Intrigados por la facilidad con que nuestro sistema polimérico respondía ante un estímulo externo como era la cantidad de disolvente (THF) empleado, a raíz de los distintos tamaños obtenidos por DLS y las distintas morfologías obtenidas en los análisis de las imágenes obtenidas tanto por TEM como por AFM, decidimos realizar experimentos de WAXS (Figura 9), con el fin de saber si la cristalinidad del segmento fosfacénico tenía alguna influencia en la formación de las distintas nanoestructuras.
Para ello en primer lugar se realizaron análisis de difracción de polvo cristalino del copolímero PCF31 obtenido tras el aislamiento y de los homopolímeros PS y
[N=P(OCH2CF3)]n. El análisis difractométrico de PCF31 dio como resultado los picos
correspondientes a las zonas cristalinas del segmento [N=P(OCH2CF3)]n (2Ɵ = 10.9,
12.9, 20.8, 31.7 y 45.28º) así como de sus fases mesomórficas (2Ɵ = 9.028 [d = 9.80 Ǻ]),30
mientras cómo era de esperar el segmento PS mostró un halo muy ancho en todo el difractograma, correspondiente con sus características amorfas (ver Figura 9). Se puede observar como la región principal de orden 3D (2Ɵ = 20º) es muy parecida tanto en área como en la anchura a mitad de pico, tanto para PCF31 cómo para
[N=P(OCH2CF3)]n (Figura 8). Sin embargo la zona correspondiente a la mesofase
30 (a) Russell, T. P.; Anderson, D. P.; Stein, R. S.; Desper, C. R.; Beres, J. J.; Schneider, N. S.
Macromolecules 1984, 17, 1795–1799; (b) Alexander, M. N.; Desper, C. R.; Sagalyn, P. L.; Schneider, N,
S. Macromolecules 1977, 10, 721–723; (c) Gleria, M.; De Jaeger, R. Phosphazenes: A Worldwide Insight, Nova Science, New York, 2004.
Capítulo 2
161 pseudohexagonal distorsionada a 2Ɵ = 9º, es mucho más intensa en proporción en el homopolímero [N=P(OCH2CF3)]n con respecto a PCF31, ya que esta mesofase es más
dependiente de las características estructurales y aislamiento de los correspondientes polímeros.31
Figura 8. Experimento de WAXS para el copolímero obtenido tras la síntesis PCF31 y los homopolímeros
PSm y [N=P(OCH2CF3)]n.
Para estudiar la posible influencia de la cristalinidad en la formación de las distintas nanoestructuras observadas, se realizaron ensayos donde se comparó los análisis obtenidos del ensayo difractométrico tanto del material inicial en estado sólido obtenido tras precipitación en n-hexano PCF31, como de los sólidos obtenidos tras
evaporación de las correspondientes disoluciones portadoras de los distintos agregados. Efectivamente y como suponíamos, pudo observarse como el porcentaje de cada dominio variaba en función de la situación inicial del sólido de partida y por tanto de la naturaleza de los agregados presentes en ella. El porcentaje de cristalinidad de calculó dividiendo el área del pico correspondiente la cristalinidad 3-D a 2Ɵ=20º (no se tuvo en cuenta el área de orden 2D), entre la suma del área del pico de la zona amorfa y el área cristalina 3D (ver Parte Experimental). Así se concluyó que el porcentaje de cristalinidad del bloque fosfacénico es dependiente de la concentración (Figura 10), siendo la acomodación de este porcentaje de cristalinidad para cada concentración la fuerza directora de la formación de las distintas nanoestructuras, unida a la flexibilidad dinámica de dicho bloque. Además a partir de este resultado se corroboró la presencia
31 (a) Kojima, M.; Magill, J. H. Polymer 1985, 26, 1971-1978. (b) Kojima, M; Magill, J. H. Polymer 1989, 30, 579-584.
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162 del segmento fosfacénico como elemento formados del núcleo de las nanoestructuras, ya que en el caso de formar la corona no sufriría ninguna variación en la cristalinidad al variar la nanoestructura con la concentración. Pudo calcularse una cristalinidad asociada al bloque fosfacénico que se comprobó, variaba desde menos de un 1% para las concentraciones que contenían tanto las esferas (aprox. 0.30%) como las esferas bicontínuas (aprox. 0.8 %), aumentando hasta un 8% para las micelas toroidales (Figura 9).
Figura 9. Experimentos de WAXS para PCF31 en sólido tras aislamiento y de los sólidos obtenidos tras la auto-organización en disoluciones de THF de 0.33 y 2 mg/mL
Observada la capacidad del copolímero de bloques PCF31 para cambiar la
morfología de las nanoestructuras que forma simplemente cambiando la concentración de la disolucion inicial de PCF31 en THF, se decidió estudiar la auto-organización en
disoluciones más concentradas (ver Tabla 2).
Cuando la concentración de PCF31 en la disolución inicial de THF se aumentó
hasta 5 mg/mL, se observó por DLS la presencia de agregados de menor tamaño (Rh,ap =
84 nm, Entrada 4 Tabla 2) que los observados a 2 mg/mL. El análisis de los agregados por TEM mostró la presencia de estructuras toroidales de tamaño similar al observado a 2 mg/mL (Dn = 133 nm). Sin embargo, ahora la estructuras toroidales no son
mayoritarias, observándose junto con redes de cilindros muy densas que provienen del empaquetamiento y apertura de toroides (Figura 10a). En las figuras del TEM se observan estructuras toroidales atrapadas en las redes de cilindros (ver flechas blanca en Figura 10a). Se pueden observar, además, estructuras cilíndricas perfectamente definidas que se originan a partir de toroides (ver flechas negras en el TEM incluido en la Figura 10a), que posiblemente derivan de la apertura de las estructuras toroidales
Capítulo 2
163 durante su empaquetamiento. Cuando la concentración se aumentó hasta 10 mg/mL el
Rh,ap disminuyó hasta los 74 nm (ver Entrada 5 Tabla 2). El análisis de los agregados por
TEM mostró la presencia exclusiva de estructuras cilíndricas. Estas no son rígidas y forman redes compactas (Figura 10b y 10c) observándose en la periferia de las mismas cilindros terminales, uniones tipo-Y y lazos (Figura 10d). La formación de estos cilindros fue estudiada mediante cryo-TEM (Figura 10e) observándose su presencia ya en disolución.
Figura 10. Imágenes de TEM a la concentración de (a) 5mg/mL donde se observan mezclas de toroides (flechas blancas) compactación de toroides para dar redes de cilindros (flechas negras). (b) y (c) 10 mg/mL donde se observan redes de cilindros a distintas magnificaciones. (d) Redes de cilindros mostrando lazos (A), uniones-Y (B) y cilindros terminales (C). (e) Imagen del cryo-TEM.
Cuando la concentración de PCF31 se aumentó a 20 mg/mL el tamaño de los
agregados en disolución aumento observándose un Rh,ap = 116 nm (Entrada 6 Tabla 2).
El análisis de las imágenes del TEM mostró la presencia de redes cilíndricas amas compactas que las observadas a 10 mg/mL. En las redes de cilindros se observa ahora con nitidez conexiones y puntos de confluencia entre cilindros individuales. (ver flechas blancas en Figura 11). Cuando las muestras se analizaron mediante HR-TEM estas uniones se mostraron con mayor nitidez dando lugar a estructuras esféricas compactas donde confluyen las redes de cilindros, originando estructuras que se denominan de tipo pulpo (Figura 11). En las zonas donde estas uniones son más densas las estructuras cilíndricas están peor definidas siendo la estructura de la red mucho más compacta,
Capítulo 2
164 prácticamente no mostrando huecos entre los cilindros individuales y generando casi estructuras laminares (Figura 11)
Figura 11. Imágenes de la auto-organización de PCF31 a 20 mg/mL. (a) Agrupaciones esféricas formadas
en las redes señaladas con flechas blancas. (b) Agrupaciones esféricas de gran tamaño. (c) Compactación de las redes de cilindros en las zonas de mayor densidad de agrupaciones esféricas.
Finalmente cuando la concentración se aumentó hasta 50 mg/ml el DLS mostró la presencia de agregados de mayor tamaño Rh,ap = 192 nm. El análisis de los agregados
por TEM mostro la presencia de vesículas esféricas de una tamaño medio Dn = 33.4
(Dw/Dn = 1.03, Figura 12a). Estas vesículas se caracterizan por un halo más oscuro que
se corresponde a la doble capa de misma y un interior más claro. La anchura media de la doble capa donde se sitúa el bloque fosfacénico es de 21 +/- 3 nm. Los estudios de cryo- TEM mostraron vesículas en disolución lo que confirma que esta morfología no se originó durante el secado de la muestra tras la deposición sobre el sustrato sólido (Figura 12b).
Figura 12. Imágenes de vesículas a 50 mg/mL: (a) TEM y (b) cryo-TEM.
Como ya se demostró anteriormente con las esferas bicontínuas y los toroides, los cambios morfológicos mostrados al cambiar la concentración inicial de PCF31 en la
disolución de THF son reversibles. Así si se parte de una disolución de 50 mg/mL que contiene vesículas y se añaden alícuotas de THF de manera que la concentración final de PCF31 en la disolución de THF vaya disminuyendo progresivamente de 50 mg/mL
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165 hasta 0.1 mg/ml pasando por 20, 10, 5, 2 y 0.33 mg/mL (ver Parte Experimental), se observa tras 24 horas de la adición de THF la formación de redes de cilindros a 10 mg/mL, toroides a 2 mg/mL, esferas bicontínuas a 0.33 mg/mL y esferas a 0.1 mg/mL. Cuando la muestra final de esferas se concentró se observó la formación reversible de las nanoestructuras originales (ver Esquema 7 y Parte Experimental)
Esquema 7. Formación de las distintas morfologías por auto-organización de PCF31 mediada por la