La polidopamina (PDA) es un material funcional avanzado y sus propiedades emergentes de absorción de luz lo hacen crucial para aplicaciones en ciencia de materiales. Sin embargo, Es un desafío diseñar y regular racionalmente las propiedades de absorción del PDA debido a su compleja arquitectura. En un nuevo informe, Yuan Zou y un equipo de investigadores en ciencia de polímeros, Los materiales optoelectrónicos y la química física en China propusieron un método simple para regular los comportamientos de absorción de luz del PDA. Para lograr esto, construyeron pares de donante-aceptor en las microestructuras a través de conexiones entre restos químicos específicos. Luego utilizaron análisis estructural y espectral detallados, así como simulaciones de la teoría funcional de la densidad (DFT) para confirmar la existencia de tales pares moleculares donante-aceptor. Los pares moleculares podrían disminuir la banda prohibida de energía (o la brecha de energía donde no existen electrones) y aumentar la deslocalización de electrones para mejorar la absorción de luz en un amplio espectro. El diseño racional de nanopartículas de PDA con propiedades de absorción sintonizables permitió un efecto fototérmico mejorado, que el equipo demostró con excelentes actuaciones durante la desalación solar. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Polidopamina

Inspirado en los pigmentos biomacromoleculares de la melanina, La polidopamina (PDA) ha recibido una atención cada vez mayor para aplicaciones en ingeniería de superficies, terapia fototermal y bioimagen. Las fuertes propiedades adhesivas y de absorción de la luz del PDA también pueden beneficiar a la ingeniería interfacial durante la remediación del agua. Los científicos han propuesto muchos métodos sintéticos para preparar nanomateriales PDA, aunque con una atención limitada para regular su espectro de absorción. El proceso de polimerización de la dopamina se compone de varias vías complicadas y, por lo tanto, no se comprende completamente. Como resultado, Zou y col. asumió que la construcción de estructuras altamente conjugadas en relación con los pares donante-aceptor en las nanoestructuras PDA podría regular el espectro de absorción de la muestra. Para lograr eso en este trabajo, desarrollaron una estrategia de síntesis en un solo recipiente para sintetizar nanopartículas (NP) de PDA con propiedades de absorción de luz ajustables.

Síntesis y caracterización

Durante el proceso sintético, realizaron una copolimerización directa de 2, 2, 6, 6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO):un radical nitroxilo típico, sobre dopamina en una solución acuosa. Doparon el resto TEMPO a la microestructura de polidopamina conectando covalentemente la molécula con 5, 6-dihidroxiindol (DHI) e indol-5, Oligómeros de 6-quinona (IQ) para estrechar los huecos de la banda de energía del material y mejorar los comportamientos de absorción de luz de las nanopartículas de polidopamina convencionales (PDA NP). Los científicos confirmaron los resultados mediante el uso de análisis electroquímicos, Simulaciones de teoría funcional de densidad y mediciones espectrales. El trabajo demostró una eficiencia fototérmica sobresaliente para el producto que se puede utilizar en la generación de vapor solar interfacial y la desalinización de agua de mar.

Los científicos desarrollaron tres tipos de NP PDA (clasificados entre 1 a 3) con diferentes contenidos de dopaje y tamaños de partículas similares ajustando la concentración inicial de TEMPO. Sintetizaron NP PDA convencionales mediante la autopolimerización de dopamina en presencia de amonio utilizando un método bien establecido. Observaron las características de la muestra de PDA resultante utilizando microscopía electrónica de barrido, dispersión dinámica de la luz y espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR). Usando espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), confirmaron la existencia de carbono, nitrógeno, y elementos de oxígeno en todas las muestras de PDA destacando la preparación exitosa de NP de PDA dopadas con TEMPO. Según los resultados, Zou y col. hipotetizó dos posibles vías para formar la estructura macromolecular reticulada.

Mayor absorción de luz y comportamiento fototérmico de PDA dopados con TEMPO.

El equipo examinó la capacidad de absorción de luz y el efecto fototérmico total de estos NP PDA dopados con TEMPO, donde el producto absorbió fuertemente la luz capturando y convirtiendo la energía solar en energía térmica de manera eficiente con una amplia gama de aplicaciones. Durante más pruebas, dispersaron PDA-3 en agua a varias concentraciones para su irradiación con láser. En comparación con muchos otros materiales fototérmicos excepcionales, los NP PDA dopados con TEMPO mostraron mejores comportamientos fototérmicos. Por ejemplo, Zou y col. señaló cómo las nanopartículas de oro podrían sufrir una pérdida sustancial de absorbancia de luz después de una irradiación a largo plazo debido a la destrucción estructural a través del calor que las acompaña de las condiciones experimentales. El equipo demostró de manera contrastante cómo los NP de PDA dopados con TEMPO mantuvieron capacidades mejoradas de absorción de luz con comportamientos fototérmicos mejorados en comparación con los nanomateriales fototérmicos convencionales. El material resultante puede servir como agentes fototérmicos de nueva generación para completar una variedad de aplicaciones.

Los científicos notaron la formación espontánea de microestructuras de donante-aceptor en el sistema PDA basado en TEMPO debido a la conjugación química entre TEMPO y DHI. IQ y sus oligómeros durante el proceso de polimerización. Esta reacción contribuyó a reducir la banda prohibida de energía y a mejorar la absorción de luz del producto. Para verificar esto, calcularon el valor de banda prohibida óptica de diferentes muestras de PDA en sus formas de solución acuosa junto con su voltamperometría cíclica electroquímica (CV) para investigar las bandas prohibidas de energía de todas las muestras. Establecieron el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) utilizando las mediciones de CV y ​​establecieron la unidad TEMPO como un fragmento donante. A medida que aumentaba la concentración de dopaje de TEMPO, la proporción de la mitad del coeficiente intelectual también aumentó gradualmente, resultando en una mejor deslocalización de electrones para una mejor absorción de luz. El equipo planteó la hipótesis de un aumento de los radicales libres durante la síntesis de PDA a través del dopaje TEMPO, que probaron y verificaron utilizando mediciones de resonancia paramagnética electrónica (EPR). Dado que los espectros de absorción inducida por excitones (EIA) no se basaron en la cantidad de TEMPO dopado para formar el compuesto, el equipo lo atribuyó ampliamente a la presencia de excitones en sus componentes adicionales (como DHI, IQ).

Aplicaciones de la desalación de agua

Las excelentes propiedades fototérmicas y de absorción de la luz del PDA basado en TEMPO hicieron que el material fuera adecuado para aplicaciones en la generación de vapor de agua y la desalinización de agua de mar. De la variedad de muestras, Zu y col. seleccionó PDA-3 como el candidato más prometedor para desarrollar el dispositivo de evaporación. Para lograr esto, depositaron la solución acuosa de PDA-3 sobre una membrana de celulosa como absorbente de luz hidrófilo y evitaron el contacto directo con el agua mediante el uso de una capa de aislamiento térmico como el poliestireno. Cuando Zou et al. expuso la configuración experimental a la irradiación solar, purificaron el agua recolectando agua condensada del vapor solar. La membrana de celulosa recubierta de PDA-3 mostró una absorción de luz mejorada en comparación con las muestras de control. La construcción absorbió la mayor parte de la energía solar en las regiones visible y ultravioleta. Para comprender la generación de vapor solar y el rendimiento de la evaporación fototérmica, midieron la pérdida de peso del agua durante la evaporación y consideraron la eficiencia de conversión de energía como un índice importante. Los resultados indicaron la viabilidad del dispositivo para la desalación junto con una actividad eficiente y duradera.

De este modo, Yuan Zou y sus colegas propusieron un método simple para regular el espectro de absorción de polidopamina (PDA) en un proceso de polimerización en un solo recipiente en presencia de dopamina y TEMPO. Las nanopartículas resultantes tenían una capacidad de absorción de luz mejorada y efectos fototérmicos en comparación con los nanomateriales PDA convencionales debido a las estructuras donante-aceptor en el sistema PDA. Cuando recubrieron el PDA resultante basado en TEMPO en la película de celulosa, la construcción actuó como un absorbedor de luz solar adecuado para la evaporación de agua con una alta eficiencia de conversión solar y una excelente tasa de evaporación. El trabajo ofrecerá nuevas oportunidades para nanomateriales PDA estructurales y funcionales adecuados para aplicaciones de captación de luz.

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