(PhysOrg.com) -- Se la promessa della nanotecnologia deve essere mantenuta, le nanoparticelle dovranno essere in grado di creare qualcosa da sole. Un importante passo avanti verso questo obiettivo è stato raggiunto dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che hanno trovato un modo semplice ma potentemente robusto per indurre le nanoparticelle ad assemblarsi in array complessi.

Aggiungendo tipi specifici di piccole molecole a miscele di nanoparticelle e polimeri, i ricercatori sono in grado di dirigere l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in matrici di una, due e persino tre dimensioni senza alcuna modifica chimica né delle nanoparticelle né dei copolimeri a blocchi. Inoltre, l'applicazione di stimoli esterni, come luce e/o calore, può essere utilizzato per dirigere ulteriormente gli assemblaggi di nanoparticelle per dettagli strutturali ancora più fini e complessi.

"Abbiamo dimostrato un approccio semplice ma versatile per controllare con precisione la distribuzione spaziale delle nanoparticelle prontamente disponibili su più scale di lunghezza, che vanno dal nano al macro, "dice Ting Xu, uno scienziato dei polimeri che ha guidato questo progetto e che tiene appuntamenti congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e l'Università della California, Dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali di Berkeley, e Chimica. "La nostra tecnica può essere utilizzata su un'ampia varietà di nanoparticelle e dovrebbe aprire nuove strade alla fabbricazione di dispositivi basati su nanoparticelle, inclusi sistemi altamente efficienti per la generazione e lo stoccaggio di energia solare".

Xu è l'autore corrispondente su un articolo che descrive questo lavoro che è stato pubblicato dalla rivista Materiali della natura . Il documento si intitola:"Piccola assemblaggio di nanoparticelle dirette da molecole verso nanocompositi sensibili agli stimoli". Co-autore di questo articolo con lei c'erano Yue Zhao, Kari Thorkelsson, Alessandro Mastroianni, Thomas Schilling, Giuseppe Lutero, Beniamino Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniel Poulsen, Jean Frechet e Paul Alivisatos.

L'arte dell'autoassemblaggio

Particelle di dimensioni nanometriche - frammenti di materia di pochi miliardesimi di metro, o più di cento volte più piccolo della roba delle odierne microtecnologie - mostrano proprietà molto ambite che non si trovano nei materiali macroscopici, compreso ottico, elettronico, magnetico, ecc. La promessa della nanotecnologia è che lo sfruttamento di queste proprietà uniche su scala commerciale potrebbe produrre tali "cambiamenti di gioco" in quanto sostenibili, energia pulita ed economica, e la creazione su richiesta di nuovi materiali con proprietà su misura per soddisfare esigenze specifiche. La realizzazione di questa promessa inizia con le nanoparticelle che sono in grado di organizzarsi in strutture complesse e schemi gerarchici, simile a ciò che la natura compie abitualmente con le proteine.

"Il controllo preciso dell'organizzazione spaziale delle nanoparticelle e di altri elementi costitutivi nanoscopici su più scale di lunghezza è stato un collo di bottiglia nella generazione dal basso verso l'alto di materiali tecnologicamente importanti, " dice Xu. "La maggior parte degli approcci che sono stati utilizzati finora hanno comportato modifiche della superficie".

Piccoli come sono, le nanoparticelle sono essenzialmente tutte superfici, quindi qualsiasi processo che modifica la superficie di una nanoparticella può cambiare profondamente le proprietà di quella particella. La disposizione precisa di queste nanoparticelle è fondamentale per adattare le proprietà macroscopiche durante l'assemblaggio delle nanoparticelle. Sebbene il DNA sia stato utilizzato per indurre l'autoassemblaggio di nanoparticelle con un alto grado di precisione, questo approccio funziona bene solo per array organizzati di dimensioni limitate; non è pratico per la fabbricazione su larga scala. Xu ritiene che un approccio migliore sia quello di utilizzare copolimeri a blocchi - lunghe sequenze o "blocchi" di un tipo di molecola monomerica legati a blocchi di un altro tipo di molecola monomerica.

"I copolimeri a blocchi si autoassemblano facilmente in array ben definiti di nanostrutture su distanze macroscopiche, ", afferma. "Sarebbero una piattaforma ideale per dirigere l'assemblaggio delle nanoparticelle, tranne per il fatto che i copolimeri a blocchi e le nanoparticelle non sono particolarmente compatibili tra loro da un punto di vista chimico. Serve un mediatore per riunirli».

Xu e il suo gruppo hanno trovato un tale "mediatore" sotto forma di piccole molecole che si uniranno alle nanoparticelle e quindi saranno in grado di attaccare se stesse e le loro nanoparticelle partner alla superficie di un copolimero a blocchi. Per questo studio, Xu e il suo gruppo hanno usato due diversi tipi di piccole molecole, tensioattivi (agenti bagnanti) denominati "PDP" e "OPAP". Queste piccole molecole possono essere stimolate dalla luce (PDP) o dal calore (OPAP) per recidere la loro connessione alla superficie di un copolimero a blocchi ed essere riposizionate in un'altra posizione lungo la catena polimerica. In questo modo, la distribuzione spaziale dei mediatori di piccole molecole e dei loro partner di nanoparticelle può essere diretta con precisione senza la necessità di modificare né le nanoparticelle né i polimeri.

"La bellezza di questa tecnica è che non implica una chimica sofisticata, " dice Xu. "È davvero una tecnica plug and play, in cui mescoli semplicemente le nanoparticelle con i copolimeri a blocchi e poi aggiungi tutte le piccole molecole di cui hai bisogno."

Per questo studio, Xu e i suoi colleghi hanno aggiunto piccole molecole PDP o OPAP a varie miscele di nanoparticelle, tale
come seleniuro di cadmio e solfuro di piombo, miscelato con un copolimero a blocchi commerciale - polistirene a blocchi (4-vinil piridina). Mentre lei e il suo gruppo lavoravano con la luce e il calore, lei dice altri stimoli, come il pH, potrebbe anche essere usato per riposizionare piccole molecole e i loro partner di nanoparticelle lungo formazioni di copolimeri a blocchi. Le sostituzioni strategiche di diversi tipi di piccole molecole sensibili allo stimolo potrebbero fungere da meccanismo per la messa a punto strutturale o per incorporare proprietà funzionali specifiche nei nanocompositi. Xu e i suoi colleghi stanno ora aggiungendo funzionalità alla loro tecnica di autoassemblaggio.

"Riunisci i giusti componenti di base:nanoparticelle, polimeri e piccole molecole - stimolano il mix con una combinazione di calore, luce o altri fattori, e questi componenti si assemblano in strutture o modelli sofisticati, " dice Xu. "Non è dissimile da come la natura lo fa."

Fonte:Lawrence Berkeley National Laboratory (notizie:web)