(PhysOrg.com) - Um relativamente rápido, técnica fácil e barata para induzir nanobastões - nanocristais semicondutores em forma de bastão - a se automontarem em um, estruturas macroscópicas bidimensionais e até tridimensionais foram desenvolvidas por uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Esta técnica deve permitir o uso mais eficaz de nanobastões em células solares, dispositivos e sensores de armazenamento magnético. Ele também deve ajudar a impulsionar as propriedades elétricas e mecânicas dos compostos de polímero nanorod.

Liderando este projeto estava Ting Xu, um cientista de polímeros que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e com os Departamentos de Ciências e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia (UC) de Berkeley, e Química. Xu e seu grupo de pesquisa usaram copolímeros em bloco - longas sequências ou "blocos" de um tipo de monômero ligado a blocos de outro tipo de monômero - como uma plataforma para guiar a automontagem de nanobastões em estruturas complexas e padrões hierárquicos. Os copolímeros em bloco têm uma capacidade inata de se automontar em arranjos bem definidos de estruturas nanométricas em distâncias macroscópicas.

"A nossa é uma técnica simples e versátil para controlar a orientação de nanobastões dentro de copolímeros em bloco, "Xu diz." Ao variar a morfologia dos copolímeros em bloco e a natureza química dos nanobastões, podemos fornecer a automontagem controlada em nanobastões e nanocompósitos baseados em nanobastões, o que é crítico para seu uso na fabricação de dispositivos ópticos e eletrônicos. "

Xu é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa que foi publicado na revista Nano Letras sob o título "Montagem direta de nanobastões usando supramoléculas baseadas em blocos de copolímero". Os co-autores do artigo foram Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni e Peter Ercius.

Nanorods - partículas de matéria mil vezes menores do que as microtecnologias de hoje - exibem uma óptica altamente cobiçada, propriedades eletrônicas e outras não encontradas em materiais macroscópicos. Para realizar plenamente sua vasta promessa tecnológica, Contudo, os nanobastões devem ser capazes de se montar em estruturas complexas e padrões hierárquicos, semelhante ao que a natureza faz rotineiramente com as proteínas.

Xu e seu grupo de pesquisa recrutaram copolímeros em bloco como aliados neste esforço de automontagem em 2009, trabalhando com as nanopartículas esféricas comumente conhecidas como pontos quânticos. Nesse estudo, eles amarraram pontos quânticos para bloquear copolímeros por meio de um "mediador" de pequenas moléculas adesivas. Neste último desenvolvimento, Xu e seu grupo novamente fizeram uso de moléculas adesivas, mas desta vez para mediar entre os nanobastões e as supramoléculas de copolímeros em bloco. Uma supramolécula é um grupo de moléculas que atuam como uma única molécula capaz de desempenhar um conjunto específico de funções.

"As supramoléculas de copolímero em bloco se auto-montam e formam uma ampla gama de morfologias que apresentam microdomínios tipicamente de alguns a dezenas de nanômetros de tamanho, "Xu diz." Como seu tamanho é comparável ao das nanopartículas, os microdomínios de supramoléculas de copolímero em bloco fornecem uma estrutura estrutural ideal para a co-montagem de nanobastões. "

Xu e seu grupo incorporam nanobastões em soluções de supramoléculas de copolímero em bloco que se formam esféricas, microdomínios cilíndricos e lamelares. Durante o processo de secagem, a energia é contribuída para o sistema a partir das interações entre ligantes nanobastões e polímeros, a entropia associada à deformação da cadeia de polímero após a incorporação de nanobastões, e as interações entre nanobastões individuais. Xu e seu grupo observaram que essas contribuições energéticas determinam a colocação e distribuição dos nanobastões, bem como a morfologia geral dos compósitos de copolímero de nanorod-block. Essas contribuições energéticas podem ser facilmente ajustadas variando a morfologia supramolecular, o que é conseguido simplesmente anexando diferentes tipos de pequenas moléculas às cadeias laterais dos copolímeros em bloco.

"Podemos acessar prontamente uma ampla biblioteca de conjuntos de nanobastões, incluindo matrizes de nanobastões alinhados paralelamente a microdomínios cilíndricos de copolímero em bloco, redes contínuas de nanorods, e grupos de nanorods, "Xu diz." Como o alinhamento macroscópico de microdomínios de copolímero em bloco pode ser obtido a granel e em filmes finos pela aplicação de campos externos, nossa técnica deve abrir uma rota viável para manipular os alinhamentos macroscópicos dos nanobastões. "

Esta nova técnica pode produzir matrizes ordenadas de nanobastões que são macroscopicamente alinhados com distâncias ajustáveis ​​entre hastes individuais - uma morfologia que se presta à produção de plasmônicos, que são materiais promissores para computadores super rápidos, microscópios ópticos ultra-poderosos, e até mesmo a criação de tapetes de invisibilidade. É também uma técnica simples de automontagem de nanopartículas que pode produzir uma rede contínua de nanobastões com distâncias de separação nanoscópica. Essas redes podem aumentar as propriedades macroscópicas dos nanocompósitos, incluindo condutividade elétrica e resistência do material.

Xu credita muito do sucesso desta pesquisa às capacidades excepcionais e à equipe do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica (NCEM), uma instalação de usuário nacional do DOE no Berkeley Lab, que abriga os microscópios eletrônicos mais poderosos do mundo.

"Para o estudo de conjuntos de nanobastões tridimensionais, precisávamos implementar tomografia de alta resolução e isso representou um desafio não só para coletar os dados de imagem, mas também para processá-los, "Xu diz." A experiência e habilidade de Peter Ercius do NCEM foram inestimáveis. "

Xu e seu grupo agora estão investigando a automontagem de nanocristais semicondutores que assumem a forma de cubos ou tetrápodes, ambos têm importantes aplicações potenciais para tecnologias fotovoltaicas e outras.

"Também gostaríamos de investigar a automontagem de nanopartículas em combinações de diferentes formas, "Xu diz.