Hybrid mesoporous silica: a platform for gating chemistry

Abstract

The combination of mesostructured metal oxides as robust platforms and the integration to molecular, polymeric, organometallic or biologically active groups as functional construction blocks has enabled the development of new hybrid materials. The precise localization of this active elements in three- dimensional nanometric scale represents the key for the rational design of intelligent inorganic-organic tailor–made hybrids for specific purposes. Such materials would be of great relevance for a great deal of technological applications as optoelectronics, catalysis, biosensors, molecular sieving or drug delivery. In particular, these hard–soft architectures allowed us to create sophisticated intelligent nanosystems that respond to a variety of external stimuli such as pH, redox potential, molecule concentration, temperature, or light paving the way to what is known as "gating chemistry”. Transduction of these stimuli into a predefined response implies exploiting spatial and physicochemical effects such as charge distribution, equilibria displacements, or steric constraints du to degradation of bulky caps or reconfiguration of macromolecules. These changes allow us to control diffusion and transport of probes or host molecules through channels or porous structures diminishing the gap between synthetic and biological systems. This work aims to briefly show a wide variety of strategies for the design of such sophisticated nanoarchitectures and its potential applications.

La combinación de matrices mesoestructuradas de óxidos inorgánicos y su integración con moléculas, polímeros, complejos organometálicos y grupos activos biológicos como bloques de construcción funcionales ha permitido el desarrollo de nuevos materiales híbridos. El control espacial preciso de estos elementos activos en escalas tridimensionales nanométricas representa la clave para el diseño racional de materiales híbridos inteligentes orgánicos-inorgánicos hechos a medida para fines específicos. Estos materiales serían de gran relevancia para un gran número de aplicaciones tecnológicas como optoelectrónicas, catálisis, biosensores, tamices moleculares o liberación controlada de drogas. En particular, estas arquitecturas sólido-blandas nos han permitido crear sofisticados nanosistemas capaces de responder a estímulos externos como pH, potencial redox, concentración de analitos específicos, temperatura o luz, marcando el camino hacia lo que en la actualidad se conoce como "gating chemistry”. La transducción de dichos estímulos en una respuesta involucra efectos fisicoquímicos como desplazamientos de equilibrio, redistribución de cargas, o limitaciones estéricas provenientes de la reconfiguración de macromoléculas o la degradación de elementos voluminosos. Estos cambios permiten controlar el transporte y la difusión de moléculas huésped o sondas a través de canales o estructuras porosas acercándonos a la posibilidad de mimetizar sistemas biológicos. Este trabajo tiene como objeto mostrar brevemente las diversas estrategias en el diseño de estos sistemas y la motivación detrás de estas complejas nanoarquitecturas.