I giorni delle nanoparticelle autoassemblanti che impiegavano ore per formare un film su un wafer di dimensioni microscopiche sono finiti. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno ideato una tecnica in base alla quale gli array di nanoparticelle autoassemblanti possono formare un film sottile altamente ordinato su distanze macroscopiche in un minuto.

Ting Xu, uno scienziato dei polimeri con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha condotto uno studio in cui supramolecole basate su copolimeri a blocchi sono state combinate con nanoparticelle d'oro per creare nanocompositi che sotto ricottura con solvente si autoassemblano rapidamente in film sottili strutturati gerarchicamente che coprono un'area di diversi centimetri quadrati. La tecnica è compatibile con gli attuali processi di nanoproduzione e ha il potenziale per generare nuove famiglie di rivestimenti ottici per applicazioni in un ampio numero di settori, tra cui l'energia solare, nanoelettronica e archiviazione della memoria del computer. Questa tecnica potrebbe persino aprire nuove strade alla fabbricazione di metamateriali, nanocostrutti artificiali che possiedono notevoli proprietà ottiche.

"La nostra tecnica può generare rapidamente incredibili assemblaggi di nanoparticelle su aree grandi quanto un wafer di silicio, "dice Xu, che detiene anche un appuntamento congiunto con i dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali dell'Università della California (UC) Berkeley, e Chimica. "Puoi immaginarlo come una pastella per pancake che puoi spalmare su una piastra, aspetta un minuto e hai un pancake pronto da mangiare."

Xu è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura intitolato "Fabbricazione rapida di film sottili nanocompositi supramolecolari strutturati gerarchicamente in un minuto". I coautori sono Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Pietro Bai, Zhen Zhang e Cheng Sun.

Le nanoparticelle funzionano come atomi artificiali con ottiche uniche, proprietà elettriche e meccaniche. Se le nanoparticelle possono essere indotte ad autoassemblarsi in strutture complesse e schemi gerarchici, simile a quello che fa la natura con le proteine, consentirebbe la produzione di massa di dispositivi mille volte più piccoli di quelli utilizzati nella microtecnologia odierna.

Xu e il suo gruppo di ricerca stanno avanzando costantemente verso questo obiettivo finale. Più di recente, l'attenzione si è concentrata sull'uso di soluzioni supramolecolari a base di copolimero a blocchi per dirigere l'autoassemblaggio di array di nanoparticelle. Una supramolecola è un gruppo di molecole che agiscono come una singola 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 a base 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 forniscono una struttura strutturale ideale per l'autoassemblaggio di array di nanoparticelle".

Nella tecnica supramolecolare ideata da Xu e dai suoi colleghi, matrici di nanoparticelle d'oro sono state incorporate in soluzioni di supramolecole per formare film spessi circa 200 nanometri. Attraverso la ricottura con solvente, usando cloroformio come solvente, gli array di nanoparticelle organizzati in microdomini cilindrici tridimensionali che sono stati impacchettati in reticoli esagonali distorti con orientamento parallelo alla superficie. Questa dimostrazione di controllo strutturale gerarchico nell'autoassemblaggio delle nanoparticelle era impressionante, ma era solo metà del gioco.

"Per essere compatibili con i processi di nanofabbricazione, anche il processo di fabbricazione dell'autoassemblaggio deve essere completato entro pochi minuti per ridurre al minimo qualsiasi degrado delle proprietà delle nanoparticelle causato dall'esposizione all'ambiente di lavorazione, " dice Xu.

Lei e il suo gruppo hanno analizzato sistematicamente la termodinamica e la cinetica dell'autoassemblaggio nei loro film sottili nanocompositi supramolecolari dopo l'esposizione al vapore di solvente. Hanno scoperto che ottimizzando un singolo parametro, la quantità di solvente, la cinetica di assemblaggio potrebbe essere adattata con precisione per produrre film sottili strutturati gerarchicamente in un solo minuto.

"Costruendo le nostre supramolecole a base di copolimero a blocchi da piccole molecole attaccate in modo non covalente alle catene laterali del polimero, abbiamo cambiato il panorama energetico in modo che il contenuto di solventi diventasse il fattore più importante, " Xu dice. "Questo ci ha permesso di ottenere un rapido ordinamento degli array di nanoparticelle con l'aggiunta solo di una quantità molto piccola di solvente, circa il 30 percento della frazione di un film spesso 200 nanometri."

Le proprietà ottiche dei film sottili nanocompositi dipendono dalle proprietà delle singole nanoparticelle e da distanze tra le particelle ben definite lungo direzioni diverse. Dato che le dimensioni degli array di nanoparticelle d'oro sono almeno un ordine di grandezza inferiori alle lunghezze d'onda della luce visibile, la tecnica supramolecolare di Xu e dei suoi colleghi ha un forte potenziale per essere utilizzata per la produzione di metamateriali. Questi materiali artificiali hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni perché le loro proprietà elettromagnetiche sono irraggiungibili nei materiali naturali. Per esempio, un metamateriale può avere un indice di rifrazione negativo, la capacità di piegare la luce all'indietro, a differenza di tutti i materiali che si trovano in natura, che piegano la luce in avanti.

"I nostri film sottili di nanocomposito d'oro mostrano una forte anisotropia ottica dipendente dalla lunghezza d'onda che può essere adattata semplicemente variando il trattamento con solvente, " Xu dice. "Questo rappresenta una valida alternativa alla litografia per la creazione di metamateriali".

Mentre Xu e i suoi colleghi hanno usato nanoparticelle d'oro nei loro film, l'approccio supramolecolare è compatibile anche con nanoparticelle di altre composizioni chimiche.

"Dovremmo essere in grado di creare una libreria di assemblaggi di nanoparticelle progettati per la manipolazione della luce e altre proprietà, "Xu dice, "utilizzando una tecnica compatibile con i processi di nanofabbricazione più utilizzati oggigiorno, compreso rivestimento della lama, stampa a getto d'inchiostro e ricottura a zone dinamiche."