiO ₂ partículas (no aglomeradas). Con tiempos prolongados de mezcla y agitación de 15 y 60 min, la cantidad de Al ₂ depositado O ₃ aumentado en consecuencia. Después de 60 minutos, la cantidad de Al ₂ O ₃ partículas obtenidas en SiO ₂ es similar a la obtenida en la cobertura de distribución del 25% antes mencionada. Esto muestra que la deposición de partículas del método EA depende del tiempo de reacción (mezcla y agitación). El comportamiento general de dependencia del tiempo de Al ₂ O ₃ adsorción en SiO ₂ para diferentes proporciones de cobertura, así como el potencial zeta medido se resumen en la Fig. 6. De la Fig. 6a, para obtener una cobertura del 25%, el tiempo necesario para lograr una meseta de deposición es de 60 min, mientras que aquellos con una mayor cobertura de superficie requieren un tiempo prolongado hasta 180 min. El retraso de la deposición es causado por el aumento de Al ₂ O ₃ suspensión de partículas que conduce a un aumento de Al ₂ O ₃ adsorción en SiO ₂ que posteriormente resultó en la aparición de un efecto de impedimento estérico [5, 29]. En la Fig. 6b, se puede ver que el potencial zeta aparente de Al ₂ O ₃ -SiO ₂ compuesto cambió gradualmente de negativo a positivo con el aumento de aditivo Al ₂ O ₃ cobertura de partículas. Como la cantidad de Al ₂ cargado positivamente O ₃ partículas adsorbidas sobre SiO ₂ aumentado, el potencial zeta positivo de la superficie también aumentó, lo que generó un efecto de blindaje que evita el subsiguiente Al ₂ O ₃ para ser adsorbido sobre SiO ₂ y provoca el retraso de la deposición. La distribución homogénea de Al ₂ cargado positivamente O ₃ partículas en la superficie de SiO ₂ a casi la misma distancia entre cada Al ₂ O ₃ partícula dio como resultado la generación del efecto estérico que se cree que es equivalente al del SiO ₂ cargado negativamente partícula. Por tanto, esto da como resultado el logro del punto isoeléctrico. En el trabajo reportado por Xu et al., Han reportado una observación casi similar donde, al controlar la densidad de carga del polielectrolito, la rugosidad de la película de la membrana y la variación de la distancia del sustrato, así como la importancia de las restricciones estéricas del ion a ion. se mostró el espaciado en el emparejamiento de polielectrolitos [30].

Imágenes SEM del Al ₂ O ₃ -SiO ₂ partículas compuestas con diferente cobertura de a 25, b 50 y c 75%, respectivamente

Imágenes SEM del Al ₂ O ₃ -SiO ₂ partículas compuestas que se mezclaron y agitaron durante un 5, b 15 y c 60 min, respectivamente, con una cantidad fija de partículas de aditivo del 25% de cobertura

un Comportamiento de dependencia del tiempo de Al ₂ O ₃ adsorción en SiO ₂ partícula para diversas proporciones de cobertura de suspensión. b Potencial zeta de Al ₂ O ₃ -SiO ₂ Partículas compuestas obtenidas usando un porcentaje de cobertura variable. Se prepararon tres muestras independientes y se realizaron un promedio de cinco mediciones para obtener la desviación estándar

En la demostración de la formación de partículas compuestas que consisten en el mismo material pero de diferentes tamaños, también es importante ajustar el potencial zeta de la superficie ajustando el número de recubrimientos de polielectrolito alternos. Archivo adicional 1:La Figura S1 muestra el aumento gradual del potencial zeta con el número de recubrimientos alternos de PDDA y PSS. El potencial zeta aumentó una vez desde aproximadamente - 30 a - 60 mV después de cuatro capas de recubrimiento. Las imágenes SEM del SiO ₂ Las partículas compuestas se muestran en la Fig.7, que muestran una excelente distribución de sub-micro SiO ₂ partículas en un SiO ₂ de 16 μm partícula. En la Fig. 7a, SiO ₂ submicrosizado Se ven partículas de aproximadamente 1 μm distribuidas homogéneamente a través de la superficie de un SiO ₂ de 16 μm partícula mientras que en la Fig. 7b, SiO ₂ más grande Se observa que las micropartículas de aproximadamente 4 µm están bien distribuidas de manera similar. Esto muestra que ajustando la fuerza de la carga superficial, también se podrían utilizar partículas de aditivo más grandes para la fabricación de materiales compuestos mediante el método EA. Para demostrar aún más la viabilidad y aplicabilidad de este nuevo método, varios materiales como Al ₂ O ₃ , PMMA, CNT, BN, fibra de carbono, SiC y uretano que involucran varias formas, como fibra, así como bigotes y espuma de estructura irregular, se utilizaron para la formación de material compuesto. Las morfologías de los materiales compuestos obtenidos se muestran en la Fig. 8, lo que indica una decoración homogénea de las partículas de aditivo deseadas sobre varias partículas primarias y estructuras mediante el método EA. En la Fig. 8a-c, la decoración de diferentes estructuras como microesferas de carbono, CNT de alta relación de aspecto y nanoláminas de BN en diferentes materiales que consisten en Al ₂ O ₃ , PMMA y SiO ₂ se muestran las microesferas respectivamente. Por otro lado, la decoración homogénea de SiO ₂ y Al ₂ O ₃ Se demostraron nanopartículas en estructuras irregulares y no esféricas en fibra de carbono, bigotes de SiC y espuma de uretano, como se muestra en la Fig. 8d-f, respectivamente. Por lo tanto, este trabajo único ha demostrado una técnica novedosa de micro y nanoensamblaje controlado que tiene un enorme potencial para el diseño de materiales que cubre diversos materiales, así como dimensiones morfológicas que podrían ofrecer un impacto influyente en el desarrollo y diseño de materiales compuestos para la fabricación de precisión. tecnologías. Las limitaciones del método EA son la preparación acuosa de material que tiene una densidad superior a la del agua (1 g / cm ³ ), la dificultad en la producción a gran escala y el requisito de una limpieza múltiple para eliminar el exceso de polielectrolitos de la solución. Sin embargo, a partir de este proyecto, se desarrolló un sistema avanzado de modificación de carga superficial de precursores a gran escala para una producción a gran escala de nanoensamblaje de material avanzado utilizando un equipo personalizado con monitoreo en tiempo real. Este equipo permite el control y la alteración del potencial zeta de la carga superficial (positivo / negativo) de una solución acuosa de gran volumen (aproximadamente 10 l) que contiene los materiales precursores de partida designados. Después de alcanzar el potencial zeta deseado, los materiales de partida modificados cargados en la superficie se mezclan para promover la posterior adsorción electrostática para generar el material compuesto deseado.

Imágenes SEM del SiO ₂ partículas compuestas que constan de una SiO ₂ de 1 μm partículas y b SiO ₂ de 4 μm partículas decoradas en un SiO ₂ de 16 μm partícula por método EA que demostró distribución homogénea

Imágenes SEM de los composites nano y microensamblados obtenidos por el método EA. un microesferas de carbono-Al ₂ O ₃ , b CNT-PMMA, c BN-SiO ₂ , d SiO ₂ -fibra de carbono, e Al ₂ O ₃ -SiC bigotes y f Al ₂ O ₃ -espuma de uretano

Utilizando el método EA informado en este trabajo, nuestro grupo ha fabricado y reportado varios materiales compuestos para aplicaciones tales como propiedades mecánicas controladas de compuestos de carbono a base de alúmina [24], formación rápida a temperatura ambiente de películas cerámicas compuestas por deposición de aerosol [25 ], propiedad de protección contra la luz IR controlada del compuesto de polímero PMMA-ITO [21] y batería recargable de Fe-aire [20]. En un trabajo reciente que involucró la fabricación de compuesto de matriz de polímero de PMMA con nanopartículas de ITO, se ha obtenido un gránulo compuesto de PMMA-ITO que demostró una buena transparencia en la región de luz visible al tiempo que permite el control del efecto de protección de la luz IR controlando la cantidad de incorporación de nanopartículas de ITO ha informado [21]. Por lo tanto, además de los materiales inorgánicos, esto muestra que el método de ensamblaje electrostático también se puede aplicar a los materiales poliméricos.

Conclusiones

La viabilidad de controlar la cobertura de la partícula aditiva en una partícula primaria en una fabricación compuesta se demuestra en este trabajo novedoso. El trabajo experimental fundamental se llevó a cabo mediante la decoración de Al ₂ O ₃ nanopartículas en SiO ₂ micropartículas en función de la cobertura de la superficie y el tiempo de reacción. También se demostró la decoración de control con coberturas de superficie de 25, 50 y 75% ajustando la cantidad de aditivo y el tiempo de EA. Hacia el avance del diseño de materiales a nanoescala, también hemos demostrado la viabilidad de lograr micro y nanoensamblaje de compuestos de partículas en una amplia gama de materiales con diversas estructuras morfológicas a temperatura ambiente utilizando un método EA. En este novedoso trabajo también se demuestra una homogeneidad superior con una cobertura de superficie controlable. Las posibles aplicaciones de los materiales compuestos fabricados mediante el método EA son la sinterización selectiva por láser, la deposición en aerosol de películas cerámicas compuestas, los materiales de blindaje IR y la batería recargable de metal-aire. Los hallazgos sistemáticos de este trabajo podrían sentar una plataforma para el diseño de materiales a nanoescala hacia una nanofabricación más sofisticada en el futuro.