Síntesis y caracterización del comportamiento eléctrico de materiales híbridos magnéticos

En esta investigación se llevó a cabo el estudio del comportamiento eléctrico, transición vítrea y carga de espacio, en materiales híbridos magnéticos, los cuales consisten en la combinación íntima a nivel molecular de dos fases: una fase orgánica que funge como matriz y una fase inorgánica. Dos materiales híbridos fueron sintetizados en este trabajo: el primero a partir de una matriz polimérica de polivinil butiral (PVB) como fase orgánica, y nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3) como fase inorgánica; el segundo posee una matriz biopolimérica, la etilcelulosa (EC), como fase orgánica y, como fase inorgánica, nanopartículas de Fe2O3. La sinergia entre ambas fases le confiere un carácter polifuncional, cuyo estudio ha sido la motivación de esta tesis. El proceso de síntesis de los materiales híbridos se llevó a cabo en dos etapas: primero, la preparación de un material precursor en forma de película delgada que permite distribuir de una manera homogénea una sal precursora de cloruro de hierro; posteriormente un tratamiento químico que permite la síntesis in situ de las nanopartículas de Fe2O3 en las respectivas matrices poliméricas, PVB y EC. Los materiales híbridos obtenidos, fueron caracterizados según su estructura y morfología. Se han obtenido nanopartículas de Fe2O3 cuya fase corresponde a maghemita o magnetita. El tamaño característico de las nanopartículas es menor a 10 nm, con una morfología cuasi-esférica. Se observó una distribución homogénea de las nanopartículas de Fe2O3. La presencia de las nanopartículas de Fe2O3 modifica el comportamiento eléctrico de las matrices poliméricas, por lo cual se aborda el estudio de los mecanismos de conducción que se presentan a través de la interfaz entre los materiales híbridos y los electrodos metálicos, así como los mecanismos de conducción que se suscitan a través del volumen, la carga de espacio y fenómenos de polarización. Se han propuesto diferentes modelos físicos para describir los mecanismos de conducción a través de la interfaz y del volumen, razón por la cual son abordados de tal manera que permiten establecer relaciones entre la estructura de los materiales bajo estudio y sus propiedades eléctricas. Se realizaron mediciones de corriente eléctrica, la cual se manifiesta como un desplazamiento neto de portadores de carga eléctrica, y cuyo comportamiento se analiza en función del tiempo bajo voltaje y temperatura constante (corrientes transitorias). Un análisis más detallado ha llevado a abordar la técnica del análisis eléctrico dinámico. Esta técnica permite explorar la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica de las muestras y el estudio de los fenómenos de relajación, como la transición vítrea, relacionada con la movilidad molecular de las matrices poliméricas, y el fenómeno de la relajación de la carga de espacio, que se manifiesta mediante una acumulación de carga eléctrica en regiones del volumen del material, donde se da la presencia de pozos de energía denominados trampas. Sin embargo, este análisis no permite distinguir las diferentes contribuciones eléctricas (relajación principal, carga de espacio y conducción iónica) en torno a la temperatura de transición vítrea para el PVB, la EC y los materiales híbridos, por lo cual se propone utilizar el marco teórico del módulo eléctrico complejo, que permite separar estas contribuciones. El estudio de las corrientes de descarga estimuladas térmicamente se emplea con la finalidad de corroborar la presencia de la carga de espacio en las matrices poliméricas. La importancia del estudio de la carga de espacio se centra en que es un fenómeno acelerador de los procesos de envejecimiento físico de los materiales poliméricos, lo cual es fundamental para el desarrollo de nuevos productos y futuras aplicaciones. Se ha llevado a cabo un estudio cuantitativo del comportamiento magnético de los materiales híbridos PVB-Fe2O3 y EC-Fe2O3. Estos presentan un comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente y en forma de película delgada. Un estudio cualitativo revela que las películas de los materiales híbridos magnéticos experimentan un desplazamiento ante la presencia de un campo magnético externo, esto mediante una fuerza de volumen que se transmite a la matriz polimérica a través de las interfaces nanopartícula-polímero, como una fuerza de superficie. Gracias a los resultados obtenidos en este trabajo de tesis, se enfatiza el interés de los materiales híbridos magnéticos, lo cual los posiciona como candidatos potenciales en aplicaciones de diversas ramas de la ingeniería, ya sea como actuadores o sensores