Encapsulation of stimuli-responsive molecules for the preparation of photofunctional materials

Abstract

El color juega un papel importante en nuestra vida diaria y no solo desde un punto de vista estético. Existe un gran mercado centrado en las aplicaciones tecnológicas derivadas del color, el cual engloba desde sus usos clásicos en colorantes y pigmentos hasta monitores, LEDs, almacenamiento óptico de datos y optoelectrónica, entre otros. En particular, la comunidad de materiales inteligentes ha dedicado especial atención al desarrollo de sistemas capaces de presentar una variación de color reversible al aplicar estímulos externos y a los cambios derivados en otras propiedades físicas, lo que se denomina cromismo. En esta tesis nos hemos interesados particularmente en colorantes orgánicos que exhiban propiedades fotocrómicas y termocrómicas, es decir, cambios de color inducidos por exposición a la luz o variaciones de temperatura. Estos compuestos poseen una gran variedad de aplicaciones potenciales; sin embargo no pueden ser aplicados directamente ya que en muchos casos sus propiedades crómicas características en disolución se ven modificadas, ralentizadas o inhibidas cuando son introducidos en materiales sólidos.

El objetivo de esta tesis es proponer y explorar una nueva metodología capaz de solventar estos inconvenientes y permitir la transferencia directa de las propiedades fotocrómicas y termocrómicas observadas en disolución al estado sólido. Básicamente, nuestra aproximación consiste en la encapsulación de compuestos foto- y termocrómicos en el interior de cápsulas poliméricas con núcleos líquidos, capaces de preservar el comportamiento crómico característico en solución y ofrecer la posibilidad de introducir estos sistemas en matrices sólidas en las cuales el cambio del color se vería inhibido de ser incorporados de forma directa. Aplicando la aproximación propuesta, tres tipos diferentes de materiales fotoactivos han sido desarrollados a lo largo de esta tesis: (i) recubrimientos fotocrómicos de respuesta rápida con fines fotoprotectores, (ii) materiales sólidos termocrómicos basados en tautoméros de valencia, (iii) y sistemas sólidos basados en fluoróforos termosensibles capaces de emitir luz blanca sintonizable.

Colour plays an important role in our everyday live and not only from an aesthetic point of view. There is a big market centred in technological applications derived from chromic phenomena and colour science, encompassing from the classical commercial uses of dyes and pigments to visual displays, light emitting diodes, optical data storage and optoelectronics, among others. Particularly, the smart materials community has paid special attention to systems exhibiting a reversible colour change upon application of external stimuli and the variations that this induces in other physical properties- namely, chromism. In this thesis we have been particularly interested in photochromic and thermochromic organic dyes whose colour-tunability is induced by light irradiation and heat, respectively. These compounds present a wide range of potential applications; however, their usage is not straightforward since in many cases the well-established chromic properties of these species in solution are modified, slowed down or prevented when applied in solid materials. The aim of this thesis is to propose and explore a novel methodology to address this issue and allow the direct transfer of photo- and thermochromic properties from solution to the solid state. Basically, it consists in the encapsulation of the photo- and thermochromic compounds of interest inside liquid-filled polymeric capsules, which should preserve their solution-like chromic behaviour and offer the possibility to introduce these systems into any type of matrix that would restrain their colour tunability when directly incorporated. As proof of concepts of this strategy, three specific types of photoactive systems have been developed along this thesis: (i) fast-responsive photochromic coatings for photoprotective purposes, (ii) solid thermochromic materials made of valence tautomers, and (iii) white-light colour-tunable materials based on thermoresponsive fluorophores.