Per quasi due decenni, Gli scienziati di Cornell hanno sviluppato processi per l'utilizzo di polimeri per autoassemblare nanoparticelle inorganiche in strutture porose che potrebbero rivoluzionare l'elettronica, energia e altro ancora.

Questo processo è stato ora portato a un livello di precisione senza precedenti utilizzando nanoparticelle metalliche, ed è supportato da un'analisi rigorosa dei dettagli teorici alla base del perché e del modo in cui queste particelle si assemblano con i polimeri. Una comprensione così profonda della complessa interazione tra la chimica e la fisica che guida il complesso autoassemblaggio apre la strada a questi nuovi materiali per entrare in molte applicazioni, dall'elettrocatalisi nelle celle a combustibile alla conduttanza di tensione nei circuiti.

Ulrich Wiesner, il professore di materiali Spencer T. Olin Scienza e Ingegneria, ha condotto quello che è probabilmente lo studio più completo fino ad oggi sui processi di autoassemblaggio delle nanoparticelle di copolimeri a blocchi. Lo studio è stato pubblicato online il 21 febbraio in Comunicazioni sulla natura .

Da fuori, il processo sembra abbastanza semplice. Inizia con particelle di platino e oro che crescono da un precursore. Una sostanza chimica chiamata ligando riveste le particelle e ne controlla con precisione le dimensioni. Aggiungete a queste molecole progettate chiamate copolimeri a blocchi, lunghe catene di due o tre materiali organici. I polimeri si combinano con le nanoparticelle di platino e oro, che si assemblano in ordine, cubo, strutture tridimensionali. Incidere via il polimero, e ciò che resta sono decine di nanoparticelle che formano reti cubiche 3D porose.

Ogni passaggio – dall'esatta struttura dei ligandi, alla sintesi dei polimeri – richiede una chimica precisa e una comprensione dettagliata del ruolo di ciascun materiale. L'analisi di Nature Communications ha attinto all'esperienza dei collaboratori nella tomografia elettronica, microscopia a dispersione di energia e teoria della percolazione. Per esempio, i collaboratori della Japan Science and Technology Agency hanno utilizzato la tomografia elettronica per mappare la posizione di ogni singola particella nei campioni, che poi potrebbe essere confrontato con le previsioni teoriche. Il risultato è una serie completa di criteri di progettazione che potrebbe portare alla preparazione di queste reti di particelle per l'elaborazione di soluzioni su larga scala.

"Non solo possiamo realizzare questi materiali, ma attraverso la tomografia elettronica in particolare, possiamo analizzare queste strutture a una profondità che non è mai stata fatta prima, Ha detto Wiesner. "Il confronto con la teoria ci permette di comprendere appieno i meccanismi fisici con cui si formano queste strutture".

Perché prestare tanta attenzione a queste reti di nanoparticelle autoassemblate? Sono realizzati in un modo che non accadrebbe mai in natura o con mezzi di laboratorio convenzionali. Sono uniformemente porosi con elevata area superficiale e, perciò, sono altamente catalitici e potenzialmente utili per applicazioni energetiche.

Forse meglio di tutti, lavorare con i polimeri significa conveniente, l'elaborazione su larga scala potrebbe essere un gioco da ragazzi.

Diversi decenni di scienza dei polimeri hanno dato al mondo una scalabilità efficiente insuperabile nel mondo dei materiali - pensa alla produzione di materie plastiche. Wiesner e colleghi hanno dimostrato il concetto di nanoparticelle metalliche autoassemblate utilizzando l'elaborazione di soluzioni a base di copolimero a blocchi che va oltre la "fiala di vetro in un laboratorio, "Ha detto Wiesner.

"Ora che abbiamo capito come funziona, il nostro processo si presta facilmente alla produzione su larga scala di tali materiali, " Egli ha detto.