Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Università della California (UC) Berkeley hanno diretto il primo autoassemblaggio di nanoparticelle in materiali pronti per il dispositivo. Attraverso una tecnica relativamente facile ed economica basata sulla miscelazione di nanoparticelle con supramolecole di copolimeri a blocchi, i ricercatori hanno prodotto più strati di film sottili da uno altamente ordinato, array bi e tridimensionali di nanoparticelle d'oro. Film sottili come questi hanno potenziali applicazioni per un'ampia gamma di campi, compresa la memoria del computer, raccolta di energia, stoccaggio di energia, telerilevamento, catalisi, gestione della luce e il nuovo campo emergente della plasmonica.

"Abbiamo dimostrato un approccio supramolecolare semplice ma versatile per controllare l'organizzazione spaziale 3-D delle nanoparticelle con precisione di una singola particella su distanze macroscopiche in film sottili, " dice lo scienziato dei polimeri Ting Xu, che ha condotto questa ricerca. "Mentre i sottili film d'oro che abbiamo realizzato erano delle dimensioni di un wafer, la tecnica può facilmente produrre film molto più grandi, e può essere utilizzato su nanoparticelle di molti altri materiali oltre all'oro".

Xu ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab e i dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali di UC Berkeley, e Chimica. È l'autrice corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Nano lettere intitolato "Assemblaggi di nanoparticelle in film sottili di nanocompositi supramolecolari". I co-autori del documento erano Joseph Kao, Pietro Bai, Vivian Chuang, Zhang Jiang e Peter Ercius.

Le nanoparticelle possono essere pensate come atomi artificiali con ottiche uniche, proprietà elettriche e meccaniche. Se le nanoparticelle possono essere persuase ad assemblarsi regolarmente in strutture complesse e schemi gerarchici, simile a quello che fa la natura con le proteine, dispositivi mille volte più piccoli di quelli delle odierne microtecnologie potrebbero essere prodotti in serie.

Xu e il suo gruppo di ricerca stanno avanzando verso questo obiettivo negli ultimi dieci anni. In uno studio all'inizio di quest'anno, sono stati in grado di indurre nanocristalli semiconduttori a forma di bastoncino ad autoassemblarsi in uno, strutture macroscopiche bidimensionali e persino tridimensionali. Con quest'ultima applicazione dei loro metodi ai film sottili, si sono spostati nel regno delle forme materiali necessarie per la fabbricazione di dispositivi e sono adatte per la nanoproduzione scalabile.

"Questa è la prima volta che l'assemblaggio di nanoparticelle 2-D, simili a quelli ottenuti utilizzando DNA linker ed evaporazione controllata del solvente, può essere chiaramente ottenuto in multistrati in film sottili nanocompositi a base di supramolecole, " Xu dice. "Il nostro approccio supramolecolare non richiede modifiche chimiche a nessuno dei componenti del sistema composito e, oltre a fornire un mezzo per costruire dispositivi basati su nanoparticelle, dovrebbe anche fornire una potente piattaforma per lo studio delle correlazioni struttura-proprietà delle nanoparticelle".

La tecnica sviluppata da Xu e dai suoi colleghi utilizza soluzioni di supramolecole copolimeriche a blocchi per dirigere l'autoassemblaggio delle nanoparticelle. Una supramolecola è un gruppo di molecole che agiscono come un'unica molecola in grado di svolgere un insieme specifico di funzioni. I copolimeri a blocchi sono lunghe sequenze o "blocchi" di un tipo di monomero legati a blocchi di un altro tipo di monomero che hanno una capacità innata di autoassemblarsi in matrici ben definite di strutture di dimensioni nanometriche su distanze macroscopiche.

"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-autoassemblaggio di nanoparticelle".

In questo ultimo studio, Xu e i suoi colleghi hanno incorporato nanoparticelle d'oro in soluzioni di supramolecole di copolimero a blocchi per formare film con uno spessore compreso tra 100 e 200 nanometri. I film nanocompositi presentavano microdomini in una delle due morfologie comuni:lamellare o cilindrica. Per i microdomini lamellari, le nanoparticelle hanno formato fogli 2-D impaccati esagonali che sono stati impilati in più strati paralleli alla superficie. Per i microdomini cilindrici, le nanoparticelle hanno formato catene 1-D (larghezza della singola particella) che sono state impacchettate in reticoli esagonali distorti in orientamento parallelo con la superficie.

"Dopo l'incorporazione di nanoparticelle, le supramolecole di copolimero a blocchi subiscono cambiamenti conformazionali, con conseguente entropia che determina il posizionamento e la distribuzione delle nanoparticelle, così come la morfologia complessiva dei film sottili nanocompositi, " Xu dice. "I nostri risultati indicano che dovrebbe essere possibile generare reticoli altamente ordinati di nanoparticelle all'interno di microdomini di copolimero a blocchi e ottenere assemblaggi gerarchici 3D di nanoparticelle con un preciso controllo strutturale".

La distanza interparticellare tra le nanoparticelle d'oro nelle catene 1-D e i fogli 2-D era da 8 a 10 nanometri, che solleva interessanti possibilità per quanto riguarda la plasmonica, il fenomeno per cui un raggio di luce è confinato in spazi ultra ristretti. La tecnologia plasmonica è molto promettente per computer superveloci e microscopia ottica, tra le altre applicazioni. Però, una delle principali sfide per lo sviluppo della plasmonica è stata la difficoltà di fabbricare metamateriali con nanoparticelle di metalli nobili come l'oro.

"I nostri film sottili d'oro mostrano un forte accoppiamento plasmonico lungo la spaziatura tra le particelle nelle catene 1-D e nei fogli 2-D rispettivamente, "Dice Xu. "Dovremmo quindi essere in grado di utilizzare questi film per studiare proprietà plasmoniche uniche per dispositivi elettronici e fotonici di prossima generazione. La nostra tecnica supramolecolare potrebbe essere utilizzata anche per fabbricare metamateriali plasmonici".