Le nanoparticelle d'oro più piccole di 10 nanometri si auto-organizzano spontaneamente in modi completamente nuovi quando vengono intrappolate all'interno di modelli simili a canali. Un nuovo studio mostra che questa funzione potrebbe facilitare la produzione su nanoscala più semplice di biosensori e dispositivi plasmonici con intricati, strutture superficiali ad alta densità.

La generazione di modelli di superficie su scale di 10 nanometri e inferiori è difficile con la tecnologia attuale. Una squadra internazionale, guidato da Joel Yang dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering di Singapore, sta aiutando ad aggirare questa limitazione utilizzando una tecnica nota come "autoassemblaggio diretto di nanoparticelle" (DSA-n).

Questo approccio prende nanoparticelle sferiche che si organizzano spontaneamente in ordinati, pellicole bidimensionali quando inserite in modelli definiti litograficamente. I modelli impongono vincoli geometrici che costringono i film a organizzarsi in modelli specifici su nanoscala.

La maggior parte dei modelli prodotti da DSA-n, però, sono semplici disposizioni periodiche. Per ampliare le capacità di questa tecnica, i ricercatori stanno esplorando le "transizioni strutturali" che si verificano quando i vincoli del modello diventano paragonabili alle dimensioni delle nanoparticelle. A queste dimensioni, le piccole sfere possono dislocarsi dalle tipiche posizioni periodiche e riorientarsi in nuove imprevedibili geometrie.

Precedenti studi hanno utilizzato la microscopia video in tempo reale per catturare le transizioni strutturali in colloidi su microscala, ma l'imaging diretto di particelle sub-10 nanometri è quasi impossibile. "È qui che ci è venuta l'idea di utilizzare modelli basati su canali con larghezze gradualmente variabili, ", afferma il co-autore Mohamed Asbahi. "Con questo sistema, possiamo tracciare l'autoassemblaggio delle nanoparticelle in base allo spazio a loro accessibile."

Utilizzando tecniche di litografia a fascio di elettroni, il team ha creato una serie di trincee affusolate verso l'interno progettate per adattarsi da 1 a 3 file di nanoparticelle d'oro. Dopo aver depositato un monostrato di particelle da 8 nanometri nello stampo, hanno usato la microscopia elettronica a scansione per identificare qualsiasi modello emergente dipendente dalla larghezza. Tra righe ordinate periodicamente, i ricercatori hanno visto chiare prove di zone di stato di transizione, regioni in cui le minuscole sfere si deformano fuori allineamento e gradualmente assumono nuove, modelli di imballaggio triangolari.

Dopo aver analizzato gli stati di transizione con simulazioni computazionali Monte Carlo, Yang e collaboratori hanno identificato diversi modelli ricorrenti dominanti con diverse geometrie dalle tipiche deposizioni DSA-n. Poiché le condizioni necessarie per generare questi modelli possono essere previste matematicamente, il team è fiducioso che questi risultati possano avere applicazioni pratiche di ingegneria delle superfici.

"Il successo di DSA-n dipende dalla precisione di posizionamento delle particelle, " dice Yang. "Sfruttando il ricco insieme di geometrie strutturali che esistono tra gli stati ordinati, possiamo progettare modelli che guidano le particelle in complesse strutture periodiche e non periodiche".