Electrochemically engineered anodic alumina Nanotubes: physico-chemical properties and Applications

Abstract

Des del seu descobriment, l'alúmina anòdica porosa s’ha utilitzat com a recobriment protector. El descobriment de la seva estructura porosa va animar els investigadors a desenvolupar nous mètodes de fabricació d'alúmina, obtenint així geometries complexes de propietats diverses. En aquesta tesi es desenvolupen nanotubs d'alúmina anòdica (AANTs) mitjançant un procés d’anodització que es coneix com anodització per polsos. El procés consisteix a entrellaçar polsos de corrent de baixa (~6 mA/cm2) i alta (~290-390 mA/cm2) densitat. Un flux de corrent prou alt produeix un estrenyiment vertical dels porus i unions entre cel·les més febles. L'atac electroquímic selectiu i la sonicació en aigua de l'estructura resultant permeten produir col·loides de nanotubs. El primer objectiu d'aquesta tesi és una anàlisi exhaustiva del procés per comprendre millor el mecanisme de formació dels AANTs i relacionar les condicions d’anodització amb la seva geometria resultant. El segon objectiu és avaluar i optimitzar el seu postprocessat, investigant nous mètodes d'alteració de les seves propietats fisicoquímiques. L'últim objectiu és dissenyar i fabricar nanotubs i proposar les seves aplicacions. Aquest treball investiga l'evolució del perfil de l'alúmina en funció dels paràmetres d’anodització. A més, el corrent i el potencial del procés s'associen amb la geometria i les propietats dels nanotubs obtinguts: longitud, diàmetre intern i extern, potencial Z i tamany. En resum, un corrent més alt condueix a nanotubs més llargs i estrets amb menor càrrega superficial. S'avaluen i optimitzen les condicions de sonicació. Es demostra que el recuit a alta temperatura dels nanotubs té un impacte en la seva estructura cristal·lina i composició elemental. Posteriorment, els nanotubs es decoren electrostàticament amb nanopartícules magnètiques i es modifica el seu interior amb una proteïna marcada amb fluoròfor. Aquests col·loides magnètics han demostrat ser útils per a la detecció de la catepsina B, el que demostra la seva utilitat com a sensors.

La anodización del aluminio tiene casi un siglo de historia. La alúmina anódica se utilizó inicialmente como recubrimiento protector, pero el desarrollo de la microscopía electrónica reveló la morfología porosa de este óxido. Este descubrimiento animó a los investigadores a desarrollar nuevos métodos de fabricación de la alúmina porosa, obteniendo así geometrías complejas con diversas propiedades. En esta tesis se desarrollan nanotubos de alúmina anódica (AANTs) a través de un proceso de anodización que se conoce como anodización por pulsos. El proceso consiste en entrelazar pulsos de corriente de baja (~ 6 mA / cm2) y alta (~ 290-390 mA / cm2) densidad. Un flujo de corriente suficientemente alto afecta a la formación de la estructura, resultando en un estrechamiento vertical de los poros y uniones entre celdas más débiles. El ataque electroquímico selectivo y la sonicación en agua de la estructura resultante permiten producir coloides de nanotubos. El primer objetivo de esta tesis es un análisis exhaustivo del proceso para comprender mejor el mecanismo de formación de los AANTs y conectar con precisión las condiciones de anodización con la geometría resultante de la estructura. El segundo objetivo es evaluar y optimizar su posprocesado, investigando nuevas posibilidades de alterar las propiedades fisicoquímicas de los AANT. El último objetivo es diseñar y fabricar nanotubos funcionales y proponer sus aplicaciones. Este trabajo investiga la evolución del perfil de anodización en función de las condiciones del proceso de anodización. Además, la corriente y el potencial del proceso se asocian con la geometría y las propiedades de los nanotubos obtenidos: longitud, diámetro interno y externo, potencial Z y dispersión de tamaño. En resumen, una corriente más alta conduce a nanotubos más largos y estrechos con una carga superficial más baja. Se evalúan las condiciones de sonicación proponiendo un conjunto de parámetros más óptimo. Se demuestra que el recocido a alta temperatura de los nanotubos tiene un impacto en su estructura cristalina y composición elemental: el aumento de temperatura produce una fracción cristalina más alta y disminuye su contenido de azufre. Posteriormente, los nanotubos se decoran electrostáticamente con nanopartículas de maghemita y se modifica su interior con una proteína marcada con

Most of the time since its discovery, nanoporous anodic alumina was used as a protective coating. The intrinsic property revealed by the electron microscope – porosity – encouraged researchers to investigate new methods of porous alumina fabrication, obtaining complex geometries with various properties. In this thesis, anodic alumina nanotubes (AANTs) are developed through a carefully adjusted anodization process defined as pulse anodization. The process consists of interlacing current pulses of low (~6 mA/cm2) and high (~290-390 mA/cm2) density. Sufficiently high current flow affects the formation of the structure, resulting in vertical pore narrowings and weaker cell junctions. Selective acid etching and sonication in water enables to yield colloids of nanotubes. First aim of this thesis is a thorough analysis of the process to better understand the formation mechanism of AANTs and precisely connect anodization conditions with the resultant geometry of the structure. Second goal is to evaluate and optimize post-processing investigating further possibilities to alter physio-chemical properties of AANTs. Last objective is to design and fabricate functional nanotubes and propose their applications. This work reports the evolution of the anodization profile depending on the process conditions. Further, current and potential of the process are associated with the geometry and the properties of the obtained nanotubes: length, inner and outer diameter, z-potential and size dispersity. In brief, higher current leads to longer and narrower nanotubes with lower surface charge. Sonication conditions are evaluated leading to the proposal of a more optimal set of parameters. Annealing of the nanotubes is demonstrated to impact on their crystalline structure and elemental composition: temperature increase leads to higher crystalline fraction and decrease their sulfur content. Nanotubes are later electrostatically-decorated with maghemite nanoparticles and modified inside with a fluorophore labelled protein. These magnetically responsive colloids demonstrate stimuli-responsive detection of cathepsin B, supporting its utility as a sensor.