The elementary processes of atomic and molecular oxygen over the solid surfaces of graphite and β–cristobalite have been studied theoretically. The aim of the study is to widen the knowledge about the behaviour of materials used as a Thermal Protection Systems in space vehicles during its re-entry on the Earth’s atmosphere. For the oxygen interaction over graphite, a Density Functional Theory study has been carried out for the main heterogeneous elementary processes. Minima and transition states have been characterized for the atomic and molecular adsorption, as also the main features of atomic diffusion and O2 formation via Eley-Rideal and Langmuir-Hinshelwood processes. The rate constants for each of the beforementioned processes have been computed by means of the Transition State Theory and then used in a Kinetic model in order to study the overall effect of the processes occurring at the same time. This model allows estimating the atomic recombination coefficient, widely used in computational fluid dynamics simulations. In order to understand the microscopic mechanism of these processes, a dynamical study has been carried out by means of the quasiclassical trajectory method over several potential energy surfaces (PES). For the atomic interaction with the surface an analytical surface (using the Flexible Periodic Lodon-Eyring-Polanyi-Sato, FPLEPS method) and an interpolated one (using the Modified Shepard method) have been constructed. In the case of two atoms interacting with the surface, a FPLEPS surface has been used. From these calculations, reaction probabilities, scattering angles and other properties has been obtained. The dynamical study of oxygen interacting with β–cristobalite has been completed, specifically for the interaction of an oxygen atom with a precovered surface and for the molecular oxygen over a clean surface. Using these results, the reaction rate constants have been computed and used in a microkinetic model in order to understand the effect of all of the elementary processes considered at the same time. Furthermore, an estimation of the atomic recombination coefficient and the energetic accommodation coefficient has been carried out. / S’ha realitzat un estudi teòric d’alguns dels processos químics elementals de l’oxigen atòmic i molecular sobre les superfícies sòlides del grafit i de la β–cristobalita. La intenció ha sigut la d’ampliar el coneixement sobre quin es el comportament dels materials que s’empren com a sistemes de protecció tèrmica en vehicles espacials durant la seva reentrada a l’atmosfera terrestre. Per entendre millor com tenen lloc aquests processos químics heterogenis sobre la superfície del grafit, s’ha realitzat un estudi a nivell de la Teoria del Funcional de la Densitat sobre la interacció de l’oxigen atòmic i molecular amb aquesta superfície. Així doncs, s’han caracteritzat els principals punts estacionaris (mínims d’adsorció, estats de transició,...) de las reaccions elementals: adsorció atòmica i molecular, difusió, formació de molècules d’O2 a partir de les reaccions d’Eley-Rideal o Langmuir-Hinshelwood,..., observant en tots els casos que són processos energèticament activats. S’han trobat també dos petits mínims de fisisorció per l’àtom i la molècula, amb concordança amb dades experimentals publicades. S’han calculat les constants de velocitat associades a cadascun dels processos elementals a partir de la Teoria de l’Estat de Transició, i s’ha construït un model cinètic (300-1000K), en el que s’han estudiat l’efecte d’aquests processos de forma global, permetent també realitzar una estimació del coeficient de recombinació atòmica. Aquest coeficient, molt emprat en simulacions computacionals de fluids, a resultat ser molt petit a les diferents condicions estudiades. Per a aprofundir en el mecanisme microscòpic dels processos esmentats, s’ha realitzat un estudi de dinàmica molecular mitjançant el mètode de trajectòries quasiclàssiques sobre dos superfícies d’energia potencial , construïdes mitjançant un mètode analític (Flexible Periodic London-Eyring-Polanyi-Sato, FPLEPS) i un mètode d’interpolació (Modified Shepard) per a la interacció de un àtom amb el grafit, i sobre una superfície FPLEPS per a la interacció de dos àtoms amb el grafit. Amb això s’han pogut determinar les probabilitats de reacció per a cadascun dels processos, l’intercanvi energètic entre les espècies en fase gas i la superfície sòlida, angles de dispersió,... obtenint bona concordança d’aquests amb resultats experimentals publicats. S’ha observat que la reflexió atòmica i la adsorció atòmica són els principals processos sobre una superfície sòlida neta. La reacció Eley-Rideal, que produeix molècules d’O2 excitades internament, es produeix sobre una superfície amb O preadsorbit, mentre que la dissociació molecular no s’ha observat pràcticament. S’ha completat l’estudi dinàmic de l’oxigen sobre la superfície de β–cristobalita (001), per als processos de interacció d’un àtom amb la superfície coberta d’oxigen atòmic i per a la col•lisió de l’O2 amb la superfície neta. S’han realitzat també càlculs dinàmics en condicions quasitèrmiques dels processos elementals per obtenir les constants de velocitat associades i poder així construir un model cinètic (700- 1700K), amb el que s’han pogut avaluar els coeficients de recombinació atòmica (γ) i d’acomodació energètica (β). Per al primer s’han obtingut valors propers als experimentals, compresos entre 0.01 i 0.02. En el cas de βO s’han obtingut valors entre 0.75 i 0.8, que difereixen substancialment dels que s’han assumit a simulacions prèvies (βO=1). S’ha demostrat que el procés d’adsorció atòmica es molt més important que la reacció Eley-Rideal en quant a transferència de calor cap a la superfície sòlida.

Los materiales compuestos nanoestructurados son considerados una opción prometedora para la concepción de materiales multifuncionales. Sin embargo, la falta habitual de interacción entre los componentes orgánicos e inorgánicos en los materiales híbridos nanoestructurados comporta unas propiedades macroscópicas anisotrópicas que limitan su uso. Por ello, se hace necesario el diseño de la interfase formada entre los componentes mencionados a fin de mejorar sus prestaciones. En esta Tesis Doctoral se ha optado por el uso de dióxido de carbono supercrítico (scCO2) para la modificación superficial de nanopartículas inorgánicas y para la preparación de materiales híbridos nanoestructurados. Estos procesos supercríticos, diseñados como sostenibles, se proponen como sustitutos de técnicas convencionales que empleen disolventes orgánicos. El tratamiento superficial de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) con octiltrietoxisilano se ha empleado como sistema de estudio para evaluar el uso de recubrimientos de alcoxisilanos bifuncionales como promotores de adhesión de partículas inorgánicas nanométricas. El scCO2 se emplea como disolvente del alcoxisilano para la silanización del TiO2. También se han llevado a cabo estudios fundamentales de solubilidad de octiltrietoxisilano en CO2 y de la cinética del proceso de silanización del TiO2. La modulación de las propiedades fisicoquímicas del scCO2 con la presión y la temperatura permite el control de las características del recubrimiento con silano. El proceso de silanización supercrítico se ha extendido a diferentes sistemas alcoxisilano-nanopartículas inorgánicas. Asimismo, se ha evaluado la tecnología de scCO2 para la preparación de materiales híbridos nanoestructurados que contengan nanopartículas inorgánicas silanizadas. El tratamiento superficial de las nanopartículas favorece la distribución homogénea de éstas en el material híbrido y mejora la interacción relleno-matriz orgánica. Se han procesado matrices biopoliméricas de interés en ingeniería tisular, compuestas de ácido poliláctico o la mezcla iv polimetilmetacrilato/policaprolactona, con adiciones de nanopartículas de TiO2 o hidroxiapatita, respectivamente. Para su procesado, se ha empleado scCO2 como no-disolvente utilizando la técnica Particles from a Compressed Anti-Solvent (PCA). Además, se han preparado partículas híbridas formadas por una mezcla lipídica de aceite de ricino hidrogenado y glicerilmonoestearato con adiciones de TiO2 y cafeína, con posibles aplicaciones en cremas para uso tópico. Estas partículas sólidas lipídicas se han obtenido usando la técnica Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS) que emplea scCO2 como soluto. Por último, el proceso de silanización supercrítico se ha ensayado para materiales híbridos complejos multiescalados. Se han procesado materiales de base cemento empleando un proceso supercrítico de carbonatación-silanización en dos etapas. Primero, el cemento se carbonata de manera acelerada usando scCO2 como agente de carbonatación. Este cemento, ya carbonatado, se somete, finalmente, a un tratamiento hidrofóbico mediante silanización supercrítica, para su posible aplicación en confinamiento de residuos peligrosos en ambientes húmedos o como material de construcción duradero. / Nowadays, society is asking for a global changing in the way of manufacturing goods in a more sustainable manner. Indeed, the weight of the classical factors (cost, quality, appearance) influencing the acceptance of a certain good in the market have currently changed. Manufacturing requirements and regulations concerning environment protection (e.g., resource consumption, sustainability, toxicity, CO2 footprint, recycling potential) and quality features (e.g., product guarantees, durability against aggressive environments, corporate vision) are aspects of increasing concern. The competitive position of a company is influenced by seizing the opportunities and challenges and by managing the risks that the changeable market has. As a consequence, the industry is continuously looking for smart and innovative solutions for the design and manufacturing of materials with novel properties and increased added value, and for the production of materials already existing in the market in a more efficient manner. Nanostructured hybrid composites have emerged as a promising class of innovative materials for many industrial sectors (e.g., energy, optoelectronics, biomedicine, cosmetics). The multicomponent composition of these materials provides them with unique properties arising from the synergistic combination of the characteristics of their individual components structured at the nanolevel. Nevertheless, in numerous hybrid materials, the lack of coupling or bonding between the components often leads to anisotropic macroscopic properties, limiting their use. Hence, the interaction at the interphase between hybrid components must be properly engineered to enhance materials properties. In this PhD Thesis, the quest for sustainable and environmentally friendly processes led to the use of supercritical carbon dioxide (scCO2) for both the surface modification of nanometric inorganic particles and the preparation of nanostructured hybrid materials. These processes are designed for the replacement of conventional methods using organic solvents. vi Bifunctional alkoxysilane molecules, acting as adhesion promoters, are, herein, investigated for the surface modification of nanometric inorganic particles. The surface treatment of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles with octyltriethoxysilane is taken as the model system for study. In terms of processing, scCO2 is used as the solvent of choice for alkoxysilanes for the surface modification of TiO2. Fundamental studies on the solubility of the used silane in CO2 in the pressure range 8-18 MPa at two different temperatures (318 and 348 K) and on the kinetics of the TiO2 silanization process are performed. For the scCO2-aided silanization process, studies are conducted to ascertain the effects and interactions of the operating variables on the properties of the final material. Results show that the tunable physicochemical properties of scCO2 with pressure and temperature (e.g., density, solvation power) allows the engineering control of the characteristics of the silane coating. Examples of the extension of the application of the supercritical silanization process to other sets of alkoxysilanes and inorganic nanoparticles are also presented. The preparation of hybrid materials including silanized inorganic nanoparticles and organic matrices is further tested using scCO2 technology. Surface treated nanoparticles are used to facilitate the homogeneous distribution of the nanoparticles within the matix and to improve the inorganic filler-organic matrix interaction. Biopolymeric matrices of either poly(L-lactic acid) (L-PLA) or the blend poly(methylmethacrylate)/poly(ε-caprolactone) (PMMA/PCL) loaded with nanometric titanium dioxide or hydroxyapatite, respectively, are prepared. To obtain these hybrid materials, scCO2 is employed as an anti-solvent, using the Particles from a Compressed Anti-Solvent (PCA) technique. Studies are performed to pursue the effect of the processing conditions on the morphology of the precipitated hybrid materials. The resulting material, obtained in the form of fibers, has suitable properties for its potential application in tissue engineering. In a different system, hybrid particles composed of a lipidic matrix (hydrogenated castor oil/glyceryl monostearate) loaded with silanized titanium dioxide and caffeine are prepared. The Particles from Gas Saturated Solutions (PGSS) technique, assisted by the use of scCO2 as a solute, is employed for the production of these solid lipid particles. The obtained hybrid material is evaluated concerning the drug carrier and release ability and the UV-shielding capacity. The UV-light protection and photoaging prevention capacity of the lipid-based hybrid material provide excellent properties for the use of these particles in the formulation of sunscreens and pharmaceutical dermal products. vii Finally, the possibility of extending the supercritical silane treatment to multiscale complex hybrid materials is assessed. The technology based on the use of scCO2 is presented for the two-step carbonation-silanization process of cement-based materials. In the first step, the carbonation of cement is accelerated using scCO2 as the carbonation agent. The effects of the cement formulation and process operation conditions on the microstructure and physicochemical properties of carbonated samples are evaluated. The carbonation process is followed by the hydrophobic treatment of the carbonated samples using a supercritical silanization method. The surface modification of carbonated cement with octyltriethoxysilane confers water repellence to the material. The carbonation-silanization process is scheduled and integrated to mitigate the consumption of raw materials and the use of facilities.