Molecular segregation at multiple scales in perylene-based systems for the preparation advanced materials

Abstract

[eng] This thesis addresses molecular segregation in perylene-based systems, including lyotropic chromonic liquid crystals and water-in-water emulsions. These systems offer several advantages compared to conventional surfactant- and oil-based systems, such as lower toxicity and environmental impact, as well as reduced processing constrains, e.g. reduced foam formation. In particular, this work focuses on the formation of chromonic mesophases by water-soluble perylene diimide dyes, which self-assemble forming columnar aggregates that evolve to chromonic liquid crystals at high concentrations. Perylene diimides are compounds with high technological interest due to their unique optical and semiconducting properties, chemical stability and versatility in terms of organic synthesis and self-assembly. In this thesis, the chromonic behavior of several nonionic, cationic and anionic perylene diimides has been systematically studied by polarized optical microscopy (POM) and Small-Angle X-Ray Scattering (SAXS). The chromonic behavior was found to be significantly influenced by the chemical structure of the perylene diimides, and some conclusions about the structure-phase behavior relationship were drawn. Additionally, the thesis reports the emulsification of these chromonic mesophases in all-aqueous two- and three-phase emulsions, which yielded several interesting confined chromonic structures and complex drop morphologies such as Janus and snowman. Furthermore, this work explores the preparation of advanced materials from the perylene-based chromonic aggregates. These include anisotropic gels, microporous silica materials with interesting applications as drug carriers, and nitrogen-doped carbon nanofibers with high performance supercapacitor properties. The silica materials revealed a gradual release of small- molecule drugs (ibuprofen) and functioned as substrate for hydroxyapatite growth forming silica- hydroxyapatite composites. Besides, the carbon nanofibers registered high specific capacitances over 250 F·g−1 with very high life cycles and outstanding capacitance retentions at high current densities, in three-electrode cell systems, which is promising as electrochemical energy storage applications where high power is required. In addition, the carbon nanofibers functioned as efficient materials for carbon dioxide capture. Moreover, perylene-DNA interactions were studied. DNA binding was observed for positively charged perylenes but not for the anionic and nonionic variants. In summary, this thesis contributes to a better understanding of the behavior of perylene-based chromonic liquid crystal and chromonic-based all-aqueous emulsions, and demonstrates the high potential of these systems for the preparation of advanced materials with applications in various fields, such as drug delivery and energy storage.

[cat] Aquesta tesi estudia la segregació molecular en sistemes basats en perilè, incloent cristalls líquids liotròpics cromònics i emulsions aigua-en-aigua. Aquests sistemes ofereixen varis avantatges en relació als cristalls líquids convencionals, basats en tensioactius, i les emulsions amb fases olioses, com una menor toxicitat, un menor impacte ambiental i una reducció de limitacions de processament, com la formació d’espuma. Més concretament, aquest treball es centra en la formació de fases cromòniques amb diimides de perilè solubles en aigua, que formen agregats en columnars que evolucionen a fases de cristall líquid a altes concentracions. Les diimides de perilè són compostos amb alt valor tecnològic degut a les seves fascinants propietats òptiques i com a semiconductors, juntament amb la seva alta estabilitat química i versatilitat en termes de síntesi orgànica i formació d’agregats. En aquesta tesi, el comportament cromònic de vàries diimides de perilè no-iòniques, catiòniques i aniòniques s’ha estudiat sistemàticament amb microscòpia de llum polaritzada i tècniques de raigs X (principalment, SAXS). S’ha observat que el comportament cromònic de les diimides de perilè està significativament influenciat per l’estructura de la molècula, i algunes conclusions sobre la relació entre l’estructura química i el comportament cromònic s’han elucidat. A més, aquesta tesi descriu l’emulsificació d’aquestes fases cromòniques en emulsions bifàsiques i trifàsiques en absència de tensioactius i olis, obtenint vàries estructures cromòniques confinades amb morfologies complexes, com la formació de gotes Janus i “Snowman”. D’altra banda, aquest treball explora la preparació de materials avançats utilitzant els sistemes cromònics basats en perilè. Això inclou gels anisotròpics, materials de sílice microporosa amb aplicacions interessants com a sistemes per encapsular fàrmacs i nanofibres de carboni dopades amb nitrogen, prometedores com a materials per a supercondensadors. Els materials de sílice han mostrat la capacitat de transportar i alliberar gradualment fàrmacs de petita mida com ibuprofè, i han funcionat com a substrats pel creixement de hidroxiapatita, formant compòsits de sílice i hidroxiapatita. En canvi, les nanofibres de carboni han registrat altes capacitàncies específiques, superant els 250 F·g–1, amb alts vida útil i una molt elevada retenció de la capacitància a altes densitats de corrent, en sistemes de tres elèctrodes. Aquests resultats són prometedors per aplicacions d’emmagatzematge d’energia. A més, les nanofibres de carboni han funcionat com a materials eficients per la captura de diòxid de carboni. Addicionalment, les interaccions entre els perilens estudiats i l’ADN s’han investigat, observant interaccions entre l’ADN i les diimides de perilè catiòniques, però no amb les no-iòniques i les aniòniques. En resum, aquesta tesi contribueix a millorar la comprensió i expandir el camp dels cristalls líquids cromònics i les emulsions aigua-en-aigua basades en sistemes cromònics, a més de demostrar un gran potencial d’aquests sistemes per preparar materials avançats amb aplicacions prometedores en diferents camps, com l’alliberament de fàrmacs o l’emmagatzematge d’energia.