I ricercatori hanno sviluppato una nuova tecnica per creare collane su scala nanometrica basate su minuscole strutture simili a stelle infilate su uno scheletro polimerico. La tecnica potrebbe fornire un nuovo modo per produrre strutture ibride organiche-inorganiche di shish kebab da semiconduttori, magnetico, materiali ferroelettrici e altri che possono offrire utili proprietà su scala nanometrica.

I ricercatori hanno finora realizzato nano-collane con un massimo di 55 nanodischi. Il processo basato su modelli fa crescere copolimeri diblock anfifilici simili a vermi attraverso una tecnica di polimerizzazione vivente in cui le strutture polimeriche fungono da nanoreattori che formano strutture nanocristalline di collegamento laterale basate su una varietà di materiali precursori. I nanodischi hanno una media di circa dieci nanometri di diametro e quattro nanometri di spessore, e distano circa due nanometri.

"Il nostro obiettivo era quello di sviluppare un non convenzionale, eppure robusto, strategia per produrre una grande varietà di shish kebab ibridi organico-inorganico, " disse Zhiqun Lin, un professore alla Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Georgia Institute of Technology. "Questa è una tecnica generale per realizzare queste strutture insolite. Ora che l'abbiamo dimostrato, crediamo che ci sia un elenco quasi infinito di materiali che possiamo usare per realizzare queste nano-collane".

La ricerca è stata supportata dall'Air Force Office of Scientific Research e dalla National Science Foundation. I risultati dovevano essere pubblicati il ​​27 marzo sulla rivista Progressi scientifici .

Le nano-collane unidimensionali potrebbero avere ottiche, elettronico, optoelettronico, applicazioni di rilevamento e magnetiche. I ricercatori hanno finora prodotto strutture da seleniuro di cadmio (CdSe), titanato di bario (BaTiO3) e ossido di ferro (Fe3O4), ma credo che potrebbero essere usati anche molti altri materiali, incluso l'oro.

La tecnica inizia con la formazione di complessi di inclusione costituiti da alfa-ciclodestrine, oligosaccaridi ciclici composti da sei unità di glucosio. Le alfa-ciclodestrine, che sono vuote al centro, si infilano su una catena di polietilenglicole (PEG) in un processo di autoassemblaggio stabilito. Lo scheletro polimerico su cui sono infilate le alfa-ciclodestrine è ricoperto da un agente di chiusura più grande per trattenere le minuscole strutture.

Ogni alfa-ciclodestrina ha 18 gruppi idrossilici (OH) che possono essere convertiti in gruppi bromo (Br) attraverso un processo di esterificazione. Da questi gruppi di bromo in soluzione vengono quindi coltivate strutture "nanoworm" polimeriche diblock. Formato da polistirene a blocchi di poli(acido acrilico) (PAA-b-PS), i copolimeri diblocco vermiformi sono costituiti da blocchi interni di poli(acido acrilico) (PAA) che sono idrofili, e blocchi esterni di polistirene (PS) che sono idrofobi. Poiché su ciascuna alfa-ciclodestrina crescono così tanti diblocchi, il loro affollamento allunga la spina dorsale del polimero.

Finalmente, precursori di ioni metallici sono preferenzialmente incorporati nello spazio occupato da blocchi PAA interni di nanoreattori di copolimero diblock a forma di verme, formando cristalli. Questi cristalli collegano le strutture un tempo separate, creando le nano-collane - che assomigliano a minuscoli millepiedi.

"Siamo rimasti sorpresi nel vedere questi nano-kebab cresciuti in un'unica struttura inorganica usando i copolimeri diblock simili a vermi come nanoreattori, " ha detto Lin. "Sotto l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione, si vedono strutture di kebab simili a nanodischi periodicamente situate sullo shish polimerico allungato."

Le immagini al microscopio elettronico a trasmissione mostrano chiaramente i kebab simili a nanodischi perché sono costituiti da materiali ad alta densità di elettroni. Però, il PEG shish di collegamento non compare perché è una catena singola e la sua densità elettronica è molto inferiore.

La formazione delle strutture è stata inizialmente sorprendente per il gruppo di ricerca di Lin, che prevedeva di produrre strutture simili a nanotubi o nanofili. Ma le simulazioni fatte dal membro del team Yuci Xu all'Università di Ningbo in Cina hanno confermato la formazione delle strutture che stavano osservando sperimentalmente. Le simulazioni hanno anche permesso di prevedere le dimensioni strutturali che sarebbero state prodotte.

"Sulla base della simulazione, potremmo capire il meccanismo di crescita di questa struttura simile a una nano-collana, " ha detto Lin. "Questa disposizione di nano-collana è molto catturata dalla simulazione. La simulazione e gli esperimenti concordano bene, che ha aumentato la nostra fiducia che comprendiamo le strutture."

Con la loro tecnica di crescita dimostrata, i ricercatori ora vogliono caratterizzare le minuscole strutture e stabilire potenziali applicazioni. Sebbene questi non siano stati ancora studiati, Lin crede che le strutture, che si basano su materiali semiconduttori, Potevo, ad esempio, avere applicazioni elettroniche, con elettroni che passano attraverso nanodischi adiacenti.

"Il significato di questo approccio è che non ci sono limiti ai materiali che puoi realizzare, e nessuna limitazione alle dimensioni e alla forma delle strutture che puoi progettare, " ha detto. "Ci sono molte caratteristiche potenzialmente vantaggiose che possono derivare da questo approccio ai nanoreattori".

Esistono altre tecniche per formare strutture di nano-collane, ma nessuno usa un modello simile e un approccio nanoreattore, disse Lin.

Nel lavoro futuro, Il gruppo di Lin ha in programma di esaminare le proprietà delle strutture che hanno costruito, testare altri potenziali materiali, ed esaminare le applicazioni che possono essere appropriate. Mentre le proprietà dei singoli nanodischi sono state studiate in precedenza, le loro interazioni collettive possono fornire alcune proprietà potenzialmente uniche.

"Questo articolo rappresenta un'intrigante dimostrazione della formazione di shish kebab ibridi organico-inorganico su scala nanometrica, " ha detto Lin. "Siamo ansiosi di saperne di più sulle proprietà uniche che possono avere, ed esplorare potenziali applicazioni."