I chimici dell'Università dell'Oregon che studiano la struttura delle nanoparticelle d'oro stabilizzate con ligando hanno catturato nuove intuizioni fondamentali sulla loro stabilità. L'informazione, dicono, potrebbe aiutare a mantenere un desiderato, proprietà integrale nelle nanoparticelle utilizzate nei dispositivi elettronici, dove la stabilità è importante, o per progettarli in modo che si condensino facilmente in pellicole sottili per cose come inchiostri o catalizzatori in dispositivi elettronici o solari.

In un progetto, dettagliato nel numero del 27 novembre del Journal of Physical Chemistry C —studente di dottorato Beverly L. Smith e James E. Hutchison, che detiene la cattedra Lokey-Harrington in Chimica presso l'UO, analizzato come le dimensioni delle nanoparticelle e le molecole sulle loro superfici, chiamati ligandi, influenzare l'integrità strutturale sotto l'aumento delle temperature.

Si sono concentrati su nanoparticelle di diametro inferiore a due nanometri, le più piccole studiate fino ad oggi, per comprendere meglio la stabilità strutturale di queste minuscole particelle progettate per l'uso in elettronica, medicina e altri materiali. Se una nanoparticella deve rimanere stabile o condensarsi dipende da come vengono utilizzate. Quelli usati come catalizzatori nella lavorazione chimica industriale o punti quantici per l'illuminazione devono rimanere intatti; se sono precursori per rivestimenti in dispositivi solari o per inchiostri da stampa, le nanoparticelle devono essere instabili in modo da sinterizzare e condensarsi in una massa sottile.

Per i loro esperimenti, Smith e Hutchison hanno prodotto nanoparticelle d'oro in quattro dimensioni ben controllate, che vanno da 0,9 nanometri a 1,5 nanometri, e analizzato la perdita di ligando e la sinterizzazione con analisi termogravimetrica e calorimetria differenziale a scansione, ed ha esaminato i film risultanti mediante microscopia elettronica a scansione e spettroscopia fotoelettronica a raggi X. Poiché le nanoparticelle sono state riscaldate a 5 gradi Celsius al minuto, dalla temperatura ambiente a 600 gradi Celsius, le nanoparticelle hanno cominciato a trasformarsi vicino a 150 gradi Celsius.

I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle più piccole hanno una migliore integrità strutturale rispetto alle particelle più grandi che sono state testate. In altre parole, Hutchison ha detto, hanno meno probabilità di perdere i loro ligandi e di legarsi insieme. "Se hai particelle instabili, allora la proprietà che vuoi è fugace, " ha detto. "O l'emissione di luce si degrada nel tempo e il gioco è fatto, o il metallo diventa inattivo e il gioco è fatto. In quel caso, vuoi preservare la funzione e impedire alle particelle di aggregarsi." L'opposto è desiderato per Hutchison e altri che lavorano nel Centro per la chimica dei materiali sostenibili finanziato dalla National Science Foundation, una collaborazione multi-universitaria guidata dall'UO e dalla Oregon State University. I ricercatori stanno sintetizzando nanoparticelle come precursori per film sottili.

"Vogliamo precursori di soluzioni che possano portare a film sottili inorganici da utilizzare nell'industria elettronica e solare, " ha detto Hutchison, che è anche membro dell'UO Materials Science Institute.

"In questo caso, vogliamo sapere come mantenere le nostre nanoparticelle o altri precursori abbastanza stabili in soluzione in modo da poterci lavorare, usando solo una piccola quantità di energia aggiuntiva per renderli instabili in modo che si condensino in un film, dove la proprietà che desideri proviene dal solido esteso che viene generato, non dalle nanoparticelle stesse."

La ricerca, Hutchison ha detto, individuati siti deboli sulle nanoparticelle in cui i ligandi potrebbero staccarsi. Se solo una piccola quantità lo fa, Egli ha detto, nanoparticelle separate hanno maggiori probabilità di unirsi e iniziare il processo di sinterizzazione per creare film sottili.

"Questo è un effetto davvero stabilizzante che, a sua volta, butta fuori tutti questi ligandi dall'esterno, " ha detto. "La superficie diminuisce rapidamente e le particelle diventano più grandi, ma ora tutti i ligandi extra vengono esclusi nel film e poi, col tempo, i ligandi vaporizzano e se ne vanno."

Il venire a pezzi, però, è un "fallimento catastrofico" se la protezione contro la sinterizzazione è l'obiettivo. Potrebbe essere possibile utilizzare i risultati, Egli ha detto, esplorare modi per rafforzare le nanoparticelle, come sviluppare ligandi che si legano in almeno due siti o evitare ligandi volatili.

Il processo, come studiato, prodotto film d'oro porosi. "Un passo successivo potrebbe essere quello di studiare come manipolare il processo per ottenere un film più denso, se lo si desidera, " ha detto Hutchison. Comprendere come le nanoparticelle rispondono a determinate condizioni, come variazioni di temperatura, Ha aggiunto, può aiutare i ricercatori a ridurre gli sprechi nel processo di produzione.

"I ricercatori dell'Università dell'Oregon stanno reingegnerizzando la scienza, processi produttivi e aziendali alla base di prodotti critici, " ha detto Kimberly Andrews Espy, vicepresidente per la ricerca e l'innovazione e preside dell'UO Graduate School. "Questa ricerca che analizza la stabilità strutturale delle nanoparticelle dal Dr. Hutchison e dal suo team ha il potenziale per migliorare l'ingegneria dell'elettronica, medicina e altri materiali, contribuendo a promuovere un futuro sostenibile per il nostro pianeta e la sua gente".

Fabbro, l'autore principale del giornale, ha conseguito la laurea magistrale in chimica nel 2009 presso l'UO. Ora è una studentessa di dottorato nel laboratorio di Hutchison. Durante le fasi iniziali della ricerca, è stata supportata dal programma IGERT (Integrative Graduate Education and Research Traineeship) della NSF. Anche il finanziamento dell'Air Force Research Laboratory (concessione n. FA8650-05-1-5041) a Hutchison ha sostenuto la ricerca.

Hutchison è anche membro dell'Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute (ONAMI) e dell'Oregon BEST (Oregon Built Environment &Sustainable Technologies Center), che sono iniziative di ricerca della firma statale.