PROYECTO DE TITULACION NOV.pdf

5/19/2018 PROYECTO DE TITULACION NOV.pdf

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INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE IRAPUATO

ACADEMIA DE INGENIERA EN MATERIALES

ESTUDIOS CON RECONOCIMIENTO DE VALIDEZ OFICIALNMERO 11-00065

CONTROL MICROESTRUCTURAL DE PELCULAS DE TiO2MEDIANTE LA TCNICA DE RECUBRIMIENTO POR FLUJO Y LA

REPLICACIN DE MATERIALES BIOLGICOS

OPCIN III: PROYECTO DE TITULACIN

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:INGENIERA EN MATERIALES

PRESENTAN:

FLORES VALLEJO MIRIAM CORINA

SANCHZ CHVEZ DANIELA CITLALIC

ASESORES: Dr. OLIVER MUIZ SERRATO

Dr. JUAN SERRATO RODRGUEZ

IRAPUATO, GTO. NOVIEMBRE, 2014


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Resumen

En la actualidad se conocen pocos mtodos para la absorcin de la luz, uno de ellos

es mediante la formacin de pelculas. Se utilizan diversas tcnicas de formacin

como recubrimiento por dispersin, rotacin, inmersin. En el presente trabajo se

forman mediante recubrimiento por flujo. Otro mtodo para capturar la luz son los

materiales biomimticos. En este trabajo se muestra la formacin de un material

biomimtico en dos etapas. En la primera se sintetizaron nanopartculas de anatasa

de 5nm mediante el mtodo sol-gel cido acuoso; las cuales sirvieron como bloques

de construccin para la obtencin de los microconos. En la segunda etapa, los

microconos fueron obtenidos a travs de un proceso de rplica, en dondeinicialmente se realiz un molde negativo de la microestructura de los ptalos de la

planta Rosa chinensis,posteriormente dicho molde fue llenado con una suspensin

coloidal de anatasa y al secarse dicha suspensin se obtuvieron los microconos. Los

resultados preliminares muestran que el nmero de microconos formados depende

del volumen de suspensin usada y la base de estos es hexagonal y alargada con

dimensiones de 6 x 8 m. Finalmente, la fabricacin de estas microestructuras es

importante ya que tienen aplicaciones en ptica o bien como superficieshidrofbicas.


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1.INTRODUCCIN ..................................................................................................... 5

C A P T U L O I ...................................................................................................... 6

A N T E P R O Y E C T O............................................................................................ 6

1.1OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................................... 71.1.1Objetivos especficos......................................................................................................................... 7

1.2JUSTIFICACIN ............................................................................................................................................. 71.3HIPTESIS .................................................................................................................................................... 81.4PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................................................. 81.5IMPACTOS ..................................................................................................................................................... 9

1.5.1 Social................................................................................................................................................... 9

1.5.2 Econmico.......................................................................................................................................... 9

1.5.3 Ecolgico ............................................................................................................................................ 9

1.6ESTADO DEL ARTE...................................................................................................................................... 101.6.1 Formacin de pelculas .................................................................................................................. 10

ELECTRODOS DE DIXIDO DE TITANIO............................................................................................................. 121.6.3INCREMENTO DE LA ABSORCIN DE LUZ CON PARTCULAS DE METALES NOBLES................................. 131.6.4SUPERFICIE DE LAS PLANTAS COMO MODELO DE MATERIALES BIOMIMTICOS PARA ATRAPAR LUZ(FORMACIN DE MICROCONOS)........................................................................................................................ 15

C A P T U L O II ...................................................................................................... 19

M A R C O T E R I C O......................................................................................... 19

2.1ESTRUCTURA,PROPIEDADES Y APLICACIONES DEL TIO2......................................................................... 202.2FUENTES DE ENERGA RENOVABLES ......................................................................................................... 22

2.3C

ELDAS FOTOELECTROQUMICAS.............................................................................................................. 23

2.3.1 Como funcionan .............................................................................................................................. 23

2.3.2PRODUCCIN DE HIDRGENO A PARTIR DE LA DESCOMPOSICIN DEL AGUA USANDO CELDASFOTOELECTROQUMICAS .................................................................................................................................. 24

2.3.3EL ROL DEL TIO2 EN LAS CELDAS FOTOELECTROQUMICAS.................................................................. 252.3.4MTODOS PARA AUMENTAR LA ABSORCIN DE LA LUZ DEL TIO2EN LAS CELDASFOTOELECTROQUMICAS. ................................................................................................................................. 262.3.5EFECTO DE LOS METALES NOBLES EN ESTRUCTURAS DE TIO2............................................................. 262.4TCNICAS PARA LA OBTENCIN DE PELCULAS DEL TIO2.......................................................................... 27

2.4.1 Definicin de pelculas.................................................................................................................... 27

2.5TCNICA DE RECUBRIMIENTO POR FLUJO................................................................................................. 272.6LA TCNICA DE CVD.................................................................................................................................. 292.7TCNICA DE DEPOSICIN FSICA DE VAPOR (PVD)................................................................................... 30

2.8MATERIALES BIOMIMTICOS....................................................................................................................... 302.10.SOL-GEL .................................................................................................................................................. 30

C A P T U L O I I I .................................................................................................. 32

M E T O D O L O G A ............................................................................................. 32

3.1MATERIAL ................................................................................................................................................... 343.2REACTIVOS ................................................................................................................................................. 353.3EQUIPO ....................................................................................................................................................... 35


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3.5FORMACIN DE PELCULAS........................................................................................................................ 363.5.1SEPARACIN DE AGLOMERADOS............................................................................................................ 363.5.2AUMENTO DE LA CONCENTRACIN EN LA SUSPENSIN......................................................................... 363.5.3OBTENCIN DEL MOLDE NEGATIVO........................................................................................................ 373.6FORMACIN DE LOS MICROCONOS CON NANOPARTCULAS DE ANATASA................................................. 373.7TCNICAS DE CARACTERIZACIN............................................................................................................... 38

3.7.1 Microscopio electrnico de barrido (MEB)................................................................................... 383.7.2 Microscopio ptico (MO)................................................................................................................ 38

3.7.3 Espectroscopa de Ultravioleta-Visible (UV-VIS)....................................................................... 39

C A P T U L O I V .................................................................................................... 40

R E S U L T A D O S ................................................................................................. 40

4.1NANOESTRUCTURA DE LAS NANOPARTCULAS DE ANATASA..................................................................... 414.2MICROESTRUCTURA DE LOS CONOS BIOINSPIRADOS................................................................................ 42

C A P T U L O V ...................................................................................................... 44

C O N C L U S I N ................................................................................................. 44

REFERENCIAS ......................................................................................................... 46


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1.INTRODUCCIN

Actualmente, el uso de la energa solar ha ido en aumento debido a factores como el

incremento en los costos de los combustibles fsiles y a los impactos ambientales

asociados al uso de los mismos. Una de las reas que ha despertado mayor inters

es el empleo de pelculas delgadas de dixido de titanio (TiO2) actualmente

considerado como un fotocatalizador con resultados en la degradacin de un gran

nmero de contaminantes orgnicos. La fotocatlisis es el principal proceso en el

que un semiconductor recibe radiacin cuyo contenido energtico es suficientemente

elevado como para provocar el salto de un electrn desde su capa de valencia hasta

la capa de conduccin, con lo cual se generan un electrn externo y un hueco en la

capa de valencia. Este hueco y su electrn pueden recombinarse o reaccionar con

otras especies adsorbidas sobre el semiconductor. Cuando reacciona con una

molcula de agua en presencia de un oxidante, como el oxgeno disuelto, se forma

un radical oxhidrilo (OH) que ser capaz de oxidar molculas orgnicas presentes.

Para evitar la recombinacin, es necesaria la presencia de un compuesto oxidante

que pueda ser reducido. Hay varias opciones de semiconductores para efectuar la

fotocatlisis, como ZnO, ZrO2, CeO2, Bi (VO4)2y TiO2. De entre todos, hasta ahora el

que ms se ha estudiado y utilizado en aplicaciones a niveles laboratorio, piloto eindustrial es el dixido de titanio, TiO2. Este semiconductor es estable ante la

radiacin UV y visible, insoluble en agua y aceptablemente inocuo para la salud

humana, salvo en tamao nanoscpico.


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C A P T U L O I

A N T E P R O Y E C T O


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1.1 Objetivo generalControlar la microestructura en pelculas delgadas de TiO2 con la finalidad de

capturar mayor cantidad de luz y para su posterior aplicacin en celdas

fotoelectroqumicas que produzcan hidrgeno.

1.1.1Objetivos especficos

a) Producir y controlar microestructuras que capturen una gran cantidad de luz, a

partir de dos perspectivas: formacin de pelculas delgadas con el mtodo de

recubrimiento por flujo y obtencin de materiales biomimticos.

b) Analizar el efecto de la velocidad y el ngulo en el mtodo de recubrimiento

por flujo sobre la microestructura de las pelculas formadas.

c) Examinar el efecto de la temperatura, concentracin y cantidad desuspensin de anatasa sobre la microestructura del material biomimtico

(densidad de microconos).

d) Caracterizar las microestructuras formadas mediante Microscopia ptica (MO)

y microscopa electrnica de barrido (MEB).

e) Medir la absorcin de luz que presenta dicha microestructura mediante

espectrofotometra de ultravioleta visible.

1.2 JustificacinLas celdas fotoelectroqumicas para obtencin de hidrgeno a partir de agua

presentan tres problemticas fundamentales: la absorcin de luz, la recombinacin

electrn-hueco, la reaccin entre el hidrogeno producido y el oxgeno para formar

agua de nuevo. En este trabajo se plantea una mejora en la eficiencia de estas

celdas a travs del control microestructural de la capa de dixido de titanio con la

finalidad de capturar mayor cantidad de luz a travs de estructuras que tengan las

dimensiones de la longitud de onda en el rango de la regin ultra violeta.

Asimismo y de manera ms general, el desarrollo del proyecto est impulsado

en el beneficio en la sociedad, a travs de la obtencin de energa elctrica a partir

de fuentes de energa alternativas; tales como celdas solares, hidrulicas, elicas

entre otras. En nuestros das, los recursos con los que contamos para generar


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energa elctrica son costosos y se estn agotando, en cambio con las energas

alternativas se ofrece gran accesibilidad econmica y sus mtodos de obtencin son

amigables con el medio ambiente.

Otro aspecto relevante del proyecto es la disminucin de fuentes

contaminantes, como los derivados del petrleo, por lo tanto mediante mtodos

simples podramos aprovechar los recursos naturales y convertirlos en energa

elctrica. Por lo que, en este trabajo se pretende producir energa elctrica a travs

de la produccin de hidrgeno a partir de materiales cermicos semiconductores de

bajo costo y alta estabilidad qumica tal como el TiO2.

1.3 HiptesisLa eficiencia en la produccin de hidrgeno se ver influenciado por la

microestructura (microconos) del TiO2 obtenida a partir de la suspensin coloidal de

anatasa. Estas estructuras permitirn obtener valores significativamente mayores de

la absorcin de la luz respecto a las convencionales debido al mayor camino ptico

que promueven estas estructuras, lo que promover una mejora importante en la

eficiencia de las celdas de produccin de hidrgeno.

1.4 Planteamiento del problemaEl petrleo es la mayor fuente de generacin de energa elctrica y combustibles con

la que contamos, sin embargo cada da representa su agotamiento. Es por ello que

se pretende obtener pelculas nanoestructuradas de TiO2, con la finalidad de

aplicarlas en fuentes de energas renovables (celdas solares y de hidrgeno).

Un aspecto que cabe mencionar es la contaminacin que provoca el uso de

los derivados del petrleo, como la liberacin de CO2. Es de suma importancia

investigar los mtodos alternativos de energa, las pelculas de TiO2nanoestructuradas son una opcin viable, ya que la Titania es uno de los

semiconductores ms usados y es econmico.


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1.5 Impactos

1.5.1 SocialDentro del impacto a la sociedad, se consideran que las celdas fotoelectroqumicas y

las celdas de hidrgeno en un futuro pueden ser fuente de generacin de empleos,

por lo tanto abastecer la energa elctrica y combustible a la sociedad.

1.5.2 Econmico

El impacto que tendr este proyecto es econmico ya que se elaborarn pelculas de

TiO2, por un mtodo sencillo y de bajo costo (recubrimiento por flujo). Las cuales se

utilizaran en la generacin de una celda fotoelectroqumica para la produccin de

hidrogeno. Se considera una disminucin respecto a los costos de generacin de

energa elctrica, ya que aprovechamos los recursos naturales (luz solar, agua).

1.5.3 Ecolgico

El impacto ecolgico que se presenta es la disminucin de CO 2 causado por los

fsiles y el uso de recursos naturales como son: agua, luz solar. Adems de que se

aprovechan los recursos que se encuentran en la naturaleza (agua, luz solar).


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1.6 Estado del arte

1.6.1 Formacin de pelculasLa tecnologa de la deposicin de pelculas delgadas ha experimentado un

impresionante avance en los ltimos aos. Este avance se ha debido en primer lugara la necesidad de alcanzar nuevos productos y dispositivos aplicables en las

industrias pticas y electrnicas. El rpido avance producido en los dispositivos

electrnicos en estado slido no hubiese tenido lugar sin el desarrollo de unos

nuevos procesos de deposicin de pelculas, mediante las cuales se consiguen

obtener unas lminas de muy alta calidad y excelentes caractersticas.

La importancia de la obtencin de pelculas delgadas puede deducirse de

dispositivos tales como computadoras o dispositivos microelectrnicos en estado

slido, basados todos ellos en materiales cuya estructura se conforma por

deposicin en pelcula delgada (Schulte, 2012). Un excelente ejemplo lo constituye

la fabricacin de dispositivos semiconductores, una industria totalmente dependiente

de la formacin de pelculas delgadas en estado slido de una gran variedad de

materiales obtenidas mediante un proceso de deposicin tanto en fase gaseosa

como en fase slida, lquida o vapor.

Las pelculas delgadas son una de las reas en la ciencia de materiales de

gran importancia ya que en aos recientes han permitido dar pasos agigantados en

la tecnologa, y en diferentes lneas de investigacin. Este hecho se atribuye a las

propiedades, aplicaciones y ventajas que las pelculas delgadas presentan. Los

materiales de dixido de titanio han sido estudiados debido a sus propiedades

fotocatalticas para purificar el aire y el agua (Takeda, Satoshi, 2001). Por la

posibilidad de ser aplicadas como fibras pticas, por contar con una excelenteestabilidad qumica, sus buenas propiedades dielctricas para fabricar capacitores

en dispositivos micro electrnicos, alta dureza mecnica, alta densidad, alta

adhesin y transmitancia ptica con un alto grado de ndice de refraccin.


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1.6.2 Celdas fotoelectroqumicas para la produccin de Hidrgeno

1. La energa necesaria para descomponer la molcula de agua en H2y O2es de

1.23 eV. Para que se pueda llevar a cabo la electrolisis del agua en una celda

convencional es necesario aplicar sobre los electrodos una diferencia de

potencial de 1.23 eV ms un potencia extra para que el proceso ocurra a una

velocidad apreciable y para suplir perdidas presentes. Si una energa mayor

que la necesaria para descomponer la molcula del agua es suministrada por

el efecto de la luz sobre el fotoelectrodo semiconductor de una celda, se

puede lograr la fotolisis (Moreno Hernndez, Beatriz. 2005). En el electrodo

semiconductor tipo n ocurre la oxidacin del agua a oxgeno, que en medio

acido o neutro se representa mediante la semi-ecuacin de oxidacin.

Para que en una celda fotoelectroqumica con un electrodo semiconductor pueda

ocurrir la fotoelectrolisis sin necesidad de aplicar voltaje externo han de cumplirse

dos requisitos fundamentales.

Que el voltaje sea mayor que la energa necesaria para romper la molcula de

agua (1.23 eV). Por lo tanto, el valor de Eg debe ser suficientemente mayor

que 1.23 eV. Esto implica que los fotones absorbidos tienen energa mayor

que la necesaria para la ruptura de la molcula de agua.

Que los niveles de Fermi correspondientes a los dos pares redox de las semi-reacciones de descomposicin del agua estn comprendidos ntrenlos

valores de energa de las bandas de valencia y conduccin del semiconductor

de la interfaz.

De no cumplirse estas condiciones, es posible generar hidrgeno y oxgeno pero se

hace necesario aplicar un voltaje externo para posibilitar tanto la transferencia de

electrones del contraelectrodo a las especies oxidadas como de huecos del

semiconductor a las especies reducidas (Moreno Hernndez, Beatriz. 2005). Laaplicacin de un voltaje puede hacerse de diferentes formas.

Si se incorpora una celda fotoelectroqumica a una celda de combustible, se podra

alimentar esta ltima con el hidrgeno obtenido por accin de la luz solar,

usualmente se hara con una celda electroltica en el cual se consume energa

elctrica; se mejorara as la eficiencia del sistema en cuanto a consumo de energa.


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Se cerrara un ciclo de produccin de hidrgeno y de su consumo dentro de una pila

de combustible, el cual actuara como una bomba de energa desde el sol hasta la

energa elctrica y sus derivados.

Figura. 1.1 Representacin esquemtica de la celda fotoelectroqumica. En el electrodometlico tiene lugar la reduccin del agua a hidrgeno y en le semiconductor tiene lugar laoxidacin del agua a oxgeno (Moreno, 2005).

1.6.2.1 Electrodos de dixido de titanio.Las celdas fotoelectroqumicas generan pares electrn-hueco dirigido en direcciones

opuestas hacia la superficie de los electrodos. De aqu, si un semiconductor esusado como un electrodo que es conectado a otro contraelectrodo, la fotoexitacin

del semiconductor puede generar trabajo elctrico a travs de una carga extrema y

simultneamente dirigir reacciones qumicas redox en la superficie de cada

electrodo.

Estudios en el rea de la fotocatlisis muestran una mejor actividad fotocatalitica

para la anatasa frente al rutilo (Moreno Hernndez, Beatriz. 2005). Esta diferencia de

comportamiento se atribuye a las variaciones en rea superficial, al tamao de

partcula y a que el rutilo presenta una mayor velocidad de recombinacin del

electrn hueco y una menor capacidad de fotoadsorcin del oxgeno.

El material del electrodo es el semiconductor, dixido de titanio, porque su banda de

valencia es suficientemente positiva para oxidar agua a oxgeno; tambin es

extremadamente estable en presencia de soluciones acuosas. Este electrodo es


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conectado a un contraelectrodo, y es irradiado con luz de longitudes de onda

aproximadamente de 415 nm. La fotocorriente fluye desde el electrodo de dixido de

titanio al contraelectrodo a travs de un circuito externo. La direccin de la corriente

revela que la reaccin de oxidacin ocurre en el electrodo de TiO2y la reaccin de

reduccin en el contraelectrodo. Este hecho, muestra que el agua puede ser

descompuesta usando luz UV-VIS, a oxgeno e hidrgeno si la aplicacin de un

voltaje externo.

En la bsqueda de un mejor aprovechamiento de la luz solar para la

fotocatlisis con TiO2, se han seguido diversas estrategias para aumentar la

captacin de los electrones (portadores mayoritarios) y disminuir la recombinacin

de los pares hueco-electrn (Schulte, 2012). Entre las estrategias ms importantes,

se destacan: (i) la optimizacin de la velocidad de la reaccin redox para tener encuenta que la captura de los electrones por los oxidantes suele ser intrnsecamente

ms lenta que la captura de los huecos por los reductores. (ii) modificacin de la

estructura y composicin del catalizador.

Entre los enfoques seguidos se incluyen la modificacin de la superficie

especfica del TiO2, el dopado con iones metlicos y la adicin de compuestos

capaces de transferir carga al semiconductor. Investigadores chinos y japoneses

informaron la obtencin de mejoras en las propiedades fotocatalticas de pelculas

delgadas de TiO2. Se atribuyen las mejoras a la adicin durante la preparacin por

sol-gel de agentes como poli etilenglicol, que permiten la obtencin de estructuras

con nmero y tamao de poro variable (J. Yu, Xiujuan Zhao y Quingnan Zhao,

2000).

1.6.3 Incremento de la absorcin de luz con partculas de metalesnoblesLas Nanopartculas de metales nobles (NPS) han recibido una gran cantidad de

atencin terica y experimental en los ltimos aos por su capacidad para mejorar

las celdas solares. Tales estructuras metlicas se refieren comnmente como NPs

plasmnicas debido a la superficie de excitacin de plasmones que se produce bajo

iluminacin por una onda electromagntica externa. Metales de alta conductividad


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como el oro (Au) y plata (Ag) tienden a hacer resonadores especialmente de alta

calidad debido a la gran polarizabilidad del momento dipolar elctrico. Por lo tanto,

NPs plasmnicas tienden a producir gran absorcin y dispersin en secciones

transversales cuando se excita a o cerca de resonancia. A pesar de sus xitos

reportados.

Una NP metlico puede ser descrita como una red de ncleos inicos con la

conduccin de electrones en movimiento casi libremente dentro de la NP. Cuando se

ilumina la partcula, el campo electromagntico de la luz ejerce una fuerza sobre

estos electrones de conduccin que se mueven hacia la superficie NP. Como estos

electrones estn encerrados dentro de la NP, carga negativa se acumula en un lado

y carga positiva en el opuesto, creando un dipolo elctrico. Este dipolo genera un

campo elctrico dentro de la NP opuesta a la de la luz que obligar a los electronespara volver a la posicin de equilibrio. Cuanto mayor sea el desplazamiento de

electrones, cuanto mayor sea el dipolo elctrico y por lo tanto la fuerza de

restauracin.

La situacin es similar a un oscilador lineal con una fuerza de restauracin

proporcional al desplazamiento desde la posicin de equilibrio. Si los electrones son

desplazados de la posicin de equilibrio y el campo se quita despus, van a oscilar

con una frecuencia determinada que se llama la frecuencia de resonancia; en elcaso de SP se denomina la frecuencia plasmnica. En realidad, el movimiento de los

electrones dentro de la NP exhibe algn grado de amortiguacin.

Figura 1.2. Esquema de la interaccin de la luz con las Nanopartculas Metlicas.

(M. A. Garca. 2011).

En esta etapa, PS puede ser considerado como otro proceso electrnico en el que la

luz es absorbida para promover los electrones desde el nivel del suelo a un uno

excitado. Lo que hace que el PS nica son los nmeros de estos procesos. La


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eficiencia de absorcin de una partcula viene dada por su seccin transversal de

absorcin.

1.6.4 Superficie de las plantas como modelo de materiales

biomimticos para atrapar luz (formacin de microconos)En un proceso que abarca ms de 400 millones de aos de evolucin, las plantas

han desarrollado superficies multifuncionales que estn muy adaptados a las

condiciones ambientales [Kochetal.2010; Kochand Barthlott 2009; Koch et al. 2009;

Barthlott 1991]. La naturaleza proporciona diversas variedades millones de especies

de plantas que resultan en una extrema diversidad de superficies funcionalizadas,

que a menudo se caracterizan por una arquitectura de estructura jerrquica [Barthlott

y Ehler 1977]. Estos diseos de superficie sofisticados pueden proteger las hojas

contra la contaminacin o el estrs mecnico, jugar un papel importante en el

equilibrio hidrolgico de la planta, proteger el sistema metablico contra las

radiaciones nocivas o apoyar el atractivo ptico de flores [Koch et al. 2010; Bargel et

al. 2006]. La arquitectura y la qumica de estas superficies determinan sus

funcionalidades.

En los ltimos aos estas superficies de las plantas funcionalizados han sido

a menudo utilizados como modelos para el desarrollo de, por ejemplo auto-limpieza

(Lotus- Effect) o de retencin de aire (Salvinia-Effect) superficies biomimticos[Barthlott et al. 2010; Cerman et al. 2009; Barthlott y Neinhuis 1997; Neinhuis y

Barthlott 1997]. Las superficies de los rganos de la planta de aprovechamiento de

luz son particularmente interesante, especialmente las superficies de las hojas y

ptalos. Debido a su aprovechamiento de la energa a travs de los procesos

fotosintticos, investigaciones cientficos han prestado ms atencin al examen de

las propiedades pticas de las hojas [Riederer 2006; Brodersen y Vogelmann 2007;

Sims y Gamon 2002; Combes et al. 2007; Knapp y Carter 1998; Smith et al. 1997;Woolley 1971; Lee et al. 1990; Lee y Graham 1986]. Las plantas recogen la luz solar

como fuente de energa, especficamente la radiacin electromagntica.

Plantas generalmente procesan radiacin electromagntica en el azul (400-

480 nm) y amarillo a travs de rojo (550-700 nm) rango espectral. Estas longitudes

de onda son absorbidas por los centros de reaccin fotosintticos que contienen


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clorofila a y clorofila b [Sitte et al. 2008] y se procesan junto con el dixido de

carbono para convertirse en compuestos orgnicos y oxgeno. En contraste, la

absorcin en el intervalo verde (480-550 nm) es baja; como resultado hojas

aparecen de color verde.

Por esta razn, las plantas de poca luz desarrollaron estrategias para recoger

la mayor cantidad de luz disponible como sea posible. Hueso, [1985] examin

plantas de sombra tropicales y postularon que las superficies irregulares

probablemente mejoran la captacin de luz por la disminucin de la reflexin

especular; encontraron valores de reflectancia de luz de enfoque ms bajos en las

hojas de sombra con respecto a las hojas de sol.

Adems, Martin et al. [1989] estima que las clulas epidrmicas convexas aumentan

la captacin de la luz incluso desde ngulos bajos reduciendo al mnimo la reflexinespecular de la superficie de la hoja.

Figure 1.3. Reflexiones mltiples en las celdas epidrmicas en forma convexa. Dibujo

modificado despus de Bernhard. 1968.

Por lo tanto, el desarrollo de superficies estructuradas jerrquicamente,

especialmente en plantas de poca luz y ptalos de color intenso, parece ofrecer una

mayor ventaja en los procesos de aprovechamiento de luz y un beneficio en la

atraccin de los polinizadores. Estas superficies biolgicas podran ser utilizadas


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como modelos de tcnicas de captura de la luz para las superficies, tales como las

superficies de las clulas solares.

Se han realizado diversas pruebas con las superficies de flores (ptalos), las

cuales cuentan con estructuras jerrquicas y son hidrfobas. Los ptalos exhiben

clulas en forma de cono alto (tamao promedio de 40 micras). Realizaron rplicas

de las estructuras de la superficie de las flores con un polmero hidrofbico a travs

de un proceso de moldeo simple de dos etapas (Schulte, Anna Julia. 2012). Las

microestructuras obtenidas presentaron las mismas caractersticas de humectacin

de las flores originales.

Una de las superficies biolgicas ms importantes que repelen el agua y tiene

funcin de auto limpieza es la flor de loto. Su repelencia al agua se basa en dosfactores: la rugosidad de la superficie y una qumica de superficie hidrofbica. En

hojas de loto, el aire permanece atrapado debajo de una gota de agua y el rea de

contacto entre el agua y la superficie de la hoja se reduce al mnimo con ello.

Los materiales biomimticos son diseados para replicar una o ms

caractersticas de un material producido por un organismo vivo (Ratner, B. D.,

Hoffman, A. S., Schoen, F. J. y Lemons, J. E. 2012). En cuanto al campo de

aplicacin, stos materiales biolgicos se han usado para resolver problemas en lasreas de ciencia de materiales (Jeronimidis & Atkins 1995), aerodinmica e

ingeniera mecnica (Nachtigall 1998) y arquitectura (Kemp 2004).

En ciencia de materiales, estos materiales biolgicos se pueden aprovechar

para obtener micro/nano estructuras inorgnicas con aplicaciones en catlisis,

magnetismo, procesos de separacin y electrnica (Zhang, W., Zhang, D., Fan, T.,

Ding, J., Gu, J., Guo, Q. y Ogawa, H. 2006). Las superficies de las plantas proveen

una gran diversidad de estructuras con diferentes funciones (Koch, K., Bhushan, B.,

y Barthlott, W. Prog. 2009 y Bargel, H., Koch, K., Cerman, Z. y Neinhuis, C. 2006);

tales como superficies repelentes de agua de absorcin de la luz. En este sentido,

las estructuras de las superficies de los ptalos de las flores pueden ser importantes


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en la obtencin de materiales biomimticos con propiedades hidrofbicas para

sensores o dispositivos pticos.

Algunas de las estructuras de las superficies de los ptalos contienen

micropapilas (microconos) y pliegues cuticulares, las cuales se pueden reproducir a

escala industrial mediante procesos de impresin (Anna J. Schulte, Damian M.

Droste1, Kerstin Koch and Wilhelm Barthlott 2011).


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C A P T U L O II

M A R C O T E R I C O


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En el captulo dos se describe, en forma general, los conceptos fundamentales y la

revisin del estado del arte de acuerdo a la temtica de la investigacin que es el

mejoramiento de la captura de luz en celdas fotoelectroqumicas. Dentro del cual se

encuentran algunas definiciones de los principales conceptos, para la mejor

comprensin del proyecto, los mtodos de obtencin de pelculas, estructura de la

Titania, algunas aplicaciones del TiO2 y anlisis de las microestructuras que

permiten una importante captura de la luz.

2.1 Estructura, propiedades y aplicaciones del TiO2

El TiO2 cristaliza principalmente en tres estructuras diferentes: rutilo (tetragonal,

grupo espacial P42/mnm), anatasa (tetragonal, grupo espacial I41/amd) y brookita

(ortorrmbica, grupo espacial Pcab). Las fases comnmente observadas en

pelculas delgadas son el rutilo y la anatasa. El rutilo es la nica fase

termodinmicamente estable, mientras que la anatasa y la brookita son meta-

estables a cualquier temperatura. Slo las fases anatasa y rutilo presentan actividad

fotocataltica, siendo la anatasa la que generalmente presenta mayor eficiencia

(Pelagia I. Gouma, 2001). Cabe mencionar que el rutilo presenta una estructura

cristalina (tetragonal simple a=b= 4.584 A, c=2.953 A), la anatasa (tetragonalcentrada en el cuerpo a=b=3.782 A, c=9.502 A) como se muestra en la siguiente

imagen (Leonardo, 2009).


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Figura 2.1 Estructuras de rutilo y anatasa. La celda unidad tetragonal mayor de rutilo tiene lasdimensiones, a=b=4.587 A, c=2.5953 A, y la de anatasa a=b=3.782 A, c=9.502 A. (Ulrike Diebold,2002).

El TiO2 es un material extensamente investigado debido a sus excepcionales

propiedades elctricas, pticas y fsico-qumicas (U. Diebold, 2003). El TiO2 es

utilizado como pigmento blanco en pinturas y cosmticos, como catalizador en

celdas solares para la produccin de energa elctrica y como recubrimiento

protector contra la corrosin (G. Valls, P. Gonzlez-Melendi, 2006). Su alto ndice

de refraccin y su alta constante dielctrica le permiten ser un excelente

recubrimiento ptico en lentes, fibras pticas y espejos dielctricos. Se ha estudiado

tambin que el uso del TiO2como pelcula protectora en implantes mdicos mejora

su bio y hemo compatibilidad, al mismo tiempo que incrementa su dureza y su

resistencia al desgaste.

El semiconductor ms usado en fotocatlisis, debido a que es qumica y

biolgicamente inerte. No es txico.

Es estable a corrosin

Es abundante y barato.

Posee una banda de energa de 3.2 eV que permite la oxidacin de muchos

compuestos orgnicos y que puede ser excitado con luz Ultravioleta (UV).


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Las principales aplicaciones del TiO2 estn ligadas a sus propiedades pticas y

elctricas, ya que tiene un alto ndice de refraccin (2.72.9 para el rutilo y 2.52.6

en la anatasa), bajo coeficiente de absorcin y alta constante dielctrica. En la

industria normalmente es utilizado como pigmento blanco (Melville A, Rodrguez-

Lorenzo L, Forsythe J. 2008). Las dos primeras cristalizan en el sistema tetragonal y

la ltima en el ortorrmbico. Adems de las propiedades atribuibles a la composicin

del material, varias propiedades pticas como la transparencia, el color o la

interferencia dependen de los parmetros geomtricos del recubrimiento, que a su

vez estn ligados a las condiciones de depsito de la pelcula delgada, es decir

dependen principalmente de la temperatura, presin, tiempo, gas de trabajo,

potencia y voltaje.

El TiO2nanocristalino ha mostrado buenos resultados en la fotocatlisis de

reacciones qumicas para la descontaminacin del aire y de aguas residuales. El

TiO2depositado en forma de capa, tambin ha sido utilizado en el diseo de celdas

fotoelectroqumicas para la fotlisis del agua (M. Epifani, A. Helwig, 2008), o sea,

obtencin de hidrgeno de la descomposicin del agua utilizando solo radiacin

luminosa.

2.2 Fuentes de energa renovablesLas energas renovables proceden del sol, del viento, del agua de los ros, del mar,

del interior de la tierra, y de los residuos. Constituyen un complemento a las energas

convencionales fsiles (carbn, petrleo, gas natural) cuyo consumo actual (G.

Mueller, 2006), cada vez ms elevado, est provocando el agotamiento de los

recursos y graves problemas ambientales.

Energas renovables:

Solar, hidrulica, elica, biomasa, mareomotriz, energa de las olas,

geotrmica.

Energas no renovables:

Carbn, petrleo, gas natural.


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Es conocida la importancia creciente que tiene el empleo de las fuentes

renovables de energa debido al agotamiento de las reservas de combustibles fsiles

y a los daos medioambientales que produce el ritmo actual del consumo de estos

(Bard, A. y Faulkner, L. 1980). La conversin directa de la radiacin solar se destaca

por ser esta fuente la ms ampliamente distribuida en el planeta, adems de ser

prcticamente inagotable.

2.3 Celdas fotoelectroqumicasLas celdas Fotoelectroqumicas (PEC) ofrecen un mtodo prometedor en la

produccin de hidrgeno, utilizan energa de la luz (fotones) para realizar una

reaccin qumica, en este caso la separacin de agua en hidrgeno (H2) y oxgeno

(O2) . Se componen de un nodo y un ctodo sumergidos en un electrolito y

conectados en un circuito externo. Tpicamente, el nodo o el ctodo se componen

de un semiconductor que absorbe la luz solar, y el otro electrodo es tpicamente un

metal (A. K. Fujishima and K. Honda, 1972). Los fotones con energas mayores que

el intervalo de banda del semiconductor pueden ser absorbidos por el

semiconductor, creando pares electrn-hueco que se dividen por el campo elctrico

en la regin de carga espacial entre el semiconductor y el electrolito. El campo

elctrico refleja eldoblado de los bordes de la banda de conduccin y la banda de

valencia a la superficie del semiconductor y es necesario suministrar los portadores

libres al electrodo apropiado. El agua se oxida en el nodo de acuerdo con la

reaccin:

2h+ + H2O (l)O2(g) + 2H+

2.3.1 Como funcionanLa figura 2.2 muestra un diagrama simplificado de energa de una celda

fotoelectroqumica (PEC) basado en un nico fotodiodo y un electrodo contador de

metal ms complicado. El principal componente de la celda es el semiconductor, que

convierte los fotones incidentes a los pares electrn-hueco. Estos electrones y los

huecos se separan espacialmente el uno del otro debido a la presencia de un campo

elctrico en el interior del semiconductor.


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Los electrones fotogenerados son arrastrados hacia el contacto de conduccin hacia

atrs y se transportan al metal contra-electrodo a travs de un cable externo (Roel

van de Krol, 2002). En el metal, los electrones reducen agua para formar gas de

hidrgeno. Los agujeros fotogenerados son arrastrados hacia la interfaz

semiconductor / electrolito, donde se oxidan el agua para formar oxgeno.

Figura. 2.2 Ilustracin de una celda fotoelectroqumica que consta de un fotonodo

semiconductor y un ctodo de metal. El diagrama de energa correspondiente se muestra en la

derecha.

2.3.2 Produccin de Hidrgeno a partir de la descomposicin delagua usando celdas fotoelectroqumicasEl hidrgeno es un mtodo alternativo para producir energa por lo que se considera

como un combustible ideal para el futuro. El combustible de hidrgeno puede ser

producido a partir de fuentes de energa renovables. La Solar y elica son las dos

principales fuentes de energa renovable y que tambin son las fuentes

prometedoras para la produccin de hidrgeno.

Sin embargo, en la actualidad, la energa renovable contribuye slo alrededor

del 5% de la produccin de hidrgeno comercial principalmente a travs de laelectrlisis del agua, mientras que otro 95% de hidrgeno se deriva principalmente

de los combustibles fsiles.


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Figura 2.3 Representacin esquemtica del concepto de descomposicin de agua en una

suspensin de partculas del fotocatalizador (Arenales, 2011).

2.3.3 El rol del TiO2 en las celdas fotoelectroqumicasA diferencia de un conductor, un semiconductor consiste en banda de valencia (VB)

y banda de conduccin (CB). La diferencia de energa entre estos dos niveles se

dice que es la brecha de banda o band gap (Eg). Sin excitacin, tanto de los

electrones y los huecos estn en la banda de valencia.

Cuando los semiconductores son excitados por fotones con energa igual osuperior a su nivel de energa de banda prohibida, los electrones reciben energa de

los fotones y por lo tanto se promueven desde VB a CB si la ganancia de energa es

ms alta que el nivel de energa de banda prohibida. Para semiconductores TiO 2, la

reaccin se expresa como:

Las desventajas o problemtica que presenta este proceso es que durante ladisociacin del agua, se presentan algunas desventajas en el momento de la

separacin del oxgeno e hidrogeno, al pasar los electrones de la banda de valencia

a la banda de conduccin los problemas que se pueden generar son:

1. La recombinacin de pares electrn / hueco fotogenerada.


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2. Reaccin rpida hacia atrs.

3. Incapacidad para utilizar la luz visible.

Figura 2.4 Recombinacin de electrones de CB a CV. (Varinia, 2009).

2.3.4 Mtodos para aumentar la absorcin de la luz del TiO2en lasceldas fotoelectroqumicas.Los metales nobles, incluyendo Pt, Au, Pd, Rh, Ni, Cu y Ag se han notificado a ser

muy eficaz para la mejora fotocatalitica de TiO2.Como los niveles de Fermi de estos

metales nobles son ms bajos que el de TiO2, los foto-electrones excitados se

pueden transferir desde CB a las partculas metlicas depositadas en la superficie de

TiO2, mientras que los agujeros VB foto-generada permanecen en el TiO2 (Henglein,

1988). Estas actividades reducen en gran medida la posibilidad de recombinacin, lo

que resulta en la separacin eficiente y reacciones fotocatalticas ms fuertes.

2.3.5 Efecto de los metales nobles en estructuras de TiO2La razn principal de la mejora se atribuye a la resonancia plasmnica de superficie

(SPR) efecto en nanoestructuras de metales nobles excitados (Ziemniak, M. E.

Jones, 1990) principalmente por la iluminacin de la luz visible.

Las estructuras metlicas plasmnicas se comportan como absorbentes de

luz. Los portadores de carga se inyectan directamente de estructuras metlicas

plasmnicas excitados en el semiconductor adyacente. Los electrones se mueven de


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estructuras metlicas plasmnicas a la banda de conduccin del semiconductor y

ocurre la reaccin de reduccin.

2.4 Tcnicas para la obtencin de pelculas del TiO2

En comparacin con los procesos de formacin de pelcula delgada convencionales,tales como CVD, evaporacin o pulverizacin catdica, formacin de la pelcula sol-

gel requiere considerablemente menos equipo y es potencialmente menos caro; sin

embargo, la ventaja ms importante de procesamiento sol-gel sobre mtodos de

revestimiento convencionales es la capacidad de controlar la microestrura de la

pelcula depositada, por ejemplo, el poro, volumen, tamao de poro y rea

superficial.

2.4.1 Definicin de pelculasEs una capa de material que va desde fracciones de un nanmetro (monocapa) a

varios micrmetros de espesor (PC Magazine enciclopedia,). La produccin de

pelculas de TiO2ha sido desarrollada mediante una gran variedad de tcnicas tales

como sol-gel, recubrimiento por inmersin, recubrimiento por flujo, deposicin

qumica de vapor y deposicin fsica de vapor (PVD), entre otras (O. Zywitzki, T.

Modes, H. Sahm, 2004). Entre los mtodos PVD ms comunes se encuentran

ablacin lser y arcos catdicos. La estructura de las pelculas de TiO2 y suspropiedades dependen del mtodo de deposicin.

2.5 Tcnica de Recubrimiento por flujoEn el recubrimiento por flujo, las fuerzas capilares contienen la solucin del en virtud

de la hoja en la condicin inicial de velocidad cero, con el tiempo, el volumen

disminuir lentamente debido a la evaporacin del disolvente a partir de los bordes,

a velocidades bajas, las fuerzas capilares se dirigen todava para mantener el

material entre el sustrato y la hoja, pero el arrastre por friccin provoca una ciertasolucin para escapar de debajo de la hoja del cuchillo. Este material se queda atrs

en forma de una pelcula hmeda, que luego se seca por evaporacin del disolvente,

a altas velocidades, la resistencia de friccin aumenta ms solucin se deposita

sobre el sustrato en forma de una pelcula. Por lo tanto, la velocidad instantnea

controla la cantidad de la solucin.


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Para este procedimiento se us un aparato el cual contiene: Una cuchilla fija que

est situada encima del sustrato a recubrir. La hoja de la cuchilla se mantiene en su

lugar una por 3 ejes de rotacin. Montado en el en una base a en una altura del eje-

z, esto nos permite ajustar de manera precisa la inclinacin y ngulo de la hoja ascomo la perpendicularidad de la cuchilla al eje de movimiento (Christopher M.

Stafford, 2006). El sustrato se mueve en la direccin x con ayuda de un motor. El

aparato de recubrimiento de flujo en s slo necesita el eje x de movimiento para

acelerar el sustrato debajo de la hoja del cuchillo.

El recubrimiento por flujo es ideal para la generacin de gradientes de espesor de

las pelculas en el rgimen submicrnico. El aparato, ilustrado en la figura. 5,consiste en una hoja de cuchilla estacionaria fijada a la distancia (Altura brecha) por

encima de un escenario mvil. Brecha tpica gama alturas desde decenas de micras

a cientos de micrmetros. El sustrato a recubrir est fijado rgidamente a la etapa, y

un cordn de solucin se deposita entre la hoja y el sustrato. El proceso de

recubrimiento de flujo se basa en una competencia entre:

Las fuerzas capilares que contiene la solucin entre la hoja de la cuchilla

estacionaria y el sustrato.

Arrastre de friccin ejercida sobre la misma solucin que la hoja se tira a travs del

substrato.

Para ilustrar mejor el concepto de recubrimiento de flujo, dos casos representativos

se presentan en la (figura 2.5).

Modo I: Consta de un perfil de velocidad estancada con una aceleracin

mxima (a) y una desaceleracin (ad) de la etapa. El resultado de este modo

es una pelcula uniforme con un espesor determinado por la velocidad de

meseta (v) y una longitud (df) controlado por la distancia total de viaje menos

la corta distancia requerida para acelerar y desacelerar el escenario.

Modo II: Consta de un perfil de velocidad en rampa con una aceleracin

constante y una deceleracin mxima. En este caso, la aceleracin controla el


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espesor resultante de la pelcula. El resultado de este modo es una pelcula

con un gradiente de espesor, donde la aceleracin etapa dicta la inclinacin

de la pendiente y la distancia total recorrida controla el rango de espesor.

Estos dos casos no estn destinados a ser inclusivos, sino ms bien demostrar

las vas de uso convencional; perfiles de aceleracin y velocidad ms complejas que

producen contornos ms complejos de espesor ciertamente se puede realizar con

este instrumento.

Figura 2.5: Esquema de dos modos de funcionamiento sencillos para el aparato de

recubrimiento por flujo. Modo I produce una pelcula con un espesor constante como una

funcin de la distancia, mientras que el modo II produce una pelcula que posee un gradiente

de espesor.

2.6 La tcnica de CVDConsiste en la reaccin de una mezcla de gases en el interior de una cmara de

vaco (reactor) para dar lugar a la formacin de un material en forma de capa

delgada (Z. Ding, G.Q. Lu, 2000). Es un proceso de deposicin de pelculas

delgadas (nanometricas) en el cual los precursores qumicos son transportados en la


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fase de vapor hasta descomponerse sobre un sustrato gracias a la aportacin de

calor.

2.7 Tcnica de deposicin fsica de vapor (PVD)

Es un nombre que se emplea para describir cualquier mtodo para depositarpelculas delgadas mediante la condensacin de un material evaporado sobre varias

superficies. Este mtodo de recubrimiento es un proceso puramente fsico que

emplea el bombardeo con plasma en lugar de una reaccin qumica en la superficie

como en la deposicin qumica de vapor (CVD) (H. Zhang, 2000). La deposicin

fsica de vapor se emplea en la fabricacin de dispositivos semiconductores y

herramientas de corte recubiertas para el trabajo con metales.

2.8 Materiales biomimticosLa Biomimtica (de bios, vida, y mimesis, imitar) es una nueva ciencia que se basa

en el estudio de los modelos, sistemas, procesos y elementos naturales con el

propsito de imitarlos y as encontrar soluciones prcticas a necesidades humanas,

con la condicin de que stas sean sustentables.

Biomimtica significa copiar la estructura de materiales biolgicos.

El objetivo de la ciencia y tecnologa de materiales de hoy en da es el diseo de

materiales a medida (empezando por su composicin, fases constituyentes y

microestructura), con el fin de obtener un material con unas propiedades adecuadas

para una aplicacin determinada.

Especial atencin se est prestando a la comprensin de los procesos

fundamentales que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los materiales

desde un nivel atmico/nanomtrico hasta macroscpicamente, empleando para tal

fin nuevas tcnicas de anlisis avanzadas y complejas simulaciones por ordenador.

2.10. Sol-gelEl proceso sol-gel es el nombre que recibe el proceso mediante el cual una

suspensin estable en fase lquida de partculas coloidales, tambin conocida como

sol, se convierte a travs de una reaccin irreversible en un gel, que es un sistema

bifsico formado por el disolvente sobrante y una masa slida rgida y porosa de la


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que se eliminar posteriormente el solvente en exceso mediante un tratamiento

trmico (Arthur A. Tracton, 2006). La transformacin del sol en gel puede ocurrir por

desestabilizacin, precipitacin o sobresaturacin de las partculas en el lquido.


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C A P T U L O I I I

M E T O D O L O G A


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Dentro de este captulo se describen los pasos necesarios para la formacin de

pelculas mediante dos tcnicas; sol-gel y materiales biomimticos. Comenzando

con la suspensin de TiO2, separacin de aglomerados, aumento de la

concentracin. En la figura 3.1 se muestra el proceso realizado en la metodologa.

Metodologa

SUSPENSIN COLOIDAL DE

ANATASA NANOCRISTALINA

SUSPENSI N ESTABLE SUSPENSI NINESTABLE (ETANOL)

OBTENCI N DE PEL CULAS CONEL MTODO DE RECUBRIMIENTO

POR FLUJO EN FUNCIN DE:VELOCIDAD DEL SUSTRATO Y

NGULO DE LA CUCHILLA

FORMACIN DE MICROCONOS(MATERIALES BIOMIMTICOS),

EN FUNCIN DE:CONCENTRACIN, VOLUMEN DESUSPENSIN Y TEMPERATURA

CARACTERIZACI N:-MICROSCOPIO PTICO

-MICROSCOPIOELECTRNICO DE BARRIDO

DETERMINACI N DE LAABSORCIN DE LUZ

-ESPECTROMETRA DEULTRAVIOLETA-VISIBLE


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La obtencin de microconos se realiz en dos etapas, en la primera se obtuvo una

suspensin coloidal de nanopartculas de TiO2 y en la segunda etapa se formaron

los microconos mediante un proceso de replicacin. La suspensin coloidal de

nanopartculas de TiO2 de 5 nanmetros (nm) se obtuvo mediante un proceso sol-

gel cido acuoso de baja temperatura (90C), usando como precursores el cido

actico y el butxido de titanio a una relacin molar de 3:1. Para mayor informacin

sobre el procedimiento de sntesis vase la referencia Muiz-Serrato, O. y Serrato-

rodrguez, J. (2014). Estas nanopartculas sintetizadas por el procedimiento sol-gel

sirvieron como bloques de construccin para la obtencin de los microconos. En la

segunda etapa, los microconos fueron obtenidos a travs de un proceso de rplica,

en donde inicialmente se realiz un molde negativo de la microestructura de los

ptalos de la planta Rosa chinensisusando polisiloxano, posteriormente dicho moldefue llenado con una suspensin coloidal de anatasa y al secarse dicha suspensin

se obtuvieron los microconos.

Antes de dar comienzo al proceso de formacin de pelculas y obtencin de

materiales biomimticos, es necesario mencionar el material, reactivos y equipo

utilizados en este proyecto.

3.1 Material Vidrio de reloj

Pipeta (5ml)

Jeringa

Perilla de succin

Tubos de ensayo (15ml)

Vasos de precipitados (100ml)

Papel para limpiar Termmetro

Vidrio de reloj

Pipeta (5ml)

Jeringa

Peseta

Esptula

Papel para limpiar

Pinzas para crisol

Pinzas de diseccin

Lmpara UV (300nm)

Vaso de precipitado 500ml

Probeta 25ml Agitador magntico

Parrilla

Recipiente con tapa para

almacenar el material obtenido

Tubos para centrifuga de 50 ml


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Vaso de precipitado 100ml

Matraz bola de tres bocas

Columna refrigerante recta

1 Tapn cerrado

1 Tapn para termmetro de

vidrio

1 Tapn para unir la columna

con el matraz

Termmetro

Mangueras para el agua de

enfriamiento

2 Pinzas de 3 dedos

1 Probeta 25 ml

1 Pipeta 1 ml

1 Pipeta micromtrica

2 Soportes universales

3.2 Reactivos Agua destilada

Nitrato de plata AgNO3

Etanol

Azul de metileno

20 ml Tolueno

20 ml Benceno

cido ntrico HNO3 CH3COOH glacial

H2O destilada

3.3 Equipo Centrfuga

Bscula analtica

Horno de secado

Desecador

Rotavapor

Bomba de vaco

Mangueras


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3.5 Formacin de pelculasPara la formacin de pelculas de TiO2 en fase anatasa se utilizan vidrios como

sustratos, donde se colocan unas gotas de la suspensin. Se dispersan por el

mtodo sol-gel, recubrimiento por flujo, a diferentes velocidades (1, 0.5, 0.05, 0.25 y0.025 cm/segundo) y un periodo de secado de aproximadamente 5 minutos a

temperatura ambiente.

3.5.1 Separacin de aglomeradosEl objetivo es purificar y eliminar aglomerados de la suspensin de TiO2mediante

de centrifugacin. Como primer paso se realiza el lavado del material (tubos de

ensaye y pipeta) con jabn, para despus eliminar impurezas con agua destilada. El

total de la suspensin es de 32 ml aproximadamente, se utilizaron 4 tubos de ensayeen los que se coloc 8 ml de la suspensin, con ayuda de la pipeta con bastante

cuidado debido a que puede contaminarse la pipeta o cualquier otro material. Se

debe aproximar el peso de los 4 tubos a una misma cantidad para evitar un

desbalance de la centrifuga. Los tubos estuvieron dentro de la centrifuga a 5000 rpm

durante un periodo de 9 minutos. Al realizar este procedimiento se observa la

decantacin de las partculas ms grandes. Por lo tanto la separacin de las fases.

3.5.2 Aumento de la Concentracin en la suspensinSe debe destilar la suspensin de TiO2a bajo vaco para incrementar el rendimiento.

Para ello se utiliza un Rotavapor, el cual est compuesto por un sistema de vaco,

bao calefactor, regulador de temperatura, condensador (refrigerante de serpentn),

regulador de velocidad, matraz condensador donde se coloco la suspensin de TiO2

a una temperatura de 80 C, y posteriormente se introdujo en el bao de calefaccin,

a una velocidad de 12-20. Se dejo aproximadamente durante 30 minutos. Contiene

un segundo matraz donde es depositado el etanol, por destilacin. Se debecontrolar, la velocidad de rotacin del matraz que contiene la suspensin, la

temperatura y la presin de la bomba de vaco (30-50 cm de Hg). Se debe esperar a

que la suspensin comience a evaporar y se condense. Finalmente la suspensin se

conserva en un tubo de ensaye. Se mide la concentracin, la cual aumento de 1.5

% a 10%.


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Figura 3.2 fotografa del Rotavapor

3.5.3 Obtencin del molde negativoPara la obtencin del molde negativo el cual esta echo de una material de impresin

con base de silicona (Polisiloxano) y los ptalos de la planta Rosa chinensis, se

utilizan dos sustratos de vidrio de tamao 7 x 2.5 cm y se coloca un ptalo de rosa

sobre un primer sustrato, posteriormente se realiza la mezcla de los silicones a un

tiempo no mayor a 30 segundos para evitar el secado, la mezcla es colocada sobre

el ptalo de rosa chinensisya previamente preparada y con un segundo sustrato se

presiona el silicn para que en este sea impresa la microestructura de la rosa

chinensis, se deja secar por 7 minutos y se retira el sustrato junto con el ptalo derosa.

3.6 Formacin de los microconos con nanopartculas de anatasaEn esta etapa se utilizan vidrios como sustratos, en los que se colocan unas gotas

de la suspensin de TiO2(anatasa), se dejan secar de dos formas; con lmpara y a

temperatura ambiente hasta alcanzar un grado de viscosidad llamado gel point

(cuando la forma se graba en la superficie de la suspensin). Al tener esta

viscosidad se monta el molde negativo sobre el vidrio que contiene la suspensin, se

sujetan con pinzas y se forma un tipo sndwich que se deja secar entre 2 y 3 das.

En esta etapa se utilizan vidrios como sustratos, en los que se colocan unas gotas

de la suspensin de TiO2(anatasa), se dejan secar de dos formas; con lmpara y a

temperatura ambiente hasta alcanzar un grado de viscosidad llamado gel point


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(cuando la forma se graba en la superficie de la suspensin). Al tener esta

viscosidad se monta el molde negativo sobre el vidrio que contiene la suspensin, se

sujetan con pinzas y se forma un tipo sndwich que se deja secar entre 2 y 3 das.

3.7 Tcnicas de caracterizacin

3.7.1 Microscopio electrnico de barrido (MEB)

El microscopio electrnico de barrido (MEB), se utilizo para la caracterizacin de las

pelculas de TiO2fase anatasa y la formacin de microconos.

En el Microscopio electrnico de barrido, un haz de electrones, es generado por un

filamento incandescente. Los electrones emitidos son acelerados por una reji lla

cercana polarizada positivamente. Este haz de electrones, en su viaje a travs del

vaco, tiende a separarse debido a las fuerzas de repulsin electrostticas que

actan entre ellos.

Los requisitos indispensables que deben cumplir son ausencia de lquidos, es decir,

la muestra tiene que estar seca y adems debe ser conductora de la corriente

elctrica. Este ltimo requisito se cumple en los metales pero no as en otro tipo de

materiales, por lo que para hacer a la muestra conductora se la recubre de una capa

de algn material conductor tal como el carbn o el oro. Este recubrimiento ha de ser

suficientemente grueso como para que circule la corriente elctrica que se deposita

en la muestra y suficientemente delgado para que no enmascare o tape las

caractersticas superficiales de inters.

3.7.2 Microscopio ptico (MO)Para esta tcnica de caracterizacin se utiliza un microscopio ptico, modelo LECO

500 para la observacin de los microconos (materiales biomimticos). Las variables

que se utilizaron para obtener imgenes con adecuada resolucin fueron las

amplificaciones y la iluminacin. Los microscopios de tipo ptico se basan en la

ampliacin de la imagen de un objeto mediante el uso de lentes convergentes y de

hecho poseen una ptica doble; es decir poseen dos lentes que son la objetiva y la

ocular.


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3.7.3 Espectroscopa de Ultravioleta-Visible (UV-VIS)Es una tcnica analtica que permite determinar la absorcin de la luz que presentan

los materiales. Se basa en que las molculas absorben las radiaciones

electromagnticas y a su vez que la cantidad de luz absorbida depende de forma

lineal de la concentracin o bien del espesor del material. Para hacer este tipo de

medidas se emplea un espectrofotmetro, en el que se puede seleccionar la longitud

de onda de la luz que pasa por una solucin y medir la cantidad de luz absorbida por

la misma.

El fundamento de la espectroscopa se debe a la capacidad de las molculas para

absorber radiaciones, entre ellas las radiaciones dentro del espectro UV- visible. Las

longitudes de onda de las radiaciones que una molcula puede absorber y laeficiencia con la que se absorben dependen de la estructura atmica y de las

condiciones del medio (pH, temperatura, fuerza inica, constante dielctrica), por lo

que dicha tcnica constituye un valioso instrumento para la determinacin y

caracterizacin de biomolculas.


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C A P T U L O I V

R E S U L T A D O S


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Dentro del captulo cinco se muestran los resultados obtenidos al realizar la

experimentacin por los mtodos de formacin de pelculas y obtencin de

materiales biomimticos. Adems se muestran los resultados obtenidos por medio

de la caracterizacin en MEB, Espectrofotometra de UV-Vis y Microscopio ptico.

4.1 Nanoestructura de las nanopartculas de anatasaEn la fig. 4.1 se muestra la morfologa, el tamao, la distribucin de tamao de

partcula y la fase que se observ en las nanopartculas de TiO2, obtenidas mediante

con el proceso sol-gel. La imagen en microscopa electrnica de transmisin de alta

resolucin de (HRTEM) (fig. 4.1a) muestra que las nanopartculas de TiO2tienen una

forma elptica, un tamao promedio de 5.3 nm y una distribucin estrecha ymonomodal de tamao de partcula; en general la mayora de las nanopartculas

tienen dimensiones entre 3 a 7 nanmetros (nm) (fig. 4.1b). Las dimensiones ultra-

finas que presenta el material se deben a que el cido actico usado en la sntesis

del material inhibe la formacin de planos de alta energa y restringe el crecimiento

de la partcula. Adems, en los datos de Difraccin de rayos X (DRX) se observa que

el material es cristalino y solo la fase anatasa se form durante el proceso de

sntesis a baja temperatura (80C) y adems el plano (101) fue el que predomin

(fig. 4.1c).


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Fig. 4.1 Nanoestructura de las nanopartculas de anatasa obtenidas mediante el proceso sol-

gel. a) HRTEM de las partculas de anatasa, b) distribucin estrecha y monomodal del tamao

de partcula y c) un difractograma de rayos X donde se observa la fase formada durante el

proceso de sntesis sol-gel de baja temperatura.

4.2 Microestructura de los conos bioinspiradosLa densidad de microconos obtenidos mediante la tcnica de replicacin vara en

funcin del volumen de la suspensin coloidal de anatasa usado. De esta manera, la

densidad de microconos obtenida se incremento al aumentar el volumen de

suspensin de 150 microlitros (L) a 200L (fig. 4.2a-b). As, el material obtenido con

los 200L de suspensin muestra que los conos se formaron adecuadamente,aunque presentan algunas zonas donde no se formaron estas microestructuras. La

amplificacin de la imagen en el lado superior derecho de la fig. 4.2 muestra la forma

hexagonal alargada de la base de los microconos cuyas dimensiones son 8.45m de

largo (L) y 6.26m de ancho (A). Finalmente, el material obtenido con 150L


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present una baja densidad de microconos y adems los conos formados fueron

ms pequeos que los obtenidos con 200L.

Fig. 4.2 Microestructura de los conos formados mediante el proceso de replicacin en funcin

del volumen de suspensin coloidal de nanopartculas de anatasa usado. (a y b) Imgenes de

microscopa ptica de las muestras obtenidas con 150L y 200 L de suspensin,

respectivamente. La amplificacin de la imagen en el lado superior derecho muestra la formahexagonal alargada de la base de los microconos. As, las grficas (c y d) son las

distribuciones estrechas y mono-modales del tamao de la base de estas estructuras.


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C A P T U L O V

C O N C L U S I N


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En este captulo se muestran los resultados obtenidos mediante la experimentacin,

la formacin de pelculas por el mtodo de recubrimiento por flujo y la formacin de

microconos a travs de materiales biomimticos.

La superficie de los ptalos de rosa parece ser una buena opcin para obtener

materiales biomimticos (microconos) de anatasa que presenten superficies

hidrofbicas y propiedades pticas sobresalientes. Los resultados que se llevan

hasta el momento muestran que la densidad de microconos obtenidos mediante la

tcnica de replicacin vara en funcin del volumen de la suspensin coloidal de

anatasa usado. As, el material que present la mayor densidad y calidad en los

microconos de anatasa formados fue aquel en el que se us un mayor volumen de

la suspensin coloidal (200 L) de nanopartculas de anatasa.


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