Utilizzando strutture di copolimero a blocchi a forma di stella come minuscoli recipienti di reazione, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica migliorata per la produzione di nanocristalli con dimensioni coerenti, composizioni e architetture – anche metalliche, ferroelettrico, magnetico, semiconduttori e nanocristalli luminescenti. La tecnica si basa sulla lunghezza delle molecole polimeriche e sul rapporto tra due solventi per controllare la dimensione e l'uniformità dei nanocristalli colloidali.

La tecnica potrebbe facilitare l'uso di nanoparticelle per scopi ottici, elettrico, optoelettronico, magnetico, catalisi e altre applicazioni in cui uno stretto controllo su dimensioni e struttura è essenziale per ottenere proprietà desiderabili. La tecnica produce pianura, nanoparticelle core-shell e cave che possono essere rese solubili sia in acqua che in solventi organici.

"Abbiamo sviluppato una strategia generale per produrre una grande varietà di nanoparticelle in diverse gamme di dimensioni, composizioni e architetture, " disse Zhiqun Lin, professore associato presso la School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology. "Questa tecnica molto robusta ci consente di creare un'ampia gamma di nanoparticelle che non possono essere facilmente prodotte con altri approcci".

La tecnica è stata descritta nel numero di giugno della rivista Nanotecnologia della natura . La ricerca è stata supportata dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica Militare.

Le strutture di copolimero a blocchi a forma di stella sono costituite da un nucleo centrale di beta-ciclodestrina a cui sono legati covalentemente più "braccia" - fino a 21 copolimeri a blocchi lineari. I copolimeri a blocchi a forma di stella formano le micelle unimolecolari che fungono da recipiente di reazione e stampo per la formazione dei nanocristalli.

I blocchi interni delle micelle unimolecolari sono l'acido poli(acrilico) (PAA), che è idrofilo, che consente agli ioni metallici di entrare in essi. Una volta all'interno dei minuscoli recipienti di reazione fatti di PAA, gli ioni reagiscono con il PAA per formare nanocristalli, che variano in dimensioni da pochi nanometri fino a poche decine di nanometri. La dimensione delle nanoparticelle è determinata dalla lunghezza della catena PAA.

Le strutture in copolimero a blocchi possono essere realizzate con blocchi interni idrofili e blocchi esterni idrofobici - copolimeri a blocchi anfifilici, con cui le nanoparticelle risultanti possono essere sciolte in solventi organici. Però, se entrambi i blocchi interni ed esterni sono idrofili - tutti i copolimeri a blocchi idrofili - le nanoparticelle risultanti saranno solubili in acqua, rendendoli adatti per applicazioni biomediche.

Lin e collaboratori Xinchang Pang, Lei Zhao, Wei Han e Xukai Xin hanno scoperto che potevano controllare l'uniformità delle nanoparticelle variando il rapporto in volume di due solventi – dimetilformammide e alcol benzilico – in cui si formano le nanoparticelle. Per nanoparticelle di titanato ferroelettrico di piombo (PbTiO3), ad esempio, un rapporto di 9 a 1 solvente produce le nanoparticelle più uniformi.

I ricercatori hanno anche prodotto ossido di ferro, ossido di zinco, ossido di titanio, ossido rameoso, seleniuro di cadmio, titanato di bario, oro, nanocristalli di platino e argento. La tecnica potrebbe essere applicabile a quasi tutti gli ioni metallici di transizione o del gruppo principale e gli ioni organometallici, disse Lin.

"La cristallinità delle nanoparticelle che siamo in grado di creare è la chiave per molte applicazioni, " ha aggiunto. "Dobbiamo realizzarli con buone strutture cristalline in modo che mostrino buone proprietà fisiche".

Le tecniche precedenti per la produzione di micelle polimeriche con copolimeri a blocchi lineari sono state limitate dalla stabilità delle strutture e dalla consistenza dei nanocristalli che producono, disse Lin. Le attuali tecniche di fabbricazione includono la sintesi in fase di soluzione organica, termolisi di precursori organometallici, processi sol-gel, reazioni idrotermali e modelli biomimetici o dendrimeri. Queste tecniche esistenti richiedono spesso condizioni rigorose, sono difficili da generalizzare, comprendono una complessa serie di passaggi, e non possono sopportare i cambiamenti nell'ambiente che li circonda.

Al contrario, La tecnica di produzione di nanoparticelle sviluppata dai ricercatori della Georgia Tech è generale e robusta. Le nanoparticelle rimangono stabili e omogenee per lunghi periodi di tempo – fino a due anni finora – senza precipitazioni. Tale flessibilità e stabilità potrebbero consentire una gamma di applicazioni pratiche, disse Lin.

"I nostri copolimeri a blocchi a forma di stella possono superare le instabilità termodinamiche dei copolimeri a blocchi lineari convenzionali, " ha detto. "La lunghezza della catena dei blocchi PAA interni determina la dimensione delle nanoparticelle, e l'uniformità delle nanoparticelle è influenzata dai solventi utilizzati nel sistema."

I ricercatori hanno utilizzato una varietà di copolimeri di-block e tri-block simili a stelle come nanoreattori. Tra questi ci sono poli(acido acrilico)-polistirene a blocchi (PAA-b-PS) e poli(acido acrilico)-poli(ossido di etilene) a blocchi (PAA-b-PEO) copolimeri diblocco, e poli(4-vinilpiridina)-blocco-poli(terz-butil acrilato)-polistirene a blocchi (P4VP-b-PtBA-b-PS), poli(4-vinilpiridina)-poli-blocco (terz-butil acrilato)-poli-blocco (ossido di etilene) (P4VP-b-PtBA-b-PEO), polistirene a blocchi di poli(acido acrilico) a blocchi di polistirene a blocchi (PS-b-PAA-b-PS) e polistirene a blocchi di poli(acido acrilico) a blocchi di poli(ossido di etilene) (PS-b-PAA-b -PEO) copolimeri tri-blocco.

Per il futuro, Lin immagina nanocristalli più complessi con gusci multifunzionali e forme aggiuntive, tra cui nanobarre e le cosiddette nanoparticelle "Janus" che sono composte da geometria bifasica di due materiali dissimili.