Proprio come gli atomi di carbonio in fogli di grafene, le nanoparticelle possono formare strati stabili con spessori minimi del diametro di una singola nanoparticella. Un nuovo metodo per collegare le nanoparticelle in questi film estremamente sottili è stato sviluppato presso l'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia.

Il sarto chimico si taglia il cappotto secondo... le sue nanoparticelle

I successi sartoriali fino ad oggi dei ricercatori che sintetizzano strati di nanoparticelle non sarebbero adeguati per mettere in scena anche la più modesta delle sfilate di moda chimica. Le nanoparticelle potrebbero essere organizzate in spessori di strato di singola particella, ovvero, monostrati, ma queste strutture non erano stabili perché fino ad ora non era possibile collegare le nanoparticelle in modo stabile nei monostrati.

"Negli ultimi anni, il nostro gruppo presso l'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia ha lavorato allo sviluppo di una piattaforma universale per la sintesi di monostrati stabili di nanoparticelle. Oggi, abbiamo la prova che il nostro metodo "su misura" per legare chimicamente le nanoparticelle in monostrati funziona davvero, " dice il dottor Marcin Fialkowski, professore all'IPC PAS, e dimostra un piccolo, strato, depositato su un piatto, con il minor spessore possibile, pari al diametro di una singola nanoparticella d'oro.

Monostrati di nanoparticelle d'oro cucite chimicamente prodotte presso l'IPC PAS hanno aree superficiali dell'ordine dei millimetri quadrati, e per ovvie ragioni, sono molto delicati. Meccanicamente, assomigliano a lastre acriliche, quando sottoposte a forze, si deformano inizialmente elasticamente, dopo di che si spezzano improvvisamente.

"I nostri monostrati non sono grandi, perché volevamo solo dimostrare la correttezza del concetto della loro sintesi. Nulla ostacola la produzione di monostrati nel modo che proponiamo con superfici di molti centimetri quadrati, " dice il Prof. Fialkowski.

Strati di nanoparticelle sono stati prodotti per anni all'interfaccia tra due liquidi immiscibili. Quando introdotto in un liquido più pesante, per agitazione meccanica, da esso fuoriescono nanoparticelle opportunamente preparate che si distribuiscono in modo casuale al confine con il liquido più leggero. L'ordine può essere stabilito comprimendo le nanoparticelle con pistoni dal lato e quindi compattandole. I monostrati prodotti in questo modo non erano finora durevoli e quando si cercava di rimuoverli dall'interfaccia si rompevano semplicemente. A sua volta, strutture legate chimicamente, in grado di sopravvivere alla separazione dall'interfaccia, si sono sempre rivelati composti multistrati o amorfi di nanoparticelle.

"I nostri monostrati sono stabili perché abbiamo collegato le nanoparticelle con speciali "graffette, ' o molecole di collegamento. Ciascun linker unisce due nanoparticelle adiacenti mediante forti legami covalenti, ovvero chimicamente", spiega il dott. Tomasz Andryszewski (IPC PAS), autore principale della pubblicazione sulla rivista Chimica dei materiali .

Le nanoparticelle d'oro utilizzate negli esperimenti all'IPC PAS hanno diametri di circa cinque nanometri (miliardesimi di metro); la lunghezza dei linker utilizzati è solo uno e mezzo. Affinché un linker così corto leghi insieme nanoparticelle adiacenti, questi devono essere opportunamente spostati l'uno verso l'altro.

"La principale difficoltà nel nostro lavoro risiedeva nel fatto che dovevamo conciliare due requisiti che erano in linea di principio opposti. A causa della lunghezza del linker, sapevamo che le nanoparticelle dovrebbero essere unite per essere a poca distanza l'una dall'altra, il che significa che dovrebbero essere soggetti a forze relativamente grandi. Perciò, non volevamo che le nanoparticelle uscissero dall'interfaccia. Allo stesso tempo, dovevamo in qualche modo impedire che le nanoparticelle si attaccassero insieme in strutture casuali, " dice il dottor Andryszewski.

Per soddisfare queste condizioni, le nanoparticelle sono state rivestite con piccoli, molecole appositamente progettate (leganti), che da un lato conteneva gruppi amminici (con azoto e idrogeno), e dall'altro, gruppi tiolici (con zolfo e idrogeno). Le parti tioliche combinate con l'oro, mentre le parti amminiche si trovavano all'esterno delle nanoparticelle e davano loro una carica elettrica positiva.

"Le nanoparticelle d'oro modificate fungono da boe con un grande spostamento. Si posizionano al confine tra i liquidi in modo così duraturo che anche una forte agitazione non è in grado di spingerle fuori. Allo stesso tempo, si respingono elettrostaticamente. Di conseguenza, ad ogni nanoparticella è garantito uno 'spazio privato' intorno a sé, necessario per il mantenimento dell'ordine, " spiega la dottoranda Michalina Iwan (IPC PAS).

Quando le nanoparticelle opportunamente preparate erano già state schiacciate in monostrati all'interfaccia, una sostanza di collegamento è stata iniettata nel sistema. La reazione di reticolazione, ricorda la pinzatura automatica, avvenuta a temperatura ambiente e a pressione normale, senza bisogno di iniziatori o catalizzatori. Dopo l'anastomosi chimica, il monostrato potrebbe essere rimosso dall'interfaccia tra i liquidi, seccato, e anche sottoposto all'azione di forti solventi.

Le proprietà fisiche dei monostrati derivati ​​utilizzando la chimica su misura possono essere modificate selezionando linker appropriati. Più a lungo, i leganti polimerici permetterebbero la formazione di monostrati con una maggiore elasticità. Utilizzando linker conduttori di corrente, sarebbe a sua volta possibile produrre monostrati con proprietà optoelettroniche specificatamente determinate. L'uso di altri linker potrebbe portare a monostrati che mostrano un effetto piezoresistivo, cioè cambiando la loro conduttività elettrica sotto l'influenza di deformazioni meccaniche. Il nuovo metodo di sintesi è importante anche per la ricerca di base:in futuro, consentirà lo studio diretto di cose come le proprietà meccaniche delle singole nanoparticelle.