Por quase duas décadas, Os cientistas da Cornell desenvolveram processos para usar polímeros para se automontar nanopartículas inorgânicas em estruturas porosas que podem revolucionar a eletrônica, energia e muito mais.

Este processo agora foi conduzido a um nível sem precedentes de precisão usando nanopartículas de metal, e é apoiado por uma análise rigorosa dos detalhes teóricos por trás do porquê e como essas partículas se juntam com os polímeros. Uma compreensão tão profunda da complexa interação entre a química e a física que impulsionam a automontagem complexa abre o caminho para que esses novos materiais entrem em muitas aplicações, da eletrocatálise em células de combustível à condutância de tensão em circuitos.

Ulrich Wiesner, o professor de materiais Spencer T. Olin Ciência e Engenharia, liderou o que é provavelmente o estudo mais abrangente até hoje sobre os processos de automontagem de nanopartículas de copolímero em bloco. O estudo foi publicado online em 21 de fevereiro em Nature Communications .

De fora, o processo parece bastante simples. Comece com partículas de platina e ouro que crescem a partir de um precursor. Uma substância química chamada ligante reveste as partículas e controla precisamente seu tamanho. Adicione a isso moléculas projetadas chamadas copolímeros em bloco - longas cadeias de dois ou três materiais orgânicos. Os polímeros combinam com as nanopartículas de platina e ouro, todos montados em ordem, cúbico, estruturas tridimensionais. Remova o polímero com ácido, e o que resta são dezenas de nanopartículas formando redes cúbicas 3-D porosas.

Cada etapa - a partir da estrutura exata dos ligantes, para a síntese dos polímeros - requer química precisa e compreensão detalhada da função de cada material. A análise da Nature Communications baseou-se na experiência de colaboradores em tomografia eletrônica, microscopia dispersiva de energia e teoria da percolação. Por exemplo, colaboradores da Agência de Ciência e Tecnologia do Japão usaram tomografia eletrônica para mapear a localização de cada partícula nas amostras, que então poderia ser comparado com as previsões teóricas. O resultado é um conjunto abrangente de critérios de design que podem levar à preparação dessas redes de partículas para o processamento de soluções em maior escala.

"Não só podemos fazer esses materiais, mas através da tomografia eletrônica em particular, podemos analisar essas estruturas em uma profundidade que simplesmente não foi feita antes, "Wiesner disse." A comparação com a teoria nos permite entender completamente os mecanismos físicos pelos quais essas estruturas são formadas. "

Por que prestar tanta atenção a essas redes de nanopartículas automontadas? Eles são feitos de uma forma que nunca aconteceria na natureza ou por meios convencionais de laboratório. Eles são uniformemente porosos com alta área de superfície e, Portanto, são altamente catalíticos e potencialmente úteis para aplicações de energia.

Talvez o melhor de tudo, trabalhar com polímeros significa custo-benefício, o processamento em grande escala pode ser muito fácil.

Várias décadas de ciência dos polímeros deram ao mundo uma escalabilidade eficiente insuperável no mundo dos materiais - pense na produção de plásticos. Wiesner e colegas provaram o conceito de nanopartículas de metal automontadas usando processamento de solução baseada em copolímero em bloco que vai além do "frasco de vidro em um laboratório, "Wiesner disse.

"Agora que entendemos como tudo funciona, nosso processo se presta facilmente à produção em larga escala de tais materiais, " ele disse.