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Molecular Modeling of Self-Assembling Hybrid Materials

by Patti, Alessandro

Abstract (Summary)
RESUMEN Los surfactantes son moléculas anfifílicas, con una cabeza solvofílica y una cola solvofóbica. Cuando la concentración de surfactante en solución es suficientemente alta, las moléculas se agregan entre ellas para proteger las partes solvofóbicas del contacto con el medio. Tales agregados pueden tener forma y tamaño muy diferentes, dependiendo del surfactante y de las condiciones del sistema. La auto-organización de los surfactantes (self-assembly), debida a un compromiso energético y entrópico de su estructura molecular, es la clave que permite observar cristales líquidos muy ordenados. En presencia de un precursor inorgánico y dependiendo de las interacciones que este precursor establece con el surfactante, se puede observar la formación del material híbrido. Los materiales híbridos constituyen un paso intermedio fundamental para la síntesis de los materiales mesoporosos ordenados, los cuales se obtienen eliminando la matriz orgánica (surfactante) del substrato inorgánico. El presente estudio tiene como principal objetivo estudiar bajo cuales condiciones los sistemas formados por un surfactante, un precursor inorgánico y un solvente, se auto-organizan para dar lugar a estructuras híbridas muy ordenadas. En particular nos proponemos individuar cuales son las características más importantes que los precursores inorgánicos deberían tener para poder observar la formación de materiales mesoporosos ordenados. Simulaciones Monte Carlo en el colectivo canónico han sido utilizadas para analizar la agregación de los surfactantes en estructuras complejas, como micelas, cilindros organizados en forma hexagonal, o laminas, a partir de configuraciones totalmente desordenadas. Con particular interés hemos analizado el rango de condiciones que llevan a la formación de las estructuras cilíndricas, y estas mismas estructuras han sido comparadas en función de algunas importantes características morfológicas, como el tamaño de poro, el grosor de las paredes, la presencia y accesibilidad de los grupos funcionales en los poros. El modelo usado representa las moléculas de surfactante y de precursor inorgánico como cadenas de segmentos en una red tridimensional que discretiza el espacio en sitios de volumen unitario. Este modelo no entra en el detalle de las características físicas y químicas de las moléculas, pero permite reproducir su agregación en estructuras complejas en un tiempo de cálculo muy razonable. La separación de fase ha sido también evaluada recorriendo a una teoría de campo medio, la quasi-chemical theory, que, aunque no pueda predecir la formación de estructuras ordenadas, ha sido muy útil para confirmar los resultados de las simulaciones, sobretodo cuando no se observa formación de fases ordenadas. El estudio de surfactantes distintos, uno modelado por una cadena lineal y otro con una cabeza ramificada, nos ha permitido evaluar algunas diferencias estructurales de los materiales obtenidos. La ramificación de la cabeza, que merecería un estudio más profundo del que hemos descrito en este trabajo, ha evidenciado unas interesantes consecuencias en el tamaño de los poros. Este mismo surfactante con cabeza ramificada ha sido elegido para la síntesis de agregados cilíndricos utilizados como templates en la formación, agregación, y condensación de una capa de sílica modelada a través de un modelo atomístico. En particular, hemos aislado uno de los cilindros presentes en los cristales líquidos de estructura hexagonal, y a su alrededor hemos simulado la formación de una capa de sílica utilizando un modelo atomístico. De esta forma, hemos obtenido un poro típico de una estructura mesoporosa más realista, sin necesidad de asumir una forma mas o menos cilíndrica del template, por ser este generado de la auto-agregación del surfactante.
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Bibliographical Information:

Advisor:sipertein, Flor; Mackie, Allan

School:Universitat Rovira i Virgili

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:departament d enginyeria química

ISBN:

Date of Publication:10/19/2007

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