(PhysOrg.com) -- Un relativamente veloce, tecnica facile ed economica per indurre nanobarre - nanocristalli semiconduttori a forma di bastoncino - ad autoassemblarsi in uno, strutture macroscopiche bi e persino tridimensionali sono state sviluppate da un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Questa tecnica dovrebbe consentire un uso più efficace delle nanobarre nelle celle solari, dispositivi di memorizzazione magnetici e sensori. Dovrebbe anche aiutare a potenziare le proprietà elettriche e meccaniche dei compositi nanorod-polimero.

A capo di questo progetto c'era Ting Xu, uno scienziato dei polimeri che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e i dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali dell'Università della California (UC), Berkeley, e Chimica. Xu e il suo gruppo di ricerca hanno utilizzato copolimeri a blocchi - lunghe sequenze o "blocchi" di un tipo di monomero legati a blocchi di un altro tipo di monomero - come piattaforma per guidare l'autoassemblaggio di nanobarre in strutture complesse e schemi gerarchici. I copolimeri a blocchi hanno una capacità innata di autoassemblarsi in matrici ben definite di strutture di dimensioni nanometriche su distanze macroscopiche.

"La nostra è una tecnica semplice e versatile per controllare l'orientamento dei nanorod all'interno dei copolimeri a blocchi, " dice Xu. "Variando la morfologia dei copolimeri a blocchi e la natura chimica dei nanotubi, possiamo fornire l'autoassemblaggio controllato in nanobarre e nanocompositi basati su nanobarre che è fondamentale per il loro utilizzo nella fabbricazione di dispositivi ottici ed elettronici".

Xu è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca che è stato pubblicato sulla rivista Nano lettere sotto il titolo "Assemblaggio diretto di nanorodi utilizzando supramolecole a base di copolimeri a blocchi". Gli autori del documento erano Kari Thorkelsson, Alessandro Mastroianni e Pietro Ercius.

I nanorodi – particelle di materia mille volte più piccole della sostanza delle odierne microtecnologie – mostrano ottiche molto ambite, proprietà elettroniche e di altro tipo non presenti nei materiali macroscopici. Per realizzare appieno la loro vasta promessa tecnologica, però, i nanorod devono essere in grado di assemblarsi in strutture complesse e schemi gerarchici, simile a ciò che la natura compie abitualmente con le proteine.

Xu e il suo gruppo di ricerca hanno arruolato per la prima volta i copolimeri a blocchi come alleati in questo sforzo di autoassemblaggio nel 2009, lavorando con le nanoparticelle sferiche comunemente note come punti quantici. In quello studio, hanno sferzato punti quantici per bloccare i copolimeri tramite un "mediatore" di piccole molecole adesive. In questo ultimo sviluppo, Xu e il suo gruppo hanno nuovamente fatto uso di molecole adesive, ma questa volta per mediare tra i nanorod e le supramolecole dei copolimeri a blocchi. Una supramolecola è un gruppo di molecole che agiscono come una singola molecola in grado di svolgere un insieme specifico di funzioni.

"Le supramolecole di copolimero a blocchi si autoassemblano e formano un'ampia gamma di morfologie che presentano microdomini tipicamente di dimensioni da poche a decine di nanometri, " dice Xu. "Poiché la loro dimensione è paragonabile a quella delle nanoparticelle, i microdomini delle supramolecole di copolimero a blocchi forniscono una struttura strutturale ideale per il co-assemblaggio di nanobarre".

Xu e il suo gruppo incorporano nanobarre in soluzioni di supramolecole di copolimeri a blocchi che formano forme sferiche, microdomini cilindrici e lamellari. Durante il processo di essiccazione l'energia viene fornita al sistema dalle interazioni tra ligandi di nanorod e polimeri, l'entropia associata alla deformazione della catena polimerica all'incorporazione di nanobarre, e le interazioni tra i singoli nanotubi. Xu e il suo gruppo hanno osservato che questi contributi energetici determinano il posizionamento e la distribuzione dei nanotubi, così come la morfologia complessiva dei compositi nanorod-block copolimero. Questi contributi energetici possono essere facilmente sintonizzati variando la morfologia supramolecolare, che si ottiene semplicemente attaccando diversi tipi di piccole molecole alle catene laterali dei copolimeri a blocchi.

"Possiamo accedere facilmente a un'ampia libreria di assemblaggi di nanobarre, inclusi array di nanobarre allineati parallelamente a microdomini cilindrici di copolimero a blocchi, reti di nanorod continue, e cluster di nanorod, " Xu dice. "Poiché l'allineamento macroscopico dei microdomini di copolimeri a blocchi può essere ottenuto in massa e in film sottili mediante l'applicazione di campi esterni, la nostra tecnica dovrebbe aprire una via praticabile per manipolare gli allineamenti macroscopici dei nanotubi".

Questa nuova tecnica può produrre array ordinati di nanobarre che sono macroscopicamente allineate con distanze sintonizzabili tra le singole barre - una morfologia che si presta alla produzione di plasmonici, che sono materiali molto promettenti per computer superveloci, microscopi ottici ultrapotenti, e persino la creazione di tappeti dell'invisibilità. È anche una semplice tecnica di autoassemblaggio delle nanoparticelle che può produrre una rete continua di nanobarre con distanze di separazione nanoscopiche. Tali reti possono migliorare le proprietà macroscopiche dei nanocompositi, compresa la conduttività elettrica e la resistenza del materiale.

Xu attribuisce gran parte del successo di questa ricerca alle eccezionali capacità e al personale del National Center for Electron Microscopy (NCEM), una struttura per utenti nazionali DOE presso il Berkeley Lab, che ospita i microscopi elettronici più potenti del mondo.

"Per lo studio di assemblaggi di nanobarre tridimensionali, avevamo bisogno di implementare la tomografia ad alta risoluzione e questo ha rappresentato una sfida non solo per la raccolta dei dati di imaging ma anche per l'elaborazione, " Dice Xu. "L'esperienza e l'abilità di Peter Ercios di NCEM sono state inestimabili".

Xu e il suo gruppo stanno ora studiando l'autoassemblaggio di nanocristalli semiconduttori che assumono la forma di cubi o tetrapodi, entrambi hanno importanti potenziali applicazioni per il fotovoltaico e altre tecnologie.

"Vorremmo anche studiare l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in combinazioni di forme diverse, " dice Xu.