Gli scienziati dei materiali hanno sviluppato una nuova strategia per creare nanobarre unidimensionali da un'ampia gamma di materiali precursori. Basato su uno scheletro di cellulosa, il sistema si basa sulla crescita di "bracci" di copolimero a blocchi che aiutano a creare un compartimento che funge da reattore chimico su scala nanometrica. I blocchi esterni dei bracci impediscono l'aggregazione dei nanotubi.

Le strutture prodotte assomigliano a minuscoli scovolini con "peli" polimerici sulla superficie del nanorod. Le nanobarre variano in dimensioni da poche centinaia di nanometri a pochi micrometri di lunghezza, e poche decine di nanometri di diametro. Questa nuova tecnica consente uno stretto controllo sul diametro, lunghezza e proprietà superficiali delle nanobarre, la cui ottica, elettrico, le proprietà magnetiche e catalitiche dipendono dai materiali precursori utilizzati e dalle dimensioni delle nanobarre.

I nanorod potrebbero avere applicazioni in settori quali l'elettronica, dispositivi sensoriali, conversione e stoccaggio dell'energia, consegna farmaci, e il trattamento del cancro. Usando la loro tecnica, i ricercatori hanno finora fabbricato metalli uniformi, ferroelettrico, conversione, semiconduttori e nanocristalli termoelettrici, così come le loro combinazioni. La ricerca, supportato da Air Force Office of Scientific Research, è stato riportato nel numero del 16 settembre della rivista Scienza .

"Abbiamo sviluppato una strategia molto generale e solida per creare una ricca varietà di nanobarre con dimensioni controllate con precisione, composizioni, architetture e chimica di superficie, " disse Zhiqun Lin, un professore alla Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Georgia Institute of Technology. "Per creare queste strutture, abbiamo usato copolimeri a blocchi non lineari simili a scovolini come minuscoli reattori per modellare la crescita di un'eccitante varietà di nanotubi inorganici".

Le strutture Nanorod non sono nuove, ma la tecnica utilizzata dal laboratorio di Lin produce nanotubi di dimensioni uniformi, come il titanato di bario e l'ossido di ferro, che non sono ancora stati dimostrati tramite approcci di chimica umida in letteratura - e nanobarre nucleo-guscio altamente uniformi realizzati combinando due materiali dissimili. Lin e l'ex ricercatore associato Xinchang Pang affermano che i materiali precursori applicabili alla tecnica sono praticamente illimitati.

"Sono disponibili molti precursori di diversi materiali che possono essere utilizzati con questo robusto sistema, "Ha detto Lin. "Scegliendo un diverso blocco esterno nei copolimeri a blocchi simili a scovolini, i nostri nanotubi possono essere sciolti e dispersi uniformemente in solventi organici come toluene o cloroformio, o in acqua."

La fabbricazione dei nanorod inizia con la funzionalizzazione di singole lunghezze di cellulosa, un biopolimero economico a catena lunga raccolto dagli alberi. Ogni unità di cellulosa ha tre gruppi ossidrile, che sono chimicamente modificati con un atomo di bromo. La cellulosa bromurata funge quindi da macroiniziatore per la crescita dei bracci del copolimero a blocchi con lunghezze ben controllate utilizzando il processo di polimerizzazione radicalica a trasferimento di atomi (ATRP), insieme a, Per esempio, poli(acido acrilico)-polistirene a blocchi (PAA-b-PS) che produce cellulosa densamente innestata con PAA-b-PS (cioè, cellulosa-g-[PAA-b-PS]) che danno l'aspetto dello scovolino.

Il passaggio successivo prevede il partizionamento preferenziale dei precursori nel compartimento PAA interno che funge da nanoreattore per avviare la nucleazione e la crescita dei nanotubi. I bracci in copolimero a blocchi densamente innestati, insieme allo scheletro rigido in cellulosa, dare ai ricercatori la capacità non solo di prevenire l'aggregazione dei nanotubi risultanti, ma anche per evitare che si pieghino.

"I polimeri sono come lunghi spaghetti e vogliono arrotolarsi, " ha spiegato Lin. "Ma non possono farlo nelle complesse macromolecole che produciamo perché con così tanti bracci di copolimero a blocchi formati, non c'è spazio. Questo porta allo stiramento delle braccia, formando una struttura molto rigida."

Variando la chimica e il numero di blocchi nei bracci dei copolimeri a blocchi simili a scovolini, Lin e collaboratori hanno prodotto una serie di nanobarre semplici solubili in olio e solubili in acqua, nanotubi nucleo-guscio, e nanotubi cavi – nanotubi – di diverse dimensioni e composizioni.

Per esempio, utilizzando copolimeri triblocco simili a scovolini contenenti bracci di copolimero triblocco anfifilico densamente innestati, i nanorod core-shell possono essere formati da due materiali diversi. Nella maggior parte dei casi, un grande disallineamento reticolare tra i materiali del nucleo e del guscio impedirebbe la formazione di strutture nucleo-guscio di alta qualità, ma la tecnica supera questa limitazione.

"Utilizzando questo approccio, possiamo coltivare i materiali del nucleo e del guscio in modo indipendente nei rispettivi nanoreattori, Lin ha detto. "Questo ci permette di aggirare il requisito per la corrispondenza dei reticoli cristallini e permette la fabbricazione di una grande varietà di strutture core-shell con diverse combinazioni che altrimenti sarebbe molto difficile da ottenere".

Lin vede molte potenziali applicazioni per le nanobarre.

"Con un'ampia gamma di proprietà fisiche:ottiche, elettrico, optoelettronico, catalitico, magnetico, e rilevamento - che dipendono sensibilmente dalle loro dimensioni e forma, nonché dai loro assemblaggi, i nanorod prodotti sono di interesse sia fondamentale che pratico, " Lin ha detto. "Le potenziali applicazioni includono l'ottica, elettronica, fotonica, tecnologie magnetiche, materiali e dispositivi sensoriali, materiali strutturali leggeri, catalisi, consegna farmaci, e bio-nanotecnologia".

Per esempio, nanotubi d'oro semplici di diverse lunghezze possono consentire un efficace assorbimento plasmonico nella gamma del vicino infrarosso per l'uso nella conversione dell'energia solare con una migliore raccolta dello spettro solare. Le nanobarre di conversione possono raccogliere preferenzialmente i fotoni solari IR, seguito dall'assorbimento di fotoni ad alta energia emessi per generare ulteriore fotocorrente nelle celle solari. Possono essere utilizzati anche per l'etichettatura biologica a causa della loro bassa tossicità, stabilità chimica, e intensa luminescenza quando eccitata da radiazioni nel vicino infrarosso, che può penetrare nei tessuti molto meglio delle radiazioni ad energia più elevata come l'ultravioletto, come è spesso richiesto con le etichette dei punti quantici.

I nanotubi a guscio di ossido di ferro e oro possono essere utili nella terapia del cancro, con l'imaging MRI abilitato dal guscio di ossido di ferro, e il riscaldamento locale creato dall'effetto fototermico sul nucleo del nanorod d'oro che uccide le cellule tumorali.