I materiali su nanoscala sono caratterizzati da straordinari, qualità da miliardesimo di metro che trasformano tutto, dalla generazione di energia all'archiviazione dei dati. Ma mentre una cella solare nanostrutturata può essere straordinariamente efficiente, quella precisione è notoriamente difficile da ottenere su scala industriale. La soluzione può essere l'autoassemblaggio, o addestrare le molecole a ricucirsi insieme in configurazioni ad alte prestazioni.

Ora, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una tecnica basata sul laser per eseguire l'autoassemblaggio su nanoscala con una facilità ed efficienza senza precedenti.

"Progettiamo materiali che si costruiscono da soli, "ha detto Kevin Yager, uno scienziato presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven. "Nelle giuste condizioni, le molecole scatteranno naturalmente in una configurazione perfetta. La sfida è dare a questi nanomateriali la spinta di cui hanno bisogno:più sono caldi, più velocemente si muovono e si stabiliscono nella formazione desiderata. Abbiamo usato i laser per aumentare il calore".

Il ricercatore post-dottorato di Yager e Brookhaven Lab, Pawel Majewski, ha costruito una macchina unica nel suo genere che fa scorrere una linea laser focalizzata su un campione per generare picchi di temperatura intensi e istantanei. Questa nuova tecnica, chiamato Laser Zone Annealing (LZA), guida l'autoassemblaggio a velocità superiori a 1, 000 volte più veloce dei tradizionali forni industriali. I risultati sono descritti nella rivista ACS Nano .

"Abbiamo creato strutture autoassemblanti estremamente uniformi in meno di un secondo, " Ha detto Majewski. "Al di là della velocità straordinaria, il nostro laser ha inoltre ridotto i difetti e le degradazioni presenti nei materiali riscaldati a forno. Questa combinazione rende LZA perfetto per portare scoperte di laboratorio su piccola scala nell'industria."

Gli scienziati hanno preparato i materiali e costruito lo strumento LZA al CFN. Hanno quindi analizzato i campioni utilizzando la microscopia elettronica avanzata al CFN e la diffusione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven, ora in pensione, entrambe strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"È stato enormemente gratificante vedere che le nostre previsioni erano accurate:gli enormi gradienti termici hanno portato a un'accelerazione altrettanto enorme!" ha detto Yager.

Forni contro laser

Immagina di preparare una torta complessa, ma invece di cuocerlo in forno, una raffica di laser lo riscalda alla perfezione in un istante. Oltre a questo, le giuste condizioni di cottura faranno sì che gli ingredienti si mescolino in un piatto perfetto. Questa ricetta su scala nanometrica ottiene qualcosa di altrettanto straordinario e di grande impatto.

I ricercatori si sono concentrati sui cosiddetti copolimeri a blocchi, molecole contenenti due blocchi collegati con differenti strutture chimiche e proprietà. Questi blocchi tendono a respingersi a vicenda, che possono guidare la formazione spontanea di strutture nanometriche complesse e rigide.

"Il prezzo delle loro eccellenti proprietà meccaniche è la lenta cinetica del loro autoassemblaggio, " Ha detto Majewski. "Hanno bisogno di energia e tempo per esplorare le possibilità fino a quando non trovano la giusta configurazione".

Nell'autoassemblaggio tradizionale del copolimero a blocchi, i materiali vengono riscaldati in un forno sottovuoto. Il campione viene in genere "cotto" per un periodo di 24 ore o più per fornire energia cinetica sufficiente per far scattare in posizione le molecole, troppo tempo per la fattibilità commerciale. La lunga esposizione al calore elevato provoca anche un inevitabile degrado termico, lasciando crepe e imperfezioni in tutto il campione.

Il processo LZA, però, offre acuti picchi di calore per eccitare rapidamente i polimeri senza l'energia sostenuta che danneggia il materiale.

"In millisecondi, l'intero campione è splendidamente allineato, " disse Yager. "Mentre il laser attraversa il materiale, i picchi termici localizzati rimuovono effettivamente i difetti nel film nanostrutturato. LZA non è solo più veloce, produce risultati superiori."

LZA genera temperature superiori a 500 gradi Celsius, ma i gradienti termici - variazioni di temperatura legate alla direzione e alla posizione in un materiale - possono raggiungere più di 4, 000 gradi per millimetro. Mentre gli scienziati sanno che temperature più elevate possono accelerare l'autoassemblaggio, questa è la prima prova di un drammatico miglioramento con gradienti estremi.

Costruito da zero

"Anni fa, abbiamo osservato un sottile indizio che i gradienti termici potrebbero migliorare l'autoassemblaggio, " Disse Yager. "Divenni ossessionato dall'idea di creare gradienti sempre più estremi, che alla fine ha portato alla costruzione di questa configurazione laser, e sperimentando una nuova tecnica."

I ricercatori avevano bisogno di un'elevata concentrazione di competenze tecniche e strutture di livello mondiale per spostare l'LZA dalla proposta all'esecuzione.

"Solo al CFN abbiamo potuto sviluppare questa tecnica così rapidamente, " Ha detto Majewski. "Potremmo fare la prototipazione rapida dello strumento e la preparazione del campione con la camera bianca in loco, Officina, e laboratorio di lavorazione dei polimeri. Abbiamo quindi combinato la microscopia elettronica CFN con studi a raggi X presso NSLS per una valutazione imbattibile dell'LZA in azione".

Aggiunto Yager, "La capacità di creare nuovi campioni al CFN e poi attraversare la strada per caratterizzarli in pochi secondi all'NSLS è stata la chiave di questa scoperta. La sinergia tra queste due strutture è ciò che ci ha permesso di iterare rapidamente verso un design ottimizzato".

Gli scienziati hanno anche sviluppato una nuova tecnica di termometria superficiale su microscala chiamata analisi dei segni di fusione per tracciare l'esatto calore generato dagli impulsi laser e regolare lo strumento di conseguenza.

"Inizialmente abbiamo masterizzato alcuni film prima di apprendere le giuste condizioni operative, " Ha detto Majewski. "È stato davvero emozionante vedere i primi campioni rasterizzati dal laser e quindi utilizzare NSLS per scoprire esattamente cosa è successo".

Il futuro della tecnica

La LZA è la prima macchina del suo genere al mondo, ma segnala un drammatico passo avanti nell'aumento della nanotecnologia progettata meticolosamente. Il laser può essere utilizzato anche per "disegnare" strutture sulla superficie, il che significa che le nanostrutture possono assemblarsi in modelli ben definiti. Questo impareggiabile controllo di sintesi apre le porte ad applicazioni complesse, compresa l'elettronica.

"Non c'è davvero alcun limite alla dimensione di un campione che questa tecnica potrebbe gestire, " disse Yager. "In effetti, potresti eseguirlo in modalità roll-to-roll, una delle principali tecnologie di produzione."

Gli scienziati hanno in programma di sviluppare ulteriormente la nuova tecnica per creare strutture multistrato che potrebbero avere un impatto immediato sui rivestimenti antiriflesso, celle solari migliorate, ed elettronica avanzata.