Evaluación de la difusión de colorantes de diferentes cargas en películas delgadas mesoporosas de TiO2

Resumen

La posibilidad de crear materiales de porosidad y funcionalidad controlada en la nanoescala ofrece un enorme potencial para aplicaciones. Por ello, en este estudio nos enfocamos en comprender los procesos de transporte de este tipo de sistemas por medio de sondas fluorescentes dentro de los poros. Para este fin, se sintetizaron películas mesoporosas de óxido de titanio (TiO₂). Para acceder a un estudio detallado de los procesos de transporte se caracterizaron los fenómenos de difusión en nanoporos mediante mediciones de tiempos característicos de difusión por medio de Espectroscopía de Correlación de Fluorescencia (FCS). Estos experimentos fueron realizados con rodamina-B, sulforodamina-B y rojo de nilo como sondas fluorescentes catiónica, aniónica y neutra, respectivamente. Las sondas fueron incorporadas en las películas mesoporosas utilizando una cámara a 99% de humedad, garantizando saturación de agua en el sistema de poros. Los parámetros de interés en estos experimentos son la fuerza iónica y el pH dentro de los poros.

De los experimentos surge que las moléculas de colorante no muestran difusión convencional en 2 dimensiones dentro de los poros.  Por el contrario, su difusión puede ser descripta mediante el modelo “stick and diffuse” [1], en el cual se tiene una fracción de moléculas que difunden libremente mientras otras sufren adsorción fuerte en las paredes de los poros.

El análisis de correlación de fluorescencia muestra que tanto la sonda positiva como la neutra muestran mayor tendencia a inmovilizarse, lo que se manifiesta en su menor movimiento en los poros mientras que la sonda negativa posee mayor movilidad. Esto se evidencia en sus valores de coeficiente de difusión, siendo para la sonda negativa 4.52x10^-8 cm²/s, mientras que para la sonda positiva es 2.54x10^-9 cm²/s y para la neutra 1.11x10^-9 cm²/s.

Por otro lado, para las tres sondas se tienen una mayor difusión en los poros a medida que se aumenta el nivel de la fuerza iónica. Adicionalmente, se observa que cuando se varía el pH dentro del rango 7-9 para la sonda positiva y negativa se tiene una misma tendencia de mostrar una difusión más lenta cuando los valores del pH son cercanos a 9, por el contrario, la sonda neutra tiende a difundir un poco más rápido en estos valores más altos.

En conclusión, las tres sondas difunden dentro de los poros pero la negativa posee mayor difusión que la positiva y la negativa. La inclusión de fuerza iónica ayuda que las sondas se muevan con mayor facilidad. Con respecto al pH dentro de los poros la difusión depende de la sonda, lo cual se debería a los grupos moleculares de cada sonda y su interacción con las paredes de los poros al variar este parámetro.