Un nuovo nanofoglio autoassemblante potrebbe accelerare radicalmente lo sviluppo di nanomateriali funzionali e sostenibili per l'elettronica, lo stoccaggio dell'energia, la salute e la sicurezza e altro ancora.
Sviluppato da un team guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), il nuovo nanofoglio autoassemblante potrebbe prolungare in modo significativo la durata di conservazione dei prodotti di consumo. E poiché il nuovo materiale è riciclabile, potrebbe anche consentire un approccio di produzione sostenibile che eviti che gli imballaggi e i dispositivi elettronici monouso finiscano nelle discariche.
Il team è il primo a sviluppare con successo un materiale barriera multiuso e ad alte prestazioni da nanofogli autoassemblanti. La svolta è stata riportata in Natura .
"Il nostro lavoro supera un ostacolo di vecchia data nella nanoscienza:trasformare la sintesi dei nanomateriali in materiali utili per la produzione e applicazioni commerciali", ha affermato Ting Xu, il ricercatore principale che ha condotto lo studio. "È davvero emozionante perché ci sono voluti decenni per realizzarlo."
Xu è uno scienziato senior della facoltà della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di chimica, scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley.
Una sfida nell’utilizzare la nanoscienza per creare materiali funzionali è che molti piccoli pezzi devono unirsi in modo che il nanomateriale possa crescere abbastanza da essere utile. Sebbene l'impilamento dei nanofogli sia uno dei modi più semplici per trasformare i nanomateriali in un prodotto, i "difetti di impilamento", ovvero gli spazi tra i nanofogli, sono inevitabili quando si lavora con nanofogli o nanopiastrine esistenti.
"Se immagini di costruire una struttura 3D con piastrelle sottili e piatte, avrai strati fino all'altezza della struttura, ma avrai anche degli spazi vuoti in ogni strato ovunque due piastrelle si incontrino", ha detto la prima autrice Emma Vargo, ex ricercatore laureato nel gruppo Xu e ora studioso post-dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Si è tentati di ridurre il numero di spazi vuoti rendendo le tessere più grandi, ma diventa più difficile lavorarci", ha detto Vargo.
Il nuovo materiale in nanofogli supera il problema dei difetti di impilamento saltando del tutto l’approccio dei fogli impilati in serie. Invece, il team ha mescolato miscele di materiali noti per autoassemblarsi in piccole particelle con strati alternati dei materiali componenti, sospesi in un solvente. Per progettare il sistema, i ricercatori hanno utilizzato miscele complesse di nanoparticelle, piccole molecole e supramolecole basate su copolimeri a blocchi, tutte disponibili in commercio.
Gli esperimenti presso la Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory hanno aiutato i ricercatori a comprendere le fasi iniziali e grossolane dell'autoassemblaggio delle miscele.
Quando il solvente evapora, le piccole particelle si uniscono e si organizzano spontaneamente, modellando grossolanamente gli strati, per poi solidificarsi in densi nanofogli. In questo modo, gli strati ordinati si formano simultaneamente anziché essere impilati individualmente in un processo seriale. I piccoli pezzi devono solo spostarsi per brevi distanze per organizzarsi e colmare gli spazi vuoti, evitando i problemi di spostamento di "tessere" più grandi e gli inevitabili spazi tra loro.
Da un precedente studio condotto da Xu, i ricercatori sapevano che la combinazione di miscele di nanocompositi contenenti più "mattoni" di varie dimensioni e caratteristiche chimiche, inclusi polimeri complessi e nanoparticelle, non solo si sarebbe adattata alle impurità ma avrebbe anche sbloccato l'entropia di un sistema, il disordine intrinseco in miscele di materiali che il gruppo di Xu ha sfruttato per distribuire gli elementi costitutivi del materiale.
Il nuovo studio si basa su questo lavoro precedente. I ricercatori hanno previsto che la complessa miscela utilizzata per lo studio attuale avrebbe due proprietà ideali:oltre ad avere un’elevata entropia per guidare l’autoassemblaggio di una pila di centinaia di nanofogli formati simultaneamente, si aspettavano anche che il nuovo sistema di nanofogli sarebbe stato minimamente influenzato dalle diverse caratteristiche chimiche della superficie. Ciò, secondo i loro ragionamenti, consentirebbe alla stessa miscela di formare una barriera protettiva su varie superfici, come lo schermo di vetro di un dispositivo elettronico o una maschera di poliestere.
Per testare le prestazioni del materiale come rivestimento barriera in diverse applicazioni, i ricercatori si sono avvalsi dell'aiuto di alcune delle migliori strutture di ricerca della nazione.
Durante gli esperimenti presso l'Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory, i ricercatori hanno mappato il modo in cui ciascun componente si unisce e hanno quantificato la loro mobilità e il modo in cui ciascun componente si muove per far crescere un materiale funzionale.
Sulla base di questi studi quantitativi, i ricercatori hanno fabbricato rivestimenti barriera applicando una soluzione diluita di polimeri, piccole molecole organiche e nanoparticelle a vari substrati:un bicchiere e una membrana in Teflon, una pellicola di poliestere, pellicole di silicio spesse e sottili, vetro e persino un prototipo. di un dispositivo microelettronico e quindi controllando la velocità di formazione della pellicola.
Esperimenti al microscopio elettronico a trasmissione presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab mostrano che quando il solvente è evaporato, una struttura stratificata altamente ordinata di oltre 200 nanofogli impilati con una densità di difetti molto bassa si è autoassemblata sui substrati. I ricercatori hanno anche realizzato ogni nanofoglio con uno spessore di 100 nanometri e con pochi fori e spazi vuoti, il che rende il materiale particolarmente efficace nel prevenire il passaggio di vapore acqueo, composti organici volatili ed elettroni, ha affermato Vargo.
Altri esperimenti presso la Fonderia Molecolare hanno dimostrato che il materiale ha un grande potenziale come dielettrico, un materiale isolante a "barriera di elettroni" comunemente utilizzato nei condensatori per lo stoccaggio di energia e le applicazioni informatiche.
In collaborazione con i ricercatori dell'area delle tecnologie energetiche del Berkeley Lab, Xu e il suo team hanno dimostrato che quando il materiale viene utilizzato per rivestire membrane porose di Teflon (un materiale comune utilizzato per realizzare maschere protettive per il viso), è altamente efficace nel filtrare i composti organici volatili che possono compromettere la qualità dell'aria interna.
In un esperimento finale nel laboratorio di Xu, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale può essere ridisciolto e rifuso per produrre un nuovo rivestimento barriera.
Ora che hanno dimostrato con successo come sintetizzare facilmente un materiale versatile e funzionale per varie applicazioni industriali da un singolo nanomateriale, i ricercatori intendono perfezionare la riciclabilità del materiale e aggiungere la possibilità di regolazione del colore (attualmente è disponibile in blu) al suo repertorio.
Ulteriori informazioni: Ting Xu, Compositi funzionali programmando la crescita di nanofogli guidata dall'entropia, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06660-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06660-x
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal Lawrence Berkeley National Laboratory
