Las nanohojas de titanato (IV) (TiNS) tienen una estructura 2D donde los octaedros de TiO 6 están unidos por los bordes en una red 2D de tipo lepidocrocita [1] con fórmula química H x Ti 2 — x/4 ☐ x/4 O 4 ⦁ H 2 O (x~0,7; ☐, vacante). [2] Las nanohojas de titanato pueden considerarse como láminas con espesor molecular y dimensiones planas infinitas. Las TiNS se forman típicamente a través de la exfoliación en fase líquida del titanato protónico. En materiales en capas inorgánicos, las capas individuales están unidas entre sí por interacciones de van der Waals si son neutrales, y por interacciones de Coulomb adicionales si están compuestas de capas con carga opuesta. A través de la exfoliación en fase líquida, estas láminas individuales de materiales en capas se pueden separar de manera eficiente utilizando un solvente apropiado, creando suspensiones coloidales de una sola capa. [3] Los solventes deben tener una energía de interacción con las capas que sea mayor que la energía de interacción entre dos capas. [3] Los datos de difracción de rayos X in situ indican que los TiNS pueden tratarse como macromoléculas con una cantidad suficiente de disolvente entre las capas para que se comporten como láminas individuales. [2]
Los TiNS unilamelares tienen una serie de propiedades únicas y se dice que combinan las del titanato y el titanio convencionales. Estructuralmente, son láminas 2D infinitas y ultradelgadas (~0,75 nm) con una alta densidad de cargas superficiales negativas que se originan a partir de los átomos de oxígeno en las esquinas de los octaedros adjuntos [4] . Los TiNS pueden equilibrar esta carga aniónica insertando una capa contraiónica entre las dos láminas, ya sea mediante capas o en solución acuosa. Esta doble capa eléctrica le da al material distancias entre capas flexibles, [5] alta capacidad de intercambio catiónico, [5] y excelentes capacidades dieléctricas. [1]
Por lo general, el óxido de titanio sufre de vacantes de oxígeno, que disminuyen su potencial como capacitores debido a que las vacantes actúan como caminos de alta fuga y trampas de portadores de carga, [1] sin embargo, los TiNS poseen vacantes de Ti, que promueven canales para la transferencia de electrones. [1] Cuando hay vacantes de Ti, la carga efectiva que sienten los electrones en los átomos de oxígeno se reduce y permite un movimiento de electrones menos obstaculizado. [6]
Los TiNS pueden actuar como adsorbentes y fotocatalizadores altamente eficientes debido a su geometría y estructura bidimensionales. Este fenómeno se puede aprovechar para varias aplicaciones, incluida la eliminación de iones metálicos y colorantes de los sistemas de agua. [5] Además, el potencial de los TiNS como electrocatalizador puede mejorar la eficiencia de las celdas de combustible durante la oxidación del combustible. [7] De manera similar, se ha demostrado que la mioglobina intercalada es un catalizador eficiente para el H 2 O 2 . [8]
Los TiNS también pueden utilizarse para inmovilizar biomoléculas . Cuando se intercala una monocapa de hemoglobina en los TiNS, se amplifica la transferencia de electrones entre los sitios activos de la proteína y los electrodos, y aumenta la actividad electrocatalítica para la reducción de O 2 . [ cita requerida ] Además, las nanohojas heteroestructuradas de Fe 3 O 4 -Na 2 Ti 3 O 7 pueden utilizarse para la separación de proteínas. Cuando se colocan en un entorno acuoso a pH 6, la hemoglobina con carga positiva se une a las nanohojas, mientras que la albúmina negativa puede detectarse en el sobrenadante. [9]
Quizás la aplicación más interesante de los TiNSs es el desarrollo de un material en el que predominan las interacciones electrostáticamente repulsivas. Los TiNSs exhiben una repulsión electrostática máxima cuando están alineados cofacialmente. Para crear el hidrogel basado en esto, se coloca una solución de TiNSs en un campo magnético fuerte donde las fuerzas repulsivas inducen una estructura cuasi cristalina. Al irradiarse con luz ultravioleta, la solución se polimeriza y crea una red reticulada, que está unida de forma no covalente a los TiNSs. [4] Esto crea un compuesto que resiste fuerzas de compresión aplicadas ortogonalmente, pero que se deforma fácilmente debido a fuerzas de corte. [10] Las soluciones de TiNSs de este tipo se pueden utilizar como material antivibratorio o aislante de vibraciones [11] y en el diseño de cartílago artificial . [4]
Las nanohojas de titanato también se pueden alinear dentro del polímero, en paralelo a la superficie del sustrato mediante un simple moldeado por goteo. [12] La intercalación del polímero y la orientación de las nanohojas se estudiaron mediante dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) utilizando un escaneo en el plano y simétrico. El mapeo SAXS indicó una alineación homogénea de las nanohojas de titanato dentro del polímero. El refuerzo mecánico del ácido poliámico utilizando nanohojas de titanato coincidió con el modelo Halpin-Tsai , que es un modelo compuesto que asume que el relleno está en posición alineada.