Estudios y aplicaciones de propiedades ópticas, magnéticas y de transporte de carga de nanocompuestos basados en membranas porosas

Abstract

Se estudiaron membranas de materiales porosos nanoestructurados usadas como matriz en nanocompuestos. Los dos materiales utilizados como matriz fueron alúmina anódica porosa nanoestructurada (AAPN) y silicio poroso bajo las formas de silicio mesoporoso (SP) o macroporoso (SMP). Se montó una nueva línea de fabricación de AAPN en el laboratorio de Física de Semiconductores del IFIS-Litoral. Este laboratorio ya contaba con una amplia experiencia en producción y caracterización de silicio poroso nanoestructurado. Partiendo de un sustrato de aluminio de alta pureza fue posible obtener membranas de AAPN con un alto grado de ordenamiento. Los parámetros estructurales de las membranas de AAPN, como el diámetro de los poros, la distancia entre poros, así como el tamaño de los dominios de poros ordenados, entre otros, se caracterizaron a través de imágenes obtenidas por microscopia de fuerza atómica y electrónica de barrido. Mediante difractometría de rayos X se determinó que la matriz de alúmina que conforma la membrana es amorfa.Mediante un tratamiento del sustrato de aluminio sobre el que crece la alúmina porosa, previo al anodizado, se ha logrado aumentar el tamaño de los granos cristalinos del aluminio hasta 5 mm o más. Se observó que el espesor físico de la alúmina porosa fabricada a partir de este aluminio pretratado está definido por la orientación cristalina del grano subyacente del sustrato sobre el que crece. De esta manera se delimitan zonas en la alúmina porosa, con dimensiones típicas del orden de los milímetros, cuyas propiedades ópticas fueron estudiadas. Se estudió y caracterizó la anisotropía óptica, es decir, la birrefringencia que presenta este material en las distintas zonas. Se encontró una correlación entre la orientación cristalina del sustrato, determinada mediante difracción de electrones retrodispersados, y la anisotropía óptica de la membrana de alúmina resultante. A partir de películas de AAPN que conservan su sustrato de aluminio se fabricaron nanocompuestos introduciendo níquel dentro de los poros por una técnica de electrodeposición pulsada, y posteriormente removiendo el sustrato de aluminio. Estos nanocompuestos permitieron realizar estudios del comportamiento de la matriz de alúmina y de los nanohilos de Ni. En particular -y aprovechando la alineación que adoptan los nanohilos en el nanocompuesto- se estudió la anisotropía de las propiedades magnéticas y su variación con la temperatura. Por otro lado se realizaron experimentos de difracción de rayos X sobre los nanohilos embebidos en alúmina, que permitieron encontrar un comportamiento anómalo del coeficiente de expansión térmica del nanocompuesto que concuerda con los resultados del estudio magnético. En base a estos resultados se encontró que el coeficiente de expansión térmica de la matriz de alúmina es negativo en el rango de temperaturas estudiado. De los experimentos con DRX y los estudios magnéticos se concluye que existen efectos magnetoelásticos asociados a la variación de la temperatura del nanocompuesto.Se diseñaron y fabricaron microcavidades ópticas híbridas a partir de membranas de AAPN y cristales fotónicos unidimensionales de silicio mesoporoso. Estos dispositivos sirven como plataforma para sensores químicos o biosensores basados en propiedades fotónicas, con gran sensibilidad en el rango de las bajas longitudes de onda. Para producir los cristales fotónicos unidimensionales mencionados se diseñaron y fabricaron reflectores de Bragg distribuidos mediante el anodizado de silicio cristalino en una solución que contiene flúor y un surfactante, empleando una densidad de corriente periódica ajustada para producir capas con porosidades y espesores físicos diferentes, pero con el mismo espesor óptico.De esta manera se buscó rescatar las mejores características de cada material nanoestructurado, aprovechando el bajo coeficiente de absorción de la AANP y mayor contraste en los índices de refracción obtenibles con SP, de manera de lograr obtener cavidades con espesores físicos del orden de decenas de micrómetros con baja absorción en el espectro visible, proporcionando un alto factor de calidad Q y transmitancia relativamente alta. Esto permitiría una mayor versatilidad de respuesta en presencia de un analito específico.Se preparó otro tipo de microcompuesto mediante el llenado de poros de silicio macroporoso con lípidos. A diferencia del SP, cuyos poros adoptan una forma dendrítica, el SMP presenta poros cilíndricos perpendiculares a la superficie de gran relación de aspecto y diámetro uniforme. El llenado de poros del SMP con lípidos se realizó -previa funcionalización de las paredes de los poros para tornarlas hidrofílicas- introduciendo una solución de liposomas unilamelares de DMPC (Dimiristoil fosfatidilcolina) conteniendo el marcador de espín 5-SASL, seguido de incubación. Mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) se estudió el comportamiento de los lípidos mediante el ajuste de la forma de línea para campo magnético paralelo y perpendicular a los poros, verificando que una parte importante de los lípidos se organizan en bicapas lipídicas cilíndricas sobre las paredes de los poros. Este sistema puede ser considerado como una plataforma para el estudio, tanto por EPR como por métodos ópticos, de transiciones de fase termotrópicas de los lípidos en un entorno confinado.