Giù su scala nanometrica, dove gli oggetti misurano solo miliardesimi di metro, le dimensioni e la forma di un materiale possono spesso avere effetti elettronici e ottici sorprendenti e potenti. Costruire materiali più grandi che mantengano sottili caratteristiche su scala nanometrica è una sfida continua che modella innumerevoli tecnologie emergenti.

Ora, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una nuova tecnica per creare rapidamente griglie nanostrutturate per materiali funzionali con una versatilità senza precedenti.

"Possiamo fabbricare griglie multistrato composte da materiali diversi praticamente in qualsiasi configurazione geometrica, ", ha affermato il coautore dello studio e scienziato del Brookhaven Lab Kevin Yager. "Controllando in modo rapido e indipendente la struttura e la composizione su nanoscala, possiamo personalizzare le prestazioni di questi materiali. In modo cruciale, il processo può essere facilmente adattato per applicazioni su larga scala."

I risultati—pubblicati online il 23 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura —potrebbe trasformare la produzione di rivestimenti ad alta tecnologia per superfici antiriflesso, celle solari migliorate, ed elettronica touchscreen.

Gli scienziati hanno sintetizzato i materiali presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab e hanno caratterizzato le architetture su nanoscala utilizzando la microscopia elettronica al CFN e la diffusione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source, entrambi DOE Office of Science User Facilities.

La nuova tecnica si basa sull'autoassemblaggio del polimero, dove le molecole sono progettate per assemblarsi spontaneamente nelle strutture desiderate. L'autoassemblaggio richiede uno scoppio di calore per far scattare le molecole nelle configurazioni corrette. Qui, un laser estremamente caldo ha attraversato il campione per trasformare blocchi polimerici disordinati in disposizioni precise in pochi secondi.

"Le strutture autoassemblate tendono a seguire automaticamente le preferenze molecolari, rendere le architetture personalizzate impegnative, " ha detto l'autore principale Pawel Majewski, un ricercatore post-dottorato a Brookhaven. "La nostra tecnica laser costringe i materiali ad assemblarsi in un modo particolare. Possiamo quindi costruire strutture strato per strato, costruire reticoli composti da quadrati, rombi, triangoli, e altre forme."

Nanofili assemblati al laser

Per il primo passo nella costruzione della griglia, il team ha sfruttato la recente invenzione della ricottura della zona laser (LZA) per produrre i picchi termici estremamente localizzati necessari per guidare l'autoassemblaggio ultraveloce.

Per sfruttare ulteriormente la potenza e la precisione di LZA, i ricercatori hanno applicato un rivestimento elastico termosensibile sopra il film polimerico non assemblato. Il calore del laser fa sì che lo strato elastico si espanda, come un film termoretraibile al contrario, che tira e allinea i cilindri in rapida formazione su nanoscala.

"Il risultato finale è che in meno di un secondo, possiamo creare lotti altamente allineati di nanocilindri, ", ha affermato il coautore dello studio Charles Black, che guida il gruppo Electronic Nanomaterials al CFN. "Questo ordine persiste su aree macroscopiche e sarebbe difficile da raggiungere con qualsiasi altro metodo".

Per rendere funzionali queste griglie bidimensionali, gli scienziati hanno convertito la base polimerica in altri materiali.

Un metodo prevedeva il prelievo dello strato di nano-cilindro e l'immersione in una soluzione contenente sali metallici. Queste molecole poi si incollano al polimero autoassemblato, trasformandolo in una rete metallica. È possibile utilizzare un'ampia gamma di metalli reattivi o conduttivi, compreso il platino, oro, e palladio.

Hanno anche usato una tecnica chiamata deposizione di vapore, dove un materiale vaporizzato si infiltra nei nanocilindri polimerici e li trasforma in nanofili funzionali.

Reticolo strato per strato

Il primo array di nanofili completato funge da base per l'intero reticolo. Strati aggiuntivi, ognuno a seguito di variazioni su quello stesso processo, vengono poi impilati per produrre su misura, configurazioni incrociate, come recinzioni di collegamento a catena 10, 000 volte più sottile di un capello umano.

"La direzione del laser che attraversa ogni strato non assemblato determina l'orientamento delle file di nanofili, " ha detto Yager. "Spostiamo la direzione del laser su ogni strato, e il modo in cui le righe si intersecano e si sovrappongono modella la griglia. Quindi applichiamo i materiali funzionali dopo che ogni strato si è formato. È un modo eccezionalmente veloce e semplice per produrre configurazioni così precise."

Coautore dello studio Atikur Rahman, un ricercatore post-dottorato CFN, aggiunto, "Possiamo impilare metalli su isolanti, pure, incorporare diverse proprietà funzionali e interazioni all'interno di una struttura reticolare.

"La dimensione e la composizione della maglia fanno una differenza enorme, "Continuò Rahman. "Per esempio, un singolo strato di nanofili di platino conduce l'elettricità in una sola direzione, ma una rete a due strati conduce uniformemente in tutte le direzioni."

LZA è abbastanza preciso e potente da superare le interazioni dell'interfaccia, permettendogli di guidare l'autoassemblaggio del polimero anche sopra strati sottostanti complessi. Questa versatilità consente l'uso di un'ampia varietà di materiali in diverse configurazioni su nanoscala.

"Possiamo generare quasi qualsiasi forma reticolare bidimensionale, e quindi avere molta libertà nella fabbricazione di nanostrutture multicomponente, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."