Neste trabalho, é analisada a estrutura de materiais híbridos contendo poliânions de ácido 12-tungstofosfórico (H3PW12O40, HPW) inseridos em uma matriz de silicatos orgânico-inorgânica (ormosil). Estes materiais apresentam propriedade reversível de fotocromismo na faixa do UV (200-400nm), sendo cogitados como possíveis candidatos para aplicação como dosímetros pessoais UV. A metodologia sol-gel possibilita a obtenção destes compostos por vias relativamente simples e de baixo custo para a combinação dos componentes orgânicos e inorgânicos formadores da matriz ormosil. As propriedades do efeito fotocrômico, como intensidade e tempo de vida, ser alteradas variando-se a concentração e a natureza dos grupos presentes na matriz ormosil. Outras propriedades também podem ser ajustadas, como porosidade, adesão dos filmes, resistência mecânica, homogeneidade e transparência. No entanto uma correlação clara entre o processo de fotocromismo e a estrutura local ao redor do poliânion ainda não foi estabelecida. O objetivo geral da pesquisa é a caracterização estrutural e dinâmica destes compostos, a fim de se avançar no entendimento do processo fotocrômico e na otimização de métodos de preparação para o controle das propriedades fotocrômicas. Resultados preliminares mostram que o ambiente de coordenação do HPW nos ormosils é complexo, envolvendo diversas espécies de prótons, e os níveis de hidratação parecem desempenhar importante papel estrutural. Portanto, o objetivo específico deste trabalho é obter uma descrição da estrutura/dinâmica das espécies no ambiente de coordenação do poliânion, como espécies de hidratação e/ou grupos da matriz ormosil, e da interação entre estas espécies e o HPW. Para tal, foram utilizadas técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN) para analisar amostras de composição simplificada, como uma amostra modelo HPW n6H2O e xerogeis contendo tetraetilortosilicato (TEOS) e no máximo dois organosilanos na composição, dentro do conjunto: 3-aminopropiltrietóxisilano (APTS), butironitrilatrietoxisilano (BUT) e 3 glicidoxipropilltrimetóxisilano (GLYMO). Embora a estrutura do HPW n6H2O seja extensamente discutida na literatura, ainda existem questões estruturais a serem discutidas, para as quais as técnicas de RMN podem fornecer importante contribuição. Diferentes tratamentos térmicos sobre o HPW nH2O foram testados para a obtenção do HPW n6H2O, e os resultados de RMN mostram que o controle de atmosfera durante o processo de secagem é determinante para a estrutura final das espécies de hidratação. No caso dos xerogeis, diferentes atmosferas foram testadas durante o preparo, estudando-se o efeito desta variável sobre a estrutura das espécies no ambiente de coordenação do HPW. Adicionalmente, tratamentos térmicos para a secagem das amostras também foram realizados. Após a irradiação das amostras com luz UV é formado um centro paramagnético WV no poliânion, que foi estudado por ressonância paramagnética eletrônica (RPE). A técnica de 31P permitiu avaliar a estrutura no ambiente mais local da molécula de HPW. Utilizando técnicas de 1H RMN, polarização cruzada (CP) {1H}-31P, correlação heteronuclear (HETCOR) {1H}-31P, {1H}-29Si e {1H}-13C, e medidas de tempos de relaxação spin-rede de 1H no sistema rotante (T1ρ), foi constatado que o ambiente de coordenação do HPW nos xerogeis é basicamente constituído de espécies de hidratação, como H2O, H3O+, H5O2+ e H+(H2O)n, e espécies OH, que provavelmente pertencem a grupos na matriz de ormosil. Os experimentos de RPE permitiram identificar a existência de uma processo termicamente ativado, em que o elétron excitado realiza saltos entre os diferentes sítios WO6. Dois tipos de centros paramagnéticos WO6, ambos com simetria ortorrômbica, foram resolvidos em 20K. Um deles pôde ser atribuído a sítios WO6 interagindo fortemente com H2O, com a elongação da ligação W=O em WO6. Este sítio é dominante para amostras mais hidratadas. Além deste, outro sítio é observado em amostras mais secas, atribuído a centros WO6 interagindo mais fracamente com os H no ambiente do HPW. Estes resultados mostram que as espécies de hidratação desempenham um importante papel no processo de fotocromismo. / The local structure of hybrid organic-inorganic (ormosils) materials based on 12-phosphotungstic acid (H3PW12O40, HPW) was analyzed. These materials have reversible photochromic response in the range of ultraviolet (200 - 400 nm), and may found application in personal UV dosimeters. These ormosils can be prepared in a simple way using the sol-gel method, allowing the possibility of film depositions. It is known that properties such as the intensity of the photochromic response and the life-time in this state can be controlled changing the organic functional groups in the silane precursors. Other general properties can be also adjusted with these organic functionalities, such as film adhesion, mechanical response, homogeneity and transparency. However, the relation between the photochromic response, the chemical species (including water molecules) around the polyanion, and the local structure is still an open problem. The objective of this work was to analyze the effect of the preparation conditions of the ormosils (composition, atmosphere and thermal treatments) on the chemical environment around the polyanion and their possible influence in the photochromic response. The analysis of the interaction between the polyanion and the chemical species in the ormosil network and hydration species was carried out using nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) in the solid-state for 1H, 31P, 13C, and 29Si. A set of simple photochromic ormosils were considered in this study, prepared with tetraethilorthosilicate (TEOS) and a maximum of two organosilane precursors from the set aminopropyltriethoxysilane (APTS), butyronitriletriethoxysilane (BUT) and 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane (GLYMO). Also, the HPW hexahydrate (HPW 6H2O) was analyzed as a model system to test the response of the NMR technique to the structural and dynamical process known in this crystal. The effects of thermal treatments and atmosphere in the preparation of the hexahydrate were analyzed. New information concerning the H dynamics and the thermal transformations observed in this system was gathered in this study. For the photochromic ormosils, preparations under three different atmospheres (uncontrolled ambient, N2 flow, and Ar glove-box) were carried out, as well thermal treatments to remove loosely bound water. Electronic paramagnetic resonance (EPR) experiments were carried out in UV-irradiated ormosils, were paramagnetic centers in WV, related with the photochromic process, were observed. The chemical environment around the polyanion was probed using the techniques of 1H-NMR, {1H}-31P cross-polarization, heteronuclear correlations {1H}-31P, {1H}-29Sie {1H}-13C, and the measurement of the proton spin-lattice relaxation in the rotating frame (T1ρ). The results revealed the presence of close hydration species such as H2O, H3O+</sup), H5O2+ and H+(H2O)n, and OH groups from the ormosil network. No evidence of interaction between the polyanion and the organic functionalities was found. In the irradiated samples, the EPR experiments revealed a thermally activated hopping process for the excited unpaired electron between WO6 octahedra. Two kinds of paramagnetic sites at the WO6 octahedra, both with orthorrombic symmetry, were resolved at 20K. One of them corresponds to WO6 strongly interacting with water species, with an elongated W=O bond length. This site is dominant for higher hydrated samples. The other site corresponds to WO6 with a weak interaction with protons in the polyanion environment and is observed in higher amounts in less hydrated samples. These results show that the hydrate species in the polyanion coordination environment plays an important role in the photochromic process.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-29042014-141424 |
| Date | 24 February 2014 |
| Creators | Marcos de Oliveira Junior |
| Contributors | José Fábian Schneider, Hellmut Eckert, Carlos Frederico de Oliveira Graeff, Marcelo Nalin, Celso Valentim Santilli |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Física, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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