(Phys.org) —Gli scienziati hanno sviluppato un promettente nanomateriale che potrebbe essere adattabile per l'uso in un'ampia gamma di applicazioni. Un team internazionale guidato da scienziati del Politecnico federale di Losanna (EPFL) e del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Potsdam-Golm ha sviluppato un metodo elegante per produrre nanostrati di carbonio auto-organizzati e dotarli chimicamente di una gamma di funzioni. Si ritiene che tali nanostrati di carbonio funzionalizzati siano adatti a varie applicazioni. Per esempio, potrebbero fungere da rivestimenti che rendono le superfici sia antigraffio che antimacchia, o come sensori per il rilevamento di quantità estremamente ridotte di sostanze. La conduttività elettrica degli strati di carbonio li rende anche adatti all'uso come componenti elettronici in varie applicazioni.

Nella tecnologia di domani, qualcosa di inconcepibilmente piccolo potrebbe benissimo diventare un gigante. Gli scienziati stanno ricercando molte varianti di nanomateriali, vale a dire sostanze con dimensioni nell'intervallo di 100 nanometri. Il prefisso nano deriva dalla parola greca per nano, e si riferisce alla miliardesima parte. Così, un nanometro è un miliardesimo di metro. Gli scienziati sono molto presi da un materiale particolare che arriva in queste dimensioni:i nanostrati di carbonio. Questi sono strati a nido d'ape di atomi di carbonio con uno spessore di pochi nanometri, o anche meno. I nanostrati di carbonio più sottili concepibili di questo tipo sono grafene, che sono costituiti da un unico strato di carbonio.

Per molte applicazioni, sarebbe importante poter dotare questi fogli di carbonio ultrasottili di determinati residui di molecole chimiche, noti come gruppi funzionali. "Finora questo è stato possibile solo in misura limitata perché i nanosheet di carbonio di solito possono essere preparati solo a temperature estremamente elevate - e, perciò, in condizioni che distruggerebbero immediatamente tali gruppi funzionali, " spiega Gerald Brezesinski del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces a Golm vicino a Potsdam. Insieme ai colleghi del suo Istituto, Brezesinski ha fornito supporto ai ricercatori del Politecnico federale di Losanna (EPFL) nello sviluppo di un approccio di sintesi che potrebbe essere interessante in questo contesto. Usando questo metodo, nanostrati di carbonio, compresi i gruppi funzionali, potrebbero essere accessibili a temperature notevolmente inferiori a quelle normalmente applicate nella produzione di tali materiali.

Immergersi in profondità nella borsa dei trucchi chimici

Per formare una struttura planare da atomi di carbonio, i ricercatori svizzeri hanno messo in campo una serie di trucchi. Uno dei principali riguardava il composto di partenza selezionato, una molecola la cui sezione centrale ha sei doppi e singoli legami carbonio-carbonio alternati. Queste sezioni sono costituite esclusivamente da atomi di carbonio e sono altamente reattive, in quanto possono subire reazioni chimiche anche a temperature più basse. A differenza di altri processi, ciò significa che da queste molecole possono essere prodotti sottili strati di carbonio a temperatura ambiente.

Utilizzando una speciale configurazione di prova, gli scienziati hanno fatto in modo che molte di queste molecole si allineassero perfettamente in parallelo tra loro in un unico strato auto-organizzato, come le setole di un pennello. Però, c'era una piccola differenza per le setole della spazzola:le catene parallele di molecole avevano ciascuna una leggera piegatura. Per effetto di questa disposizione, le sezioni ricche di carbonio di tutte le molecole si trovavano allo stesso livello. Quando i ricercatori hanno applicato la luce UV a questo set-up, alcuni dei tripli legami si sciolsero e si formarono invece dei legami tra gli atomi di carbonio delle molecole vicine. Poiché quasi tutte le setole sono state in tal modo legate alle setole vicine, si è formato uno strato consistente di atomi di carbonio:un nanostrato di carbonio.

Affinché tutto ciò accada, gli scienziati con sede a Losanna hanno dovuto chiaramente scavare a fondo nella scatola dei trucchi chimici per la progettazione del precursore molecolare. Al fine di garantire la disposizione parallela delle loro molecole, hanno ideato molecole simili a tensioattivi, simili a quelli che si trovano nel detersivo per piatti. Mentre un'estremità di tali molecole si dissolve bene in acqua, l'altro non si dissolve affatto. Tra queste due estremità, gli scienziati hanno posizionato i tripli legami reattivi.

Quando a questo punto portarono il loro composto a contatto con l'acqua, solo un'estremità della molecola disciolta. L'intero residuo rimanente era così insolubile che sporgeva dalla superficie nell'aria. I ricercatori sono riusciti a impostare deliberatamente una distanza uniforme tra le singole setole molecolari. A livello dei tripli legami, questo doveva essere inferiore a 0,4 nanometri, poiché gli atomi di carbonio vicini sono solo abbastanza vicini l'uno all'altro in questo caso da formare nuovi legami tra loro sotto la luce UV.

Successo del processo di sintesi confermato da analisi altamente specializzate

Per gli scienziati, era importante capire come appariva effettivamente lo strato molecolare lungo il confine acqua-aria, e come è cambiato nel corso della reazione. Qui sono entrati in gioco metodi speciali, che fanno parte del repertorio di Gerald Brezesinski e del suo gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute of Colloids and Interfaces a Potsdam. Per esempio, per rilevare la posizione degli atomi rilevanti nello strato limite – e quindi anche l'esatta disposizione delle molecole di partenza – i ricercatori hanno utilizzato fasci di raggi X ad alta energia dal sincrotrone DESY di Amburgo. I modi in cui questi fasci sono stati dispersi o riflessi sullo strato campione sottilissimo alla fine hanno fornito a Gerald Brezesinski e alla sua collega Cristina Stefaniu, che ora lavora all'Università di Potsdam, con informazioni sull'esatta disposizione delle molecole di partenza.

Con l'aiuto della spettroscopia infrarossa di riflessione-assorbimento, gli scienziati sono poi riusciti a tracciare l'effettiva reazione durante l'irradiazione UV. Per fare questo, hanno misurato come il segnale caratteristico dei tripli legami diminuisse continuamente nel corso della reazione. Una tecnica molto speciale utilizzata dai ricercatori di Potsdam è stata utile qui. Le influenze di disturbo delle molecole d'acqua presenti potevano essere mascherate solo con l'aiuto di questa tecnica. "Ci sono solo pochi gruppi di ricerca al mondo che possono rendere visibile questo tipo di spettroscopia a infrarossi in tali strati, " sottolinea Gerald Brezesinski.

Anche le tecniche speciali utilizzate dai ricercatori Max Planck con sede a Potsdam si sono rivelate utili per caratterizzare il prodotto risultante. Questi inclusi, Per esempio, la microscopia angolare di Brewster, che è stato sviluppato circa 20 anni fa presso l'Istituto Max Planck per la chimica biofisica di Göttingen. Con l'aiuto di questo microscopio, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il prodotto era uno strato liscio molto omogeneo, che ha uno spessore totale di due nanometri – e, perciò, in realtà un nanostrato di carbonio.

Anche Gerald Brezesinski del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Potsdam si è detto soddisfatto di questo successo:"Ciò significa che è effettivamente possibile progettare molecole simili a tensioattivi in ​​un modo che consenta il loro utilizzo nella sintesi di uno strato di carbonio su un superficie dell'acqua. Siamo stati in grado di dimostrarlo con l'aiuto dei nostri metodi."

Punto di partenza per "nanostrati di carbonio funzionali"

Al termine del processo di sintesi, le estremità delle molecole di partenza sporgevano ancora dal nanostrato:l'estremità solubile in acqua da un lato e l'estremità insolubile dall'altro. Questo particolare fattore è estremamente importante per i ricercatori, in quanto crea la possibilità di attaccare gruppi chimici all'estremità prima della sintesi che conferirà al successivo nanostrato di carbonio una funzione speciale. Le appendici chimiche resisterebbero intatte al blando processo di produzione, e sarebbe anche conservata nel nanostrato di carbonio risultante.

In questo modo, Per esempio, sarebbe possibile ancorare su un lato gruppi chimici che in seguito supporterebbero il collegamento a determinate superfici in vetro o metallo. I gruppi potrebbero anche essere attaccati all'altro lato che renderebbe lo strato repellente allo sporco. Lo stesso strato di carbonio renderebbe anche la superficie molto resistente ai graffi. I nanosensori chimici potrebbero anche essere costruiti da tali strati sottilissimi. A tal fine, gruppi chimici potrebbero essere integrati nelle molecole di partenza che in seguito assicurano l'interazione con la sostanza o il gruppo di sostanze da misurare. L'elevata conduttività elettrica dei nanostrati di carbonio potrebbe quindi essere utilizzata per la trasmissione dei segnali di misura. I ricercatori di Losanna e Potsdam sperano quindi che il loro processo innovativo per la produzione di nanostrati di carbonio auto-organizzati e funzionali apra la strada a un gran numero di nuove interessanti applicazioni.