Development of novel smart sensing materials

Functional polymers and responsive colloids are essential for several applications of the materials science. The possibility to modify their structure, through the introduction of specific functional groups not present in their initial structure, is an effective strategy to obtain the desired behaviour for smart devices. In this context, the work presented in this thesis is focused on the design of polymeric gels to be employed in multiple fields for various applications. Our discussion started with polymeric nanogels, hydrogels systems characterized by nano dimensions, for drug delivery applications, investigating the influence of various formulations strategies on their features such as dimensions, surface charges and selective drug loading and release ability. Alongside, working with similar gelation procedure, we focused on the synthesis of graphene – based aerogels, obtained from precursor hydrogels, and we studied their multiple and versatile characteristics. We designed graphene – conductive polymers aerogels for volatile organic compound sensing, testing various polymers, and observing the best results working with graphene oxide – polyaniline composite gels and we assessed their performance improvement through the encapsulation of graphene nanoplatelets in their framework. Similarly, always working with this kind of systems, we designed graphene – chitosan aerogels and we applied them in the selective removal of anionic dyes from water, studying their mechanical characteristic, the dynamic of the adsorption process and the possibility of the regeneration of the materials. The general aim of this work is to demonstrate how a multidisciplinary approach involving physical chemistry and engineering allows to identify common strategies of polymer functionalization and colloidal synthesis that can be employed in multiple fields to develop selective and sensitive materials.

I polimeri funzionalizzati e i colloidi con capacità responsive sono essenziali per diverse applicazioni nell’ambito della scienza dei materiali. La possibilità di modificarne la struttura, attraverso l'introduzione di specifici gruppi funzionali non presenti nella loro struttura iniziale, è una strategia efficace per ottenere il comportamento desiderato in molti dispositivi “intelligenti”. In questo contesto, il lavoro presentato in questa tesi è incentrato sullo sviluppo di gel polimerici da impiegare in molteplici campi per varie applicazioni. La nostra discussione è iniziata con i nanogeli polimerici, sistemi a base di idrogeli caratterizzati da nano dimensioni, per applicazioni di rilascio di farmaci, studiando l'influenza di varie strategie di formulazione sulle loro caratteristiche come dimensioni, cariche superficiali, caricamento selettivo del farmaco e capacità di rilascio dello stesso. Parallelamente, lavorando con una procedura di gelificazione simile, ci siamo concentrati sulla sintesi di aerogeli a base di grafene, ottenuti da idrogeli precursori, e ne abbiamo studiato le molteplici e versatili caratteristiche. Abbiamo progettato aerogeli di grafene e polimeri conduttivi per il rilevamento di composti organici volatili, testando vari polimeri e osservando i migliori risultati lavorando con gel compositi di ossido di grafene e di polianilina e abbiamo valutato il miglioramento delle loro prestazioni attraverso l'incapsulamento di nanopiastrine di grafene nella loro struttura. Allo stesso modo, sempre lavorando con questo tipo di sistemi, abbiamo progettato aerogeli di grafene e chitosano e li abbiamo applicati nella rimozione selettiva di coloranti anionici dalle acque contaminate, studiandone le caratteristiche meccaniche, la dinamica del processo di adsorbimento e la possibilità di rigenerazione dei materiali. Lo scopo generale di questa tesi è stato quello di dimostrare come un approccio multidisciplinare che coinvolga la chimica fisica e l'ingegneria consenta di identificare strategie comuni di funzionalizzazione dei polimeri e sintesi colloidale che possono essere impiegate in molteplici campi per sviluppare materiali selettivi e sensibili.