Dalla fotonica ai prodotti farmaceutici, i materiali realizzati con nanoparticelle polimeriche promettono i prodotti del futuro. Però, ci sono ancora lacune nella comprensione delle proprietà di queste minuscole particelle simili alla plastica.

Ora, Hojin Kim, uno studente laureato in ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università del Delaware, insieme a un team di scienziati che collaborano presso il Max Planck Institute for Polymer Research in Germania, Princeton University e l'Università di Trento, ha scoperto nuove conoscenze sulle nanoparticelle polimeriche. I risultati della squadra, comprese proprietà come la mobilità superficiale, temperatura di transizione vetrosa e modulo elastico, sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Sotto la direzione del Prof. MPI George Fytas, il team ha utilizzato la spettroscopia luminosa di Brillouin, una tecnica che esplora le proprietà molecolari delle nanoparticelle microscopiche esaminando come vibrano.

"Abbiamo analizzato la vibrazione tra ogni nanoparticella per capire come cambiano le loro proprietà meccaniche a diverse temperature, " Kim ha detto. "Abbiamo chiesto, 'Cosa indica una vibrazione a temperature diverse? Cosa significa fisicamente?' "

Le caratteristiche delle nanoparticelle polimeriche differiscono da quelle delle particelle più grandi dello stesso materiale. "La loro nanostruttura e le piccole dimensioni forniscono diverse proprietà meccaniche, " ha detto Kim. "È davvero importante capire il comportamento termico delle nanoparticelle per migliorare le prestazioni di un materiale".

Prendi il polistirolo, un materiale comunemente usato nelle nanotecnologie. Particelle più grandi di questo materiale vengono utilizzate in bottiglie di plastica, bicchieri e materiali di imballaggio.

"Le nanoparticelle polimeriche possono essere più flessibili o più deboli alla temperatura di transizione vetrosa alla quale si ammorbidiscono da una consistenza rigida a una morbida, e diminuisce al diminuire della dimensione delle particelle, " ha detto Kim. Ciò è in parte dovuto al fatto che la mobilità dei polimeri sulla superficie delle piccole particelle può essere attivata facilmente. È importante sapere quando e perché si verifica questa transizione, poiché alcuni prodotti, come membrane filtranti, bisogno di rimanere forte quando esposto a una varietà di condizioni.

Per esempio, una tazza di plastica usa e getta realizzata con il polistirene polimerico potrebbe resistere all'acqua bollente, ma quella tazza non ha nanoparticelle. Il team di ricerca ha scoperto che le nanoparticelle di polistirene iniziano a sperimentare la transizione termica a 343 Kelvin (158 gradi F), nota come temperatura di rammollimento, al di sotto di una temperatura di transizione vetrosa di 372 K (210 F) delle nanoparticelle, appena al di sotto della temperatura dell'acqua bollente. Quando riscaldato a questo punto, le nanoparticelle non vibrano, stanno completamente ferme.

Questo non era stato visto prima, e il team ha trovato prove che suggeriscono che questa temperatura può attivare uno strato superficiale altamente mobile nella nanoparticella, ha detto Kim. Quando le particelle si riscaldano tra la loro temperatura di rammollimento e la temperatura di transizione vetrosa, le particelle interagivano sempre di più tra loro. Altri gruppi di ricerca hanno precedentemente sospettato che la temperatura di transizione vetrosa diminuisca con la diminuzione della dimensione delle particelle a causa delle differenze nella mobilità delle particelle, ma non potevano osservarlo direttamente.

"Utilizzando metodi e strumenti diversi, abbiamo analizzato i nostri dati a diverse temperature e abbiamo effettivamente verificato che c'è qualcosa sulla superficie delle nanoparticelle polimeriche che è più mobile rispetto al suo nucleo, " Egli ha detto.

Studiando le interazioni tra le nanoparticelle, il team ha anche scoperto il loro modulo elastico, o rigidità.

Prossimo, Kim prevede di utilizzare queste informazioni per costruire un film di nanoparticelle in grado di governare la propagazione delle onde sonore.

Eric Furst, professore e presidente del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare dell'UD, è anche un autore corrispondente sulla carta.

"Hojin ha preso la guida di questo progetto e ha ottenuto risultati oltre quello che avrei potuto prevedere, " ha detto Furst. "Esemplifica l'eccellenza nella ricerca di dottorato in ingegneria al Delaware, e non vedo l'ora di vedere cosa farà dopo".