Il controllo dell'organizzazione delle nanoparticelle in modelli in film polimerici ultrasottili può essere ottenuto con l'entropia anziché con la chimica, secondo una scoperta del Dr. Alamgir Karim, Professore di ingegneria dei polimeri della Goodyear Tire and Rubber Company di UA, e il suo allievo Dr. Ren Zhang. I film sottili polimerici sono utilizzati in una varietà di applicazioni tecnologiche, ad esempio vernici, lubrificanti, e adesivi. Karim e Zhang hanno sviluppato un metodo originale, la segregazione di nanoparticelle indotta da pattern di confinamento morbido (SCPINS), per fabbricare film sottili di nanocompositi polimerici con un'organizzazione delle nanoparticelle ben controllata su scala submicronica. Questo nuovo metodo controlla in modo univoco l'organizzazione di qualsiasi tipo di nanoparticelle in modelli in quei film, che può essere utile per applicazioni che coinvolgono sensori, circuiti a nanofili o reticoli di diffrazione, con adeguate fasi di lavorazione successive come la sinterizzazione termica o UV, che sono probabilmente richiesti, ma l'auto-organizzazione in schemi diretti.

Questo lavoro, "Segregazione guidata dall'entropia di nanoparticelle innestate di polimeri sotto confinamento, " è stato pubblicato nel numero di febbraio 2017 di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Intuitivamente, l'entropia è associata al disordine di un sistema. Però, per la materia colloidale, è stato dimostrato che un sistema può sperimentare transizioni che aumentano sia l'entropia che l'ordine visibile. Ispirato da questa osservazione, Karim e Zhang hanno studiato il ruolo dell'entropia nell'organizzazione diretta delle nanoparticelle innestate di polimeri (PGNP) in film sottili di polimeri. Semplicemente imprimendo i film di miscela in regioni mesa-trench modellate, le nanoparticelle si arricchiscono spontaneamente all'interno di mesas, formando strutture di microdomini modellate che coincidono con il modello topografico. Questa segregazione selettiva di PGNP è indotta da penalità entropica dovuta all'alterazione della conformazione della catena innestata quando confinata in regioni di fossa ultrasottili.

Per la prima volta, l'organizzazione spaziale desiderata delle nanoparticelle è ottenuta dall'effetto di confinamento entropico indotto dal modello topografico, senza sintonizzare le interazioni entalpiche attraverso la chimica. Questo metodo facile, SCIN, è applicabile a composizioni di particelle versatili e geometrie di pattern. Questo lavoro può essere esteso a sistemi di particelle multicomponenti, che ha potenziali applicazioni nelle tecnologie basate sui nanomateriali come la nanoelettronica e la plasmonica.

"Il processo è altamente efficiente in quanto può incorporare tutte le nanoparticelle senza sprechi nel film matrice rimanente dopo la modellazione:il 100% delle nanoparticelle è modellato, " spiega Karim. "La matrice residua può essere risciacquata senza perdita di costose nanoparticelle".