Molecular Modeling of Self-Assembling Hybrid Materials

Abstract

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. <br/>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.<br/>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. <br/>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.

Surfactants are amphiphilic molecules with a solvophilic head and a solvophobic tail. When the surfactant concentration in a given solution is high enough, the molecules aggregate between them to shield the solvophobic part from the contact with the solvent. Such aggregates can show very different sizes and shapes, according to the surfactant and the conditions of the system. The surfactants self-assembly, being due to an energetic and entropic compromise of their molecular structure, is fundamental to observe the formation of very ordered liquid crystals. In the presence of an inorganic precursor and depending on the interactions established between such a precursor and the surfactant, it is possible to synthesize a hybrid material. Hybrid materials are the key step for the formation of periodic ordered mesoporous materials, which can be obtained by eliminating the organic soft matter (the surfactants) from the inorganic framework. Periodic ordered mesoporous materials represent an important family of porous materials as they find a large number of applications in several industrial fields, such as separations, catalysis, sensors, etc. In the last decade, the range of potential applications has increased with the possibility of functionalizing the pore walls by incorporating organic groups during the synthesis, or with post-synthesis treatments.<br/>In this work, we are interested in studying the formation of ordered materials when hybrid organic-inorganic precursors are used. Lattice Monte Carlo simulations in the NVT ensemble have been used to study the equilibrium phase behavior and the synthesis of self-assembling ordered mesoporous materials formed by an organic template with amphiphilic properties and an inorganic precursor in a model solvent. Three classes of inorganic precursors have been modeled: terminal (R-Si-(OEt)3) and bridging ((EtO)3-Si-R-Si-(OEt)3)) organosilica precursors (OSPs), along with pure silica precursors (Si-(OEt)4). Each class has been studied by analyzing its solubility in the solvent and the solvophobicity of the inorganic group. <br/>At high surfactant concentrations, periodic ordered structures, such as hexagonally-ordered cylinders or lamellas, can be obtained depending on the OSPs used. In particular, ordered structures were obtained in a wider range of conditions when bridging hydrophilic OSPs have been used, because a higher surfactant concentration was reached in the phase where the material was formed. Terminal and bridging OSPs produced ordered structures only when the organic group is solvophilic. In this case, a partial solubility between the precursor and the solvent or a lower temperature favored the formation of ordered phases.<br/>With particular interest, we have analyzed the range of conditions leaving to the formation of cylindrical structures, which have been evaluated according to the pore size distribution, the pore wall thickness, the distribution and the accessibility of the functional organic groups around the pores. The phase behavior has been also evaluated by applying the quasi-chemical theory, which cannot predict the formation of ordered structures, but was very useful to confirm the results of simulations, especially when no ordered structures were observed.<br/>The study of the phase and aggregation behavior of two different surfactants, one modeled by a linear chain of head segments and the other modeled by a branched-head, permitted us to evaluate some structural differences of the materials obtained.