Estudios DFT y QSAR de nanocompuestos de PTFE/ZnO/SiO2

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 9696 (2023) Citar este artículo

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El politetrafluoroetileno (PTFE) es uno de los fluoropolímeros más importantes y una de las iniciativas más recientes es aumentar su rendimiento mediante el uso de óxidos metálicos (MO). En consecuencia, las modificaciones de la superficie del PTFE con dos óxidos metálicos (MO), SiO2 y ZnO, individualmente y como una mezcla de los dos MO, se modelaron utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT). El modelo B3LYPL/LANL2DZ se utilizó en los estudios realizados para seguir los cambios en las propiedades electrónicas. El momento dipolar total (TDM) y la energía de banda prohibida HOMO/LUMO (∆E) del PTFE, que eran 0,000 Debye y 8,517 eV respectivamente, se mejoraron a 13,008 Debye y 0,690 eV en el caso de PTFE/4ZnO/4SiO2. Además, al aumentar el nanorelleno (PTFE/8ZnO/8SiO2), el TDM cambió a 10,605 Debye y el ∆E disminuyó a 0,273 eV, lo que condujo a una mejora adicional en las propiedades electrónicas. Los estudios de potencial electrostático molecular (MESP) y relación cuantitativa estructura-actividad (QSAR) revelaron que la modificación de la superficie del PTFE con ZnO y SiO2 aumentaba su estabilidad eléctrica y térmica. Por lo tanto, el compuesto mejorado de PTFE/ZnO/SiO2 se puede utilizar como capa autolimpiante para trajes de astronauta basándose en los hallazgos de movilidad relativamente alta, reactividad mínima al entorno circundante y estabilidad térmica.

El naftalato de polietileno (PEN), el tereftalato de polietileno (PET) y el politetrafluoroetileno (PTFE) se encuentran entre los polímeros más conocidos debido a su resistencia a la corrosión y características eléctricas, así como a su bajo coeficiente de fricción, resistencia a altas temperaturas y rentabilidad1. Los materiales superhidrófobos, como los fluoropolímeros, se han convertido en una ventaja extraordinaria en una serie de aplicaciones, incluidas las propiedades de autolimpieza, antihielo, anticorrosión y protectoras, como la alta eficiencia2,3. Los textiles inteligentes también se consideran una nueva tendencia basada en fluoropolímeros con nanomateriales que podrían usarse para mejorar textiles como trajes y guantes espaciales, aplicaciones médicas como prendas quirúrgicas y su uso en hospitales inteligentes4,5. El PTFE es una matriz polimérica con una baja energía superficial y es química y térmicamente estable6. La innovación de materiales inteligentes podría emplearse en aplicaciones espaciales como trajes espaciales y almacenamiento modificando los materiales para que reaccionen a los cambios en la temperatura ambiente o incluso a la temperatura corporal7,8,9. Las propiedades del PTFE, como las propiedades anticorrosivas, son cada vez más importantes, especialmente en la industria aeroespacial. La importancia surge de sus beneficios, que son fundamentales para proteger los materiales contra el agrietamiento y/o la corrosión en el duro entorno aeroespacial. En consecuencia, utilizar una sustancia anticorrosión para proteger y prevenir adecuadamente los trajes de astronauta contra la oxidación y la corrosión es un enfoque novedoso10,11,12. La fabricación eficaz de una amplia gama de sensores es posible gracias al uso de PTFE como sustrato para el crecimiento de nanotubos de ZnO, así como a sus características mecánicas, físicas y químicas13. La nanosílice es un tipo de material cerámico que tiene varias propiedades únicas, que incluyen alta dureza, resistencia a la corrosión y un excelente aislamiento eléctrico14. Todas estas propiedades se combinan para hacer del SiO2 y el PTFE un material único e ideal para una amplia gama de aplicaciones técnicas15. Además, la combinación de SiO2 con materiales de óxido semiconductor como ZnO16, TiO217, Fe2O318 y CuO19 mejora las características de autolimpieza, anticorrosión, antirreflectante y magnéticas de los materiales nanocompuestos.

El compuesto de PTFE/SiO2 tiene una superficie superhidrófoba en comparación con las membranas de PTFE20. Las nanofibras de PTFE/SiO2 han demostrado ser una invención fiable para una excelente estabilidad térmica y química21. El dopado de PTFE con SiO2 reduce la deformación de la porosidad del PTFE y al mismo tiempo aumenta la resistencia a la tracción y la resistencia del material. A medida que aumentaba la cantidad de SiO2 en el compuesto PTFE/SiO2, también aumentaban las características mecánicas22. También se estudió la eficiencia tribológica de los composites PTFE/SiO2/Epoxy23. Se observó que el efecto de las nanoplaquetas de Al2O3 sobre la matriz de PTFE aumenta la conductividad térmica, la estabilidad térmica y mejora las propiedades mecánicas con propiedades eléctricas significativamente mejoradas24. Además, las características eléctricas de los compuestos híbridos PANI/PTFE/GO25 y PTFE/CuO/G26 han mostrado una mejora para ser empleados en la fabricación de instrumentos electroquímicos. La película de ZnO/SiO2/PTFE sobre vidrio se fabricó con propiedades anticongelantes, resistencia a la corrosión y propiedades aislantes, actuando así como una superficie anticongelante27. Además, algunos derivados del PTFE, como el teflón FEP, se utilizan como capas de control térmico para el Telescopio Espacial Hubble (HST)28,29,30. El teflón FEP sufre corrosión debido al entorno espacial en la órbita terrestre baja (LEO)31, exponiendo así los componentes en el espacio a daños y corrosión32,33.

En consecuencia, la mejora del PTFE y sus derivados ha sido un valioso punto de estudio para aplicaciones espaciales34,35.

Algunos parámetros físicos como TDM, energía de banda prohibida HOMO/LUMO (∆E) y MESP se consideran predictores eficientes de las propiedades eléctricas, así como de la reactividad de las interacciones estudiadas36,37,38,39,40. Además, QSAR proporciona información importante sobre el comportamiento molecular al evaluar las actividades químicas, biológicas y físicas de las moléculas utilizadas en numerosas aplicaciones41,42,43,44. Al examinar la hidrofobicidad de una estructura determinada y su comportamiento con su entorno, los cálculos DFT que utilizan varios parámetros físicos se utilizan comúnmente para confirmar un rendimiento superhidrófobo y excepcional en anticorrosión, antihielo y autolimpieza45,46.

Con base en las características descritas del PTFE y sus nanocompuestos, el trabajo actual se lleva a cabo para investigar las propiedades fisicoquímicas como la anticorrosión y la autolimpieza del PTFE modificado en la superficie utilizando ZnO y SiO2 individualmente y combinados. Los cálculos de DFT se realizaron utilizando el modelo B3LYP/LANL2DZ para rastrear cambios en TDM, ∆E y mapeo MESP, todos los cuales representan cambios en las características electrónicas. La información de propiedades electrónicas asociada con los descriptores QSAR se utilizó para evaluar las características electrónicas, así como la estabilidad térmica, física y química para su uso potencial como capas inhibidoras de la corrosión en trajes de astronautas.

La molécula modelo de PTFE interactuó con dos nano-MO, ZnO y SiO2, por separado y como una mezcla, se calcularon utilizando el software GAUSSIAN 09 (Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, EE. UU.) 47 en la Unidad de Modelado y Espectroscopía Molecular, Centro Nacional de Investigación. (NRC), Egipto. Se utilizó DFT:B3LYP/LANL2DZ para optimizar los modelos propuestos48,49,50. Se estudiaron propiedades electrónicas, incluidas TDM, ΔE y MESP. Además, se utilizó el software SCIGRESS 3.051 para estudiar la estabilidad química y térmica de todas las estructuras del modelo. Los parámetros QSAR se calcularon para estructuras modelo utilizando MO-G en el nivel teórico de PM652.

Un modelo de moléculas que simulan PTFE recubierto con MO para promover cualidades de hidrofobicidad, anticorrosión y autolimpieza53. Se han sugerido MO, incluidos ZnO y SiO2, como capas de recubrimiento debido a sus propiedades anticorrosión y autolimpiantes54,55. En consecuencia, el modelo del conjunto más pequeño de unidades químicas de PTFE, que representa una cadena de polímero de PTFE, está diseñado para interactuar con ZnO y SiO2 tanto individualmente como combinados. La interacción del PTFE con los MO se produce a través del átomo de oxígeno del MO26,56. Porque el PTFE interactúa químicamente a través de sus lados activos y tiene cuatro lados activos iguales según la fórmula química C2F4; por lo tanto, cualquier átomo de flúor (F-) puede interactuar con otras estructuras químicas. Como se indica en la Fig. 1a, b, el modelo de la unidad más pequeña que representa los dos MO (ZnO y SiO2) y la cadena de polímero de PTFE estaba compuesto por cuatro unidades de C2F4 que fueron diseñadas para interactuar con los dos MO sugeridos. Primero, la cadena de PTFE se diseñó para interactuar con cuatro unidades de ZnO y cuatro unidades de SiO2, por separado, recubiertas en un lado, como se muestra en las figuras 1c, d, respectivamente. Después de eso, la cadena de PTFE está diseñada para interactuar con una combinación de cuatro unidades de ZnO y cuatro unidades de SiO2 cubiertas capa por capa, como se muestra en la Fig. 1e. La Figura 1f muestra la estructura del modelo de la cadena de PTFE mientras interactúa con una combinación de cuatro unidades de SiO2 y cuatro unidades de ZnO cubiertas capa por capa en su superficie. La Figura 1g muestra la estructura del modelo final para la cadena de PTFE en interacción con una única capa mixta de cuatro unidades de ZnO y cuatro de SiO2. El aumento de la cantidad de nanopartículas en la superficie del polímero tiene un impacto significativo en las propiedades eléctricas de la matriz del polímero57. Después de eso, se espera que la cadena de PTFE se recubra por ambos lados, como se hizo anteriormente con cuatro unidades de ZnO y cuatro unidades de SiO2 individualmente y combinadas, como se muestra en la Fig. 2. Luego se examinaron las características eléctricas de PTFE/MO. para los mecanismos de interacción propuestos mediante el estudio de los mapas TDM, ΔE y MESP calculados.

Estructura optimizada para la interacción de PTFE y PTFE con 4 ZnO, 4 SiO2 y una combinación entre los dos MO como (a) MO (ZnO y SiO2), (b) PTFE, (c) PTFE/4ZnO, (d) PTFE/4SiO2, (e) PTFE/4ZnO/4SiO2, (f) PTFE/4SiO2/4ZnO y (g) PTFE/(4ZnO y 4SiO2).

Estructura optimizada para la interacción de PTFE y PTFE con 8 ZnO, 8 SiO2 y una combinación entre los dos MO como (a) PTFE/8ZnO, (b) PTFE/8SiO2, (c) PTFE/8ZnO/8 SiO2, (d) PTFE/ 8 SiO2/8ZnO y (e) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

La Figura 3 ilustra la distribución orbital HOMO/LUMO del PTFE y sus interacciones con 4ZnO, 4SiO2 y sus híbridos. En la Fig. 3a se demuestra que la distribución orbital HOMO / LUMO de las cuatro cadenas de PTFE se distribuye a lo largo de la cadena. Cuando el PTFE interactuó con ZnO y SiO2 en un lado, los orbitales HOMO / LUMO se reorganizaron como en las figuras 3b a f para todos los casos de interacción y se localizaron alrededor de los átomos de MO. La distribución orbital HOMO/LUMO refleja el efecto del MO en la distribución orbital, que a su vez se refleja en los cambios de energía de la banda prohibida. También se determinaron TDM y ΔE para las diferentes formas de interacciones. TDM mejoró de 0,000 para PTFE puro a 16,235, 1,849, 13,008, 17,432 y 11,583 Debye para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO y PTFE/(4ZnO y 4SiO2), respectivamente, como listado en Tabla 1. Además, el ΔE calculado se redujo de 8,517 eV para PTFE puro a 1,535, 4,302, 0,690, 1,345 y 0,958 eV para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO y PTFE/(4ZnO y 4SiO2), respectivamente. El ΔE más bajo se registró para la estructura PTFE/4ZnO/4SiO2, lo que es una indicación de la estructura de interacción más probable y estable que podría ocurrir para el PTFE con los MO propuestos. Es bien sabido que el aumento en la reactividad de los sistemas químicos se correlaciona con su mayor TDM calculado y su menor ∆E58 calculado.

DFT:B3LYP/LANL2DZ calculó la distribución orbital HOMO/LUMO de PTFE y la interacción de PTFE con 4ZnO, 4 SiO2 y una combinación entre los dos MO como (a) PTFE, (b) PTFE/4ZnO, (c) PTFE/4SiO2, (d ) PTFE/4ZnO/4SiO2, (e) PTFE/4SiO2/4ZnO y (f) PTFE/(4ZnO&4SiO2).

La Figura 4 muestra la distribución orbital HOMO/LUMO calculada de la interacción de PTFE con 8 ZnO, 8 SiO2 y una combinación de los dos MO. En estos casos de interacciones, como lo muestran los orbitales HOMO/LUMO reorganizados y localizados alrededor del MO en un solo lado, en la parte superior y/o abajo de la cadena de PTFE (en la parte superior en la Fig. 4a,b,d,e pero abajo en el caso 4c). El TDM y ΔE se determinaron para todas las estructuras estudiadas y se enumeran en la Tabla 2. Como se muestra en la tabla, el TDM mejoró de 0.000 correspondiente al PTFE puro a 32.934, 0.867, 7.844, 10.605 y 6.963 Debye para PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO y 8SiO2), respectivamente. Mientras que se observó que ΔE disminuía de 8,517 eV para PTFE puro a 0,163, 3,253, 0,273, 0,860 y 0,368 eV para PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO y 8SiO). 2 ), respectivamente. El valor más alto de TDM y el valor más bajo de ΔE se informaron para PTFE/8ZnO y PTFE/8ZnO/8SiO2 como una indicación de las interacciones que mejoraron más las características eléctricas del PTFE. De todos los resultados, la estructura de PTFE que mejor interactuó con los MO de 4 unidades fue la de PTFE/4ZnO/4SiO2. Al aumentar las nanopartículas a 8 unidades, la estructura más mejorada fue la de PTFE/8ZnO y PTFE/8ZnO/8SiO2. Esto significa que el comportamiento electrónico del polímero PTFE se modifica al aumentar el número de unidades de MO.

DFT:B3LYP/LANL2DZ calculó la distribución orbital HOMO/LUMO de la interacción de PTFE con 8ZnO, 8SiO2 y una combinación entre los dos MO como (a) PTFE/8ZnO, (b) PTFE/8SiO2, (c) PTFE/8ZnO/8SiO2, ( d) PTFE/8SiO2/8ZnO y (e) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

En general, a medida que TDM y ΔE para la interacción de PTFE con MO mejoran al aumentar el número de unidades de MO, se puede decir que a medida que aumenta la cantidad de nanopartículas, mejoran las propiedades eléctricas de la estructura del modelo sugerido.

El mapa MESP muestra las distribuciones de las cargas cercanas, el núcleo y la densidad de los electrones en una posición particular, representada con variación de color como Rojo > Naranja > Amarillo > Verde > Azul. La diferencia de color representada como rojo en la superficie MESP se refiere al área de carga más rica, la diferencia de color representada como azul se refiere a la región de carga más pobre y la diferencia de color descrita como verde representa potencial electrostático cero. El potencial más fuerte se encuentra comúnmente en las regiones rojas, mientras que el potencial más débil se encuentra en las regiones azules59. El mapeo MESP se calculó para todas las estructuras estudiadas al mismo nivel de teoría. La Figura 5 muestra el MESP para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO, PTFE/(4ZnO&4SiO2), PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/ 8ZnO y PTFE/(8ZnO y 8SiO2), que mostraban un mapa del estado de interacción de la nucleofilicidad.

DFT:B3LYP/LANL2DZ calculó MESP para PTFE y la interacción de PTFE con ZnO, SiO2 y una combinación entre los dos MO como (a) PTFE, ZnO y SiO2, (b) PTFE/4ZnO, (c) PTFE/4SiO2, (d) PTFE/4ZnO/4SiO2, (e) PTFE/4SiO2/4ZnO, (f) PTFE/(4ZnO&4 SiO2), (g) PTFE/8ZnO, (h) PTFE/8SiO2, (i) PTFE/8ZnO/8 SiO2, ( j) PTFE/8 SiO2/8ZnO y (k) PTFE/(8ZnO&8 SiO2).

La Figura 5a muestra el mapa MESP para todas las interacciones consideradas de PTFE, ZnO y SiO2 coloreadas con colores intermedios entre naranja y amarillo, con un plano para la cadena de PTFE y perpendicular en el caso de MO, lo que representa una menor repulsión electrostática. Los resultados de MESP revelaron que estas estructuras eran excepcionalmente estables, con la superficie de MESP apareciendo en amarillo y todavía no había posibilidad de interferir con otras y representando más equilibrio químico. Las Figuras 5b-k demuestran la interacción del PTFE con los MO. El color rojo se extendió en los terminales arriba y abajo del polímero, lo que indica que la reactividad del PTFE aumentó y los MO mejoraron los lados activos del PTFE. Cuando el PTFE interactuó con 4SiO2, 4ZnO/4SiO2, 4SiO2/4ZnO, (4ZnO y 4SiO2), 8SiO2, 8ZnO/8SiO2, 8SiO2/8ZnO y (8ZnO y 8SiO2), las regiones rojas de bajo potencial se localizaron principalmente alrededor del átomo de oxígeno del MO. Mientras que cuando el PTFE interactuó con 4ZnO y 8ZnO, las regiones rojas se extendieron por todo el polímero y aumentaron en el otro lado. Estos resultados de MESP concuerdan con los resultados de TDM y ΔE. Como resultado, las propiedades eléctricas del PTFE mejoraron y ahora puede emplearse en una variedad de campos de aplicaciones, como una capa inhibidora de la corrosión para trajes de astronautas.

La Tabla 3 define los descriptores QSAR que intentan describir las relaciones de PTFE con MO como PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO, PTFE/(4ZnO&4SiO2), PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO /8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO&8SiO2). Los descriptores se resumen como energía total (TE) como Kcal/mol, formación de calor (HF) como Kcal/mol, potencial de ionización (IP) como eV, log P, polarizabilidad como A3, refracción molar (MR) y peso molecular (MR). como au. En primer lugar, se afirma que TE describe la estabilidad del sistema, y que la reducción de los valores de TE lleva la estructura hacia la estabilidad60. El TE del PTFE fue de −17.005,449 kcal/mol. En el caso de que el PTFE interactúe con 4 unidades de MO, TE cambió para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO y PTFE/(4ZnO&4SiO2) a − 18.409,137, − 20.012,627, − 10.891,274, − 931,899 y − 932,368 kcal/mol respectivamente. Mientras que el TE para PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO&8SiO2) se cambió a − 11.544,339, − 23.034,521, − 25.976,165, − 2414,112 y − 2. 5.973,368 kcal/mol respectivamente. A partir del TE calculado, se encontró que PTFE/8ZnO/8SiO2 era la estructura más estable y probable. Además, el HF es un descriptor térmico importante que define la energía producida en forma de calor, ya que los átomos que existen a distancias potencialmente infinitas están unidos y forman una molécula61, aunque el HF puede aclararse a través de la diferencia observada en la entalpía durante la formación de un solo mol de una sustancia a partir de sus componentes. Esto ocurre en su equilibrio natural y total bajo las características atmosféricas de una temperatura particular. Para el PTFE, el HF fue igual a −1570,772 kcal/mol. En el caso de la interacción de PTFE con MO, el HF calculado para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO y PTFE/(4ZnO y 4SiO2) se cambió a − 1826,101, − 1963,831, − 2457,839. , − 2598,762 y − 2266,677 kcal/mol. Mientras que en el caso de PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO&8SiO2), HF cambió para ser igual a − 1871.705, − 2597.869, − 3128.116, − 2372.734 y − 3300,601 kcal/mol, respectivamente. En consecuencia, la estructura más probable que se formó, que necesitaba un valor energético bajo para su formación, fue PTFE/8ZnO/8SiO2 y PTFE/(8ZnO&8SiO2).

Otro descriptor importante es el IP, que se define como la energía necesaria para que el material sea ionizado. El IP descrito por Dewar y Morita usando la siguiente ecuación: IP = a + bq + cq, que a, b es el parámetro variacional definido como a2 + b2 = 1, carga de un átomo en una molécula (q), y densidad de electrones. de un átomo en una molécula (C)62,63. Se calculó el IP para todos los modelos de interacción de PTFE. La importancia del valor IP es que refleja la reactividad de las estructuras estudiadas. El valor de IP es inversamente proporcional a la reactividad del compuesto, lo que significa que la reactividad de un determinado compuesto químico aumenta a medida que el valor de IP disminuye64. El valor de IP registrado para PTFE fue igual a −12,980 eV. Cuando el PTFE interactuó con 4 MO, el IP cambió a − 9,417, − 9,446, − 8,953, − 8,746 y − 10,573 eV para PTFE/4ZnO, PTFE/4SiO2, PTFE/4ZnO/4SiO2, PTFE/4SiO2/4ZnO y PTFE/( 4ZnO y 4SiO2), respectivamente. En el caso del PTFE interactuado con 8 MO, el IP cambió a − 9,737, − 11,648, − 8,733, − 8,420 y − 10,392 eV para PTFE/8ZnO, PTFE/8SiO2, PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO y 8SiO2), respectivamente. Según los datos obtenidos, no hubo cambios significativos en el valor de IP. La estructura de PTFE/8ZnO/8SiO2 tuvo la estructura reactiva más baja con el entorno circundante y la estructura más mejorada térmicamente. La estructura química se describió mediante el logaritmo del coeficiente de partición (log P). En consecuencia, el valor log p para un compuesto es el logaritmo (base 10) del coeficiente de partición (p), que se define como la relación entre la concentración de la fase orgánica y acuosa de los compuestos como en la ecuación65

Calcula la solubilidad de la sustancia incluso en una solución orgánica o en disolventes acuosos. Los valores positivos de log P definen las estructuras hidrofóbicas, mientras que los valores negativos indican estructuras hidrofílicas66. Todos los modelos propuestos registraron un log P positivo, lo que es una indicación de que las estructuras son hidrofóbicas y no han afectado el medio ambiente circundante. El valor más bajo de log P refleja una mayor polaridad y un aumento de la hidrofobicidad del compuesto, lo que confirma la capacidad de actuar como un material autolimpiante. Las superficies autolimpiantes han despertado un gran interés en aplicaciones industriales, particularmente en la industria aeroespacial. Los recubrimientos súper hidrofóbicos autolimpiantes, como siliconas, fluorocarbonos, materiales orgánicos y materiales inorgánicos, son sensibles a la acumulación de hielo, agua y otros contaminantes, además de tener un recubrimiento duro, resistente al desgaste y fóbico para una superficie aerodinámica para mejorar las propiedades de deshielo mediante tecnologías de deposición de vapor por plasma a baja presión. Por lo tanto, mejorar la hidrofobicidad del material de estudio lo convierte en un material prometedor para ser utilizado como superficie autolimpiante, lo cual es una aplicación importante en el campo aeroespacial67,68. Los valores más bajos de log P se registraron para PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO&8SiO2). En consecuencia, la polarizabilidad es una propiedad básica que determina cómo se puede polarizar la fórmula química en respuesta a fuerzas variables. El refractor molar, que representa la capacidad de respuesta de los factores estructurales que afectan el volumen, es un descriptor que puede especificar la polarización general del mol69. Cuanto mayor sea el refractor molar, mayor será la estabilidad de las estructuras, que se registraron para PTFE/8ZnO/8SiO2, PTFE/8SiO2/8ZnO y PTFE/(8ZnO&8SiO2).

En resumen, los resultados obtenidos respecto a la interacción más esperada entre PTFE y MOs, sugirieron un recubrimiento de ZnO con SiO2 sobre PTFE, particularmente PTFE/8ZnO/8SiO2 capa por capa. PTFE/8ZnO/8SiO2 es la forma más probable de interacción basada en su estabilidad física, química y térmica. Estas mejoras sirven como una capa inhibidora de la corrosión y autolimpiante para los trajes de astronauta debido a su menor respuesta con el entorno y su mayor polaridad y naturaleza hidrofóbica.

Los cálculos de DFT de cadenas de PTFE modificadas con 4 y 8 unidades de nano-MO, incluidos ZnO, SiO2 individualmente y como un híbrido, se sometieron a una estabilidad química, física y térmica mejorada. El B3LYPL/LANL2DZ se utilizó para evaluar TDM, ΔE y MESP para el polímero PTFE y su interacción con las estructuras modelo de MO sugeridas. Para las estructuras estudiadas, los descriptores QSAR se calcularon utilizando MO-G en el nivel teórico de PM6 para investigar las propiedades electrónicas, así como la estabilidad térmica, física y química. Los resultados de TDM y ΔE para la interacción de PTFE con MO indicaron que las propiedades electrónicas del PTFE mejoraron al aumentar el número de unidades de MO. Además, la introducción de los dos MO capa por capa mejora y mantiene estable la cadena del polímero de PTFE. Los cálculos electrónicos de propiedades mostraron que la estructura de PTFE más mejorada, al interactuar con 4 unidades de MO, fue la de PTFE/4ZnO/4SiO2. Para la interacción de PTFE con 8 unidades de MOs, PTFE/8ZnO/8SiO2 capa por capa presentó los mejores resultados de propiedades electrónicas. Los mapas MESP también confirmaron que la estructura estudiada PTFE/8ZnO/8SiO2 muestra una mejora y redistribución de la carga en la superficie del polímero. Los resultados de MESP concuerdan con los resultados de TDM y ΔE. Además, los datos de QSAR indicaron que el recubrimiento de PTFE como PTFE/8ZnO/8SiO2 capa por capa mejoró la estabilidad electrónica y térmica y las propiedades de hidrofobicidad. Correlacionando los resultados, se puede concluir que el PTFE modificado con ZnO y SiO2 capa por capa tiene características innovadoras como estabilidad térmica, química y física con poca sensibilidad a los materiales circundantes, lo que podría emplearse como anticorrosión y autolimpiante. capa para trajes de astronauta.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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El Dr. MAH escribió el resultado y la discusión, el Dr. RG escribió la introducción del manuscrito, el Dr. HAE calculó las estructuras del modelo, envió el artículo para publicación Prof. ISY y Prof. HYZ, revisó el manuscrito, Prof. HE contribuyó al redacción de resultados y discusión, el Dr. AR revisa el artículo y participa en la sección de discusión y el Prof. MAI asigna el problema, controla el manuscrito general y luego lo revisa.

Correspondencia a Hend A. Ezzat o Medhat A. Ibrahim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ezzat, HA, Hegazy, MA, Ghoneim, R. et al. Estudios DFT y QSAR de nanocompuestos PTFE/ZnO/SiO2. Informe científico 13, 9696 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19490-0

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Recibido: 26 de junio de 2022

Aceptado: 30 de agosto de 2022

Publicado: 15 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19490-0

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