p Os dias de nanopartículas de automontagem que levavam horas para formar um filme sobre uma bolacha de tamanho microscópico acabaram. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma técnica pela qual arranjos de nanopartículas de automontagem podem formar um filme fino altamente ordenado em distâncias macroscópicas em um minuto. p Ting Xu, um cientista de polímeros da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, liderou um estudo no qual supramoléculas baseadas em copolímeros em bloco foram combinadas com nanopartículas de ouro para criar nanocompósitos que, sob recozimento com solvente, rapidamente se auto-montaram em filmes finos hierarquicamente estruturados abrangendo uma área de vários centímetros quadrados. A técnica é compatível com os atuais processos de nanofabricação e tem potencial para gerar novas famílias de revestimentos ópticos para aplicações em uma ampla variedade de áreas, incluindo energia solar, nanoeletrônica e armazenamento de memória de computador. Esta técnica pode até abrir novos caminhos para a fabricação de metamateriais, nanoconstrutos artificiais que possuem propriedades ópticas notáveis.

p "Nossa técnica pode gerar rapidamente montagens de nanopartículas incríveis em áreas tão grandes quanto uma pastilha de silício, "diz Xu, que também tem um compromisso conjunto com os Departamentos de Ciências e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, e Química. "Você pode pensar nisso como uma massa de panqueca que você pode espalhar sobre uma frigideira, espere um minuto e você terá uma panqueca pronta para comer. "

p Xu é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Communications intitulado "Fabricação rápida de filmes finos nanocompósitos supramoleculares hierarquicamente estruturados em um minuto." Os co-autores são Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang e Cheng Sun.

p Nanopartículas funcionam como átomos artificiais com ótica única, propriedades elétricas e mecânicas. Se as nanopartículas podem ser induzidas a se automontar em estruturas complexas e padrões hierárquicos, semelhante ao que a natureza faz com as proteínas, permitiria a produção em massa de dispositivos mil vezes menores do que os usados ​​na microtecnologia atual.

p Xu e seu grupo de pesquisa têm avançado continuamente em direção a esse objetivo final. Mais recentemente, seu foco tem sido o uso de soluções supramoleculares baseadas em copolímero em bloco para direcionar a automontagem de arranjos de nanopartículas. Uma supramolécula é um grupo de moléculas que atuam como uma única molécula capaz de desempenhar um conjunto específico de funções. Os copolímeros em bloco são sequências longas ou "blocos" de um tipo de monômero ligado a blocos de outro tipo de monômero que têm uma capacidade inata de se automontar em arranjos bem definidos de estruturas nanométricas em distâncias macroscópicas.

p "As supramoléculas baseadas em blocos de copolímero 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 fornecem uma estrutura estrutural ideal para a automontagem de arranjos de nanopartículas. "

p Na técnica supramolecular desenvolvida por Xu e seus colegas, arranjos de nanopartículas de ouro foram incorporados a soluções de supramoléculas para formar filmes com cerca de 200 nanômetros de espessura. Por meio do recozimento com solvente, usando clorofórmio como solvente, os arranjos de nanopartículas organizados em microdomínios cilíndricos tridimensionais que foram empacotados em redes hexagonais distorcidas em orientação paralela com a superfície. Essa exibição de controle estrutural hierárquico na automontagem de nanopartículas foi impressionante, mas foi apenas metade do jogo.

p "Para ser compatível com os processos de nanofabricação, o processo de fabricação de automontagem também deve ser concluído dentro de alguns minutos para minimizar qualquer degradação das propriedades das nanopartículas causadas pela exposição ao ambiente de processamento, "Xu diz.

p Ela e seu grupo analisaram sistematicamente a termodinâmica e a cinética de automontagem em seus filmes finos nanocompósitos supramoleculares após exposição ao vapor de solvente. Eles descobriram que, ao otimizar um único parâmetro, a quantidade de solvente, a cinética de montagem pode ser ajustada com precisão para produzir filmes finos hierarquicamente estruturados em um único minuto.

p "Ao construir nossas supramoléculas baseadas em copolímero em bloco a partir de pequenas moléculas ligadas não covalentemente a cadeias laterais de polímero, mudamos o cenário de energia para que o teor de solvente se tornasse o fator mais importante, "Diz Xu." Isso nos permitiu obter uma ordenação rápida das matrizes de nanopartículas com a adição de apenas uma pequena quantidade de solvente, cerca de 30 por cento da fração de um filme de 200 nanômetros de espessura. "

p As propriedades ópticas de filmes finos de nanocompósitos dependem das propriedades de nanopartículas individuais e de distâncias entre partículas bem definidas ao longo de diferentes direções. Dado que as dimensões das matrizes de nanopartículas de ouro são pelo menos uma ordem de magnitude menor do que os comprimentos de onda da luz visível, a técnica supramolecular de Xu e seus colegas tem forte potencial para ser usada para fazer metamateriais. Esses materiais artificiais têm chamado muita atenção nos últimos anos porque suas propriedades eletromagnéticas são inatingíveis em materiais naturais. Por exemplo, um metamaterial pode ter um índice de refração negativo, a capacidade de dobrar a luz para trás, ao contrário de todos os materiais encontrados na natureza, que dobram a luz para a frente.

p "Nossos filmes finos de nanocompósitos de ouro exibem forte anisotropia óptica dependente do comprimento de onda que pode ser ajustada simplesmente variando o tratamento com solvente, "Xu diz." Isso apresenta uma alternativa viável à litografia para fazer metamateriais. "

p Enquanto Xu e seus colegas usaram nanopartículas de ouro em seus filmes, a abordagem supramolecular também é compatível com nanopartículas de outras composições químicas.

p "Devemos ser capazes de criar uma biblioteca de montagens de nanopartículas projetadas para manipulação de luz e outras propriedades, "Xu diz, "usando uma técnica que é compatível com os processos de nanofabricação mais amplamente usados ​​de hoje, incluindo revestimento de lâmina, impressão a jato de tinta e recozimento de zona dinâmica. "