Nanocompuestos Híbridos Núcleo-Capa Celulosa-POSS-Sílice/Oro: Síntesis Sol-Gel en Un Paso y Propiedades Multifuncionales

Resumen

Presentamos una ruta sol-gel simplificada en un paso para fabricar híbridos celulosa-polihedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) incorporando núcleos de sílice recubiertos con capa uniforme de oro. El proceso hidroliza simultáneamente ortosilicato de tetraetilo (TEOS) y reduce cloroaurato (HAuCl₄) en presencia de ácido fórmico, mientras γ-aminopropil trietoxisilano (γ-APTES) injerta POSS funcionalizado con amina sobre celulosa. Se estudiaron dos variantes: (1) secuencia sol-gel convencional y (2) enfoque mediado por PVA/THPC. Caracterización por FT-IR, Raman, XRD, UV-VIS, fotoluminiscencia, SEM/EDS, TEM, TGA/DSC y BET confirmó formación exitosa de núcleo-capa, dispersión uniforme, alta transparencia óptica y estabilidad térmica mejorada.

Antecedentes

La intersección de nanotecnología con ciencia de polímeros ha impulsado desarrollo de materiales híbridos para electrónica flexible, sensores y dispositivos biocompatibles. Nanopartículas núcleo-capa sílice-oro ofrecen propiedades ópticas, térmicas y catalíticas ajustables, pero síntesis tradicionales multi-paso son laboriosas. Al integrar celulosa, polímero renovable y biodegradable, con POSS, creamos matriz robusta que estabiliza nanopartículas y permite producción escalable. El proceso sol-gel proporciona ruta en fase solución a baja temperatura que preserva grupos funcionales de celulosa mientras injerta redes inorgánicas.

Métodos

Materiales

Celulosa (DP = 4500) se purificó con LiCl/DMAc, y reactivos (TEOS, HAuCl₄, γ-APTES, THPC, PVA) se obtuvieron de proveedores estándar. Todas las reacciones se realizaron bajo nitrógeno para prevenir oxidación.

Síntesis

Método 1 (Sol-Gel): 0.5 g celulosa y 0.35 g POSS-amina se disolvieron en 50 mL DMAc, agitados a 95 °C por 3 h, luego se añadieron 2 mL γ-APTES y 2 g TEOS. HAuCl₄ (0.002–0.004 M) y 10 g agua/ácido fórmico se introdujeron, y la mezcla se refluyó por 12 h. El producto se lavó con etanol y secó a 95 °C.

Método 2 (PVA/THPC): Pasos iniciales idénticos, con 0.2 g PVA y 5 mL THPC añadidos tras 2 h. La mezcla se refluyó por 12 h, purificó y secó similarmente.

Caracterización

Se emplearon FT-IR (KBr, 8 cm⁻¹), Raman (He-Ne, 580–600 nm), XRD (Cu Kα), UV-VIS (λ = 200–800 nm), PL (He-Cd, 325 nm), SEM/EDS (Hitachi S-4200), TEM (JEOL 100CX), TGA/DSC (TA 2050, 10 °C/min) y BET (BELSORP) para sondear estructura química, morfología, cristalinidad, comportamiento óptico y área superficial.

Resultados y Discusión

Confirmación Estructural

Espectros FT-IR mostraron picos característicos Si-O-Si, Si-O-Au y amida, confirmando injerto exitoso y formación de núcleo-capa. Patrones XRD revelaron picos de oro fcc a 2θ = 22.56°, 25.14°, 27.90° y 30.08°, junto a señales celulosa-POSS, indicando capas de oro cristalinas alrededor de núcleos de sílice.

Propiedades Ópticas

Transmitancia UV-VIS mostró alta transparencia en rango visible para ambos métodos, con banda de resonancia de plasmón superficial cerca de 520 nm. Espectros PL exhibieron picos de emisión desplazados al rojo (441–497 nm) y banda prohibida de 2.3–2.8 eV, atribuidos a efectos de tamaño cuántico de la capa de oro.

Morfología

Imágenes SEM revelaron nanopartículas monodispersas y uniformes con aglomeración reducida en método PVA/THPC. TEM confirmó diámetros de núcleo ~50 nm con espesores de capa de sílice ajustables de 20 a 100 nm, dependiendo de concentración de TEOS.

Estabilidad Térmica

Curvas TGA mostraron tres etapas de degradación: 85–100 °C (agua adsorbida), 100–450 °C (descomposición celulosa), y 450–1000 °C (residuo inorgánico). Rendimientos de carbón alcanzaron 44.5 % (Método 1) y 34.5 % (Método 2), demostrando resiliencia térmica mejorada.

Área Superficial

Análisis BET produjo áreas superficiales de 16.6 m²/g (Método 1) y 34.2 m²/g (Método 2), con volúmenes de microporos correspondientes indicando porosidad mejorada por tratamiento PVA/THPC.

Conclusiones

Ambos enfoques sol-gel producen exitosamente híbridos celulosa-POSS-sílice/oro con arquitectura núcleo-capa homogénea, transparencia óptica y estabilidad térmica superior. El método PVA/THPC ofrece control más fino sobre espesor de capa y área superficial, ofreciendo plataforma versátil para electrónica flexible de próxima generación y aplicaciones de bio-sensado.