Alúmina anódica

La alúmina anódica se refiere a una superficie de aluminio tratada mediante anodizado electroquímico, que produce un acabado excepcionalmente duradero y resistente a la corrosión que nunca se astilla, descascarilla o descascarilla: ¡tres veces más duro que el aluminio estándar y 60% más ligero!

En este artículo se profundiza en los fundamentos y usos de la alúmina anódica porosa, incluso como plantilla para cultivar nanocables y nanotubos con el fin de producir metamateriales con propiedades únicas.

Características

La alúmina porosa anódica (NPA), también denominada alúmina anodizada nanoporosa (NAA), es un material intrigante con diversas aplicaciones debido a sus estructuras porosas ordenadas y densas con poros del orden de los nanómetros de diámetro. Estos poros han creado nuevas oportunidades en campos como la coloración estructural y la fotónica, al tiempo que sirven de plantillas para crear materiales como nanohilos o nanotubos para desarrollar metamateriales con propiedades a medida.

Se siguen investigando los mecanismos exactos por los que se forman estas estructuras, con especial interés en la alúmina anódica. La primera incluye la inyección directa de iones de aluminio en una solución electrolítica, mientras que la segunda tiene lugar en grietas dentro de la capa de óxido; la composición de la solución electrolítica y el potencial de anodización aplicado son factores clave para el tamaño de las grietas.

Una vez formadas las grietas, los iones de aluminio expulsados al electrolito pueden interactuar entre sí para crear estructuras porosas autoorganizadas que dependen del potencial de anodización y del tipo de electrolito; su tamaño y forma dependen de factores como el potencial de anodización, así como de la presencia/ausencia de capas de barrera.

Como se muestra a continuación, cuando altas cargas eléctricas pasan a través de un sustrato anodizado, sus poros se expanden mientras que su distancia entre poros disminuye, dando lugar a matrices hexagonales de poros como se ve aquí; aunque matrices similares podrían tener otras formas como estructuras rectangulares o cuadradas.

La morfología de las matrices de poros depende de su disposición inicial como hoyos cóncavos prepatronizados en una superficie de alúmina anódica y de sus distancias entre poros. Si se utilizan patrones reticulares de grafito con distancias entre poros de 300 nm, las paredes de óxido desarrollan formas triangulares, mientras que los patrones reticulares de nido de abeja con distancias entre poros de 500 nm producen poros en forma de diamante; en última instancia, esta forma influye en las propiedades de transmisión y dispersión de la luz de las superficies de alúmina anódica.

Aplicaciones

Desde los trabajos de Masuda y Moskovits, la alúmina anódica porosa (AAO) se ha convertido en una atractiva plataforma de nanofabricación para la investigación en numerosos campos. Las nanoplantillas de AAO se han utilizado en la producción de materiales con propiedades específicas en magnetismo, termoelectricidad y termoelctricidad con dimensiones reducidas; la AAO puede modificarse fácilmente para producir diversas morfologías, como estructuras ramificadas, moduladas o estructuras nanoporosas tridimensionales.

Las características morfológicas de los AAO vienen determinadas tanto por su capa de barrera como por el potencial anódico. La capa de barrera afecta a la rapidez con la que el aluminio emite sus iones a la solución, mientras que el potencial anódico influye en la rapidez con la que crecen los poros, cuyo tamaño depende del potencial anódico aplicado, la temperatura, la composición del electrolito y las condiciones experimentales.

En general, cuanto mayores y más juntos sean los diámetros de los poros y las distancias entre los poros, más rápidamente se formará el óxido anódico. Sin embargo, también hay que tener en cuenta que su tamaño también puede depender de factores como la química de la superficie, que puede controlarse mediante el grabado químico o el uso de precursores anódicos.

Además, cabe destacar que la disposición de los poros no sólo viene determinada por la forma de una fosa indentada, sino que también se ve afectada por la disposición inicial de las fosas cóncavas prepatronizadas en un sustrato. Por ejemplo, cuando se utilizan patrones FIB de concavidades con una distancia entre poros de 300 nm sobre un sustrato de Al, después de la anodización surgen paredes de óxido triangulares y rectangulares (Figs. 14a-14c).

En la interfaz óxido/electrolito, las especies de oxalato desempeñan un papel esencial en la formación de AAO. Cuando se combinan con los iones Al3+ que se expulsan de los poros en condiciones de MA, estos iones de oxalato reaccionan con ellos para formar moléculas de agua que reducen la resistencia de las capas de barrera y facilitan el crecimiento posterior de las estructuras de la matriz de poros. Por el contrario, en condiciones HA se produce la formación de alúmina no porosa con mayor resistencia en la capa de barrera debido a la tensión causada por la expansión de volumen en la interfase metal/óxido.

Preparación

La producción de alúmina porosa requiere la anodización del aluminio en electrolitos ácidos. Este proceso implica la migración de iones de oxígeno de la solución a las superficies metálicas y la creación de una capa de barrera de óxido aislante, debido a la alta resistencia eléctrica; sólo una pequeña corriente puede pasar a través de ella, al tiempo que actúa como un efecto aislante y detiene la evaporación de la superficie.

La temperatura, la composición del electrolito y el potencial aplicado durante la anodización desempeñan un papel integral en la producción de diferentes tamaños de poros; sus parámetros estructurales son el diámetro y la distancia entre poros. Para crear una estructura de poros más uniforme, puede recurrirse a la anodización por impulsos.

Con esta técnica, la anodización se interrumpe al cabo de cierto tiempo y se reinicia a un potencial más alto, aumentando así el tiempo de anodización y produciendo películas de alúmina más gruesas y porosas.

La anodización por pulsos también puede utilizarse para producir poros ramificados o modulados alterando las condiciones de anodización entre MA y HA en secuencias específicas y cambiando la duración del pulso, produciendo poros con múltiples diámetros y altos grados de ordenamiento.

Modificar el pH de las soluciones de anodizado permite alterar la distribución del tamaño de los poros. Esto es posible aumentando o disminuyendo la concentración de especies de oxalato en un electrolito; a la inversa, para obtener poros más pequeños deben estar presentes menos especies en una solución electrolítica.

Otro paso para alterar las estructuras de los poros es el proceso de grabado selectivo. Esto puede realizarse después de la anodización en una solución que contenga ácido fosfórico y da como resultado una membrana de alúmina porosa 3D con poros bien ordenados, incluso si se utilizaron condiciones MA durante la anodización; lo que hace que este método sea especialmente adecuado para aplicaciones que utilizan farolas de vapor de sodio como contenedores de gas.

Propiedades

La alúmina anódica porosa ha suscitado un gran interés en la investigación durante las últimas décadas debido a sus notables propiedades físicas, químicas y ópticas. Particularmente impresionantes son las estructuras que comprenden características a escala nanométrica de este material anódico para diseñar dispositivos ópticos como cristales fotónicos o láseres.

La formación de morfologías complejas viene determinada por las reacciones electroquímicas que se producen tanto en la interfaz metal/electrolito como en la interfaz óxido/electrolito, donde un campo eléctrico generado a través de una capa de barrera provoca la disolución del óxido, la liberación de iones Al3+, la expansión de volumen en la interfaz metal/óxido, la generación de tensión debida a la expansión de volumen en esta interfaz y la tensión volumétrica en la interfaz metal/óxido en función del potencial de anodización, la temperatura, la composición del ácido y las condiciones experimentales.

La anodización pulsada es una de las técnicas más eficaces para crear morfologías de poros muy controladas, ya que permite a los anodizadores ajustar el diámetro de los poros y la distancia entre ellos modificando los ajustes de voltaje; además, los parámetros estructurales de las membranas formadas pueden ajustarse modificando los ajustes de potencial y tiempo de cada anodizador, dando lugar a patrones de Morie o estructuras en escalera si se desea.

La alúmina anódica ofrece otra ventaja para el desarrollo de materiales funcionales: su capacidad para controlar la química de la superficie. Mediante grabado químico o deposición electroquímica, puede crear revestimientos protectores en su superficie; además, el tratamiento térmico o el nanorrayado pueden cambiar su morfología o crear capas protectoras en ella.

La alúmina anódica constituye una plataforma atractiva para crear materiales de dimensionalidad reducida en magnetismo, termoelectricidad y otros campos, como las técnicas ópticas. Además, su versatilidad la convierte en una plantilla útil para el crecimiento de materiales con diversas propiedades combinadas con técnicas ópticas. En InRedox producimos y suministramos nanoplantillas de óxido de aluminio anódico en diferentes formatos y especificaciones a los investigadores que exploran oportunidades científicas y tecnológicas basadas en este material; dichas plantillas pueden utilizarse para investigar diversas aplicaciones, como guías de luz y cristales fotónicos.