I materiali su scala nanometrica ci presentano proprietà chimiche e fisiche sorprendenti che aiutano a concretizzare applicazioni come il rilevamento di singole molecole e la terapia fototermica minimamente invasiva, che una volta erano solo teorie, in realtà.
Le capacità uniche delle nanoparticelle le rendono materiali redditizi per un’ampia gamma di applicazioni sia per scopi di ricerca che industriali. Tuttavia, raggiungere quest'ultimo obiettivo diventa difficile a causa della mancanza di una tecnica per il trasferimento rapido e uniforme di un monostrato di nanoparticelle, che è fondamentale per la fabbricazione del dispositivo.
Una possibile via d’uscita da questo dilemma è l’adozione di processi di assemblaggio elettrostatico in cui le nanoparticelle si attaccano a una superficie caricata in modo opposto e, una volta formato un monostrato, le nanoparticelle autolimitano ulteriormente l’assemblaggio respingendo altre nanoparticelle con carica simile lontano dalla superficie. Sfortunatamente, questo processo può richiedere molto tempo.
Mentre i metodi artificiali lottano con questi inconvenienti, i processi di adesione sottomarini presenti in natura si sono evoluti in strategie uniche per superare questo problema.
A questo proposito, un team di ricercatori del Gwangju Institute of Science and Technology, guidato dal Ph.D. lo studente Doeun Kim (primo autore) e il professore assistente Hyeon-Ho Jeong (autore corrispondente), hanno sviluppato una tecnica di assemblaggio di nanoparticelle one-shot "ispirata alle cozze" che trasporta i materiali dall'acqua in volumi microscopici a wafer da 2 pollici in 10 secondi, consentendo al contempo l'assemblaggio 2D monostrato con un'eccellente copertura della superficie di circa il 40%.
Il loro lavoro è stato pubblicato in Advanced Materials ed evidenziato come frontespizio.
"Il nostro approccio chiave per superare la sfida esistente è venuto da un'osservazione su come le cozze raggiungono la superficie bersaglio contro l'acqua. Abbiamo visto che le cozze irradiano simultaneamente amminoacidi per dissociare le molecole d'acqua sulla superficie, consentendo un rapido fissaggio dell'adesivo chimico sulla superficie bersaglio ," spiega la signora Kim, parlando della motivazione dietro questo approccio unico, ispirato alla natura.
"Ci siamo resi conto di una situazione analoga in cui introduciamo protoni in eccesso per rimuovere i gruppi idrossilici dalla superficie target, aumentando così la forza di attrazione elettrostatica tra le nanoparticelle e la superficie e accelerando il processo di assemblaggio."
I ricercatori hanno progettato il potenziale elettrostatico superficiale sia per la superficie bersaglio che per le nanoparticelle, guidato dalla dinamica dei protoni. Ciò ha portato le nanoparticelle ad arrestarsi uniformemente sulla superficie bersaglio in pochi secondi.
Per testare l'efficacia dell'introduzione dell'ingegneria protonica nel processo di assemblaggio elettrostatico, il team ha confrontato il tempo di assemblaggio del monostrato con le tecniche utilizzate convenzionalmente. I risultati hanno indicato che la velocità di rivestimento della nuova tecnica era da 100 a 1.000 volte più veloce rispetto ai metodi precedentemente riportati. Il motivo dietro questa diffusione e assemblaggio accelerati di nanoparticelle era legato alla capacità dei protoni di rimuovere gruppi idrossilici indesiderati nell'area bersaglio.
I ricercatori hanno inoltre scoperto che la natura sensibile alla carica del processo sottostante consente la "guarigione" deterministica delle pellicole monostrato e il nanopatterning "pick-and-place" su scala wafer. Inoltre, la tecnica proposta consente anche la fabbricazione di metasuperfici riflettenti a colori a livello di wafer tramite architettura plasmonica, aprendo così nuove strade per la produzione di dipinti a colori e dispositivi di crittografia ottica.
Questa nuova prova di concetto ispirata alla natura rappresenta un passo importante verso un'ampia accettazione dei materiali monostrato nanomateriali funzionali.
"Prevediamo che questa ricerca accelererà l'impatto dei nanomateriali funzionali sulle nostre vite e farà avanzare la produzione di massa di pellicole monostrato, facilitando così un'ampia gamma di applicazioni, che vanno dai dispositivi fotonici ed elettronici a nuovi materiali funzionali per applicazioni energetiche e ambientali. ," conclude il Prof. Jeong.
Ulteriori informazioni: Doeun Kim et al, Assemblaggio assistito da protoni di nanoparticelle colloidali in monostrati su scala wafer in pochi secondi, Materiali avanzati (2024). DOI:10.1002/adma.202313299
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia di Gwangju
