Exploiting the properties of mesoporous thin films

Abstract

Questa tesi di dottorato si pone l’obbiettivo di esplorare le potenzialità offerte dai film sottili mesoporosi. Questi sistemi, infatti, offrono la possibilità di modulare molte delle loro caratteristiche più peculiari come la composizione chimica delle pareti dei pori, la struttura dei pori e la loro organizzazione e sono inoltre eccellenti matrici per strutture host-guest. Inizialmente, sono stati svolti diversi esperimenti in-situ durante l’autoorganizzazione dei film per indagare alcuni aspetti fondamentali di tale processo e per studiare le proprietà chimico-fisiche delle pareti dei pori. In seguito, sono state sfruttate le proprietà di questi materiali attraverso la funzionalizzazione delle loro strutture porose con coloranti, molecole organiche fotoattive e complessi inorganici. E’ stata anche testata la possibilità di utilizzare i pori come stampi monodispersi per la sintesi di nanoparticelle metalliche. Grazie all’elevata area superficiale e ad una particolare composizione chimica delle pareti dei pori, sono stati realizzati film mesoporosi a base di ossidi misti con proprietà ottiche modulabili. Infine, si è cercato di indurre più di un grado di auto-organizzazione all’interno dello stesso materiale per realizzare film a porosità gerarchica. Tre diverse strategie sono state impiegate per ottenere simultaneamente una macro- e una meso-porosità: stampaggio diretto con nanoparticelle fluorurate, separazione di fase controllata mediante l’aggiunta di un agente costampante e cristallizzazione controllata di un sale inorganico. I risultati presentati in questa tesi di dottorato dimostrano la versatilità dei sistemi mesoporosi per la realizzazione di materiali avanzati funzionali con un’ampia varietà di proprietà chimiche e morfologiche.Mesoporous materials show the possibility to tailor several of their characteristic features such as pore structure and arrangement, chemical composition of the pore walls, and, in addition, are excellent matrixes for host-guest systems. This doctoral work explores many of the potentialities offered by mesoporous thin films to produce advanced functional materials with a wide range of tunability in terms of properties and morphology. The first aim was to promote a basic study of self-assembly by in-situ experiments to reveal some fundamental aspects of the process and some chemicalphysical properties of the pore walls. Then, a full set of experiments was dedicated to exploit the mesoporous materials by functionalizing their porous structures with dyes, organic photoactive molecules and inorganic complexes. The pores were also used as a nanoreactor for controlled growth of metallic nanoparticles. Mesoporous mixed oxides films with tunable optical properties were obtained by using the high surface area and controlling the chemical composition of the pore walls. Finally, the possibility of inducing more than one degree of self-organization in the same material, to design hierarchical porous films, was also explored. Three different strategies were used to obtain macro- and meso-porosity, which include direct templating with fluorinated nanoparticles, controlled phase separation using a co-templating agent and controlled crystallization of an inorganic salt