Carbon Dots como fotossensibilizadores em reações de polimerização

Abstract

Carbon Dots (CDs) solúveis em água preparados a partir da desidratação ácida da celulose foram utilizados como fotossensibilizadores na polimerização da acrilamida na presença do co-iniciador trietanolamina. Os materiais preparados foram caracterizados por diferentes técnicas, incluindo MET, IVFT, espectroscopia UV-Vis e fotoluminescência, voltametria cíclica, TG-MS, titulação potenciométrica, entre outras. Os Carbon Dots preparados apresentaram tamanho de partículas de aproximadamente 2,7 ±0,5nm, com uma superfície altamente funcionalizada com grupos funcionais oxigenados (carboxílicos, fenólicos, pironas, etc.) dos quais 65% são carboxílicos. Uma vez que estes grupos apresentam pKa ao redor de 4, potenciais zeta negativos foram observados em pHs ácidos maiores que 4. Por outro lado, as caracterizações das suas propriedades ópticas mostraram que os Carbon Dots apresentam uma absortividade molar (ε) de 20,1 Lg-1cm-1 em λ= 254nm e 7,6 Lg-1cm-1 em λ= 360 com fotoluminescência dependente do comprimento de onda de excitação e rendimento quântico de 0,6%. Devido às suas propriedades, os Carbon Dots foram usados como fotossensibilizadores na polimerização da acrilamida. A cinética da reação de polimerização foi realizada em pHs 3, 6, 8 e 10, sendo que em pH 8 foi verificada uma maior taxa de conversão. Neste pH as nanoestruturas possuem um pequeno excesso de carga negativa e a estrutura da trietanolamina está predominantemente desprotonada (pKa = 7,86) o que facilita a interação das duas espécies promovendo a formação de radicais iniciadores da reação. O material fotopolimerizado foi caracterizado e os resultados obtidos são típicos de poliacrilamida. Em adição, o material polimérico obtido foi solúvel em água sugerindo que o polímero seja linear (não apresenta reticulações) com uma massa molar viscosimétrica de até 3,1x106 Da. A partir dos resultados experimentais obtidos e cálculos teóricos da estrutura de ambos, fotossensibilizador e co-iniciador, foi sugerido que devido à capacidade dos Carbon Dots em receber elétrons em sua estrutura de bandas, sua alta absortividade molar e fotoestabilidade, as nanoestruturas quando excitadas foram capazes de gerar radicais amino, responsáveis pela iniciação da polimerização, devido ao acoplamento entre seus orbitais de fronteira com os orbitais HOMO-LUMO da trietanolamina. Por fim, os resultados apresentados demonstram uma nova e promissora aplicação para estas nanopartículas, com um grande potencial para o desenvolvimento futuro das tecnologias relacionadas à fotopolimerização.