Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) Berkeley han dirigido el primer autoensamblaje de nanopartículas en materiales listos para dispositivos. A través de una técnica relativamente fácil y económica basada en la mezcla de nanopartículas con supramoléculas de copolímeros en bloque, los investigadores produjeron múltiples capas de películas delgadas a partir de una altamente ordenada, matrices bidimensionales y tridimensionales de nanopartículas de oro. Las películas delgadas como estas tienen aplicaciones potenciales para una amplia gama de campos, incluido el almacenamiento de memoria de la computadora, recolección de energía, almacen de energia, Sensores remotos, catálisis, gestión de la luz y el nuevo campo emergente de la plasmónica.

"Hemos demostrado un enfoque supramolecular simple pero versátil para controlar la organización espacial 3-D de nanopartículas con precisión de partículas individuales sobre distancias macroscópicas en películas delgadas, "dice el científico de polímeros Ting Xu, quien dirigió esta investigación. "Si bien las películas delgadas de oro que hicimos eran del tamaño de una oblea, la técnica puede producir fácilmente películas mucho más grandes, y se puede utilizar en nanopartículas de muchos otros materiales además del oro ".

Xu tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y los Departamentos de Ciencias e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley, y Química. Ella es la autora correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano letras titulado "Conjuntos de nanopartículas en películas delgadas de nanocompuestos supramoleculares". Los coautores del artículo fueron Joseph Kao, Peter Bai, Vivian Chuang, Zhang Jiang y Peter Ercius.

Las nanopartículas se pueden considerar como átomos artificiales con ópticas únicas, propiedades eléctricas y mecánicas. Si se puede convencer a las nanopartículas para que se ensamblen de forma rutinaria en estructuras complejas y patrones jerárquicos, similar a lo que hace la naturaleza con las proteínas, dispositivos mil veces más pequeños que los de las microtecnologías actuales podrían producirse en masa.

Xu y su grupo de investigación han avanzado hacia este objetivo durante la última década. En un estudio a principios de este año, fueron capaces de inducir nanocristales semiconductores en forma de varilla para autoensamblarse en uno, estructuras macroscópicas bidimensionales e incluso tridimensionales. Con esta última aplicación de sus métodos a películas delgadas, se han trasladado al ámbito de las formas de materiales que se requieren para la fabricación de dispositivos y son muy adecuadas para la nanofabricación escalable.

"Esta es la primera vez que el ensamblaje de nanopartículas 2-D, similares a las obtenidas usando enlazadores de ADN y evaporación controlada del solvente, se puede lograr claramente en capas múltiples en películas delgadas de nanocompuestos a base de supramoléculas, ", Dice Xu." Nuestro enfoque supramolecular no requiere modificación química de ninguno de los componentes del sistema compuesto y, además de proporcionar un medio para construir dispositivos basados ​​en nanopartículas, también debería proporcionar una plataforma poderosa para estudiar las correlaciones entre la estructura y la propiedad de las nanopartículas ".

La técnica desarrollada por Xu y sus colegas utiliza soluciones de supramoléculas de copolímero en bloque para dirigir el autoensamblaje de nanopartículas. Una supramolécula es un grupo de moléculas que actúan como una sola molécula capaz de realizar un conjunto específico de funciones. Los copolímeros de bloque son secuencias largas o "bloques" de un tipo de monómero unido a bloques de otro tipo de monómero que tienen una capacidad innata para autoensamblarse en matrices bien definidas de estructuras nanométricas sobre distancias macroscópicas.

"Las supramoléculas de copolímeros de bloque se autoensamblan y forman una amplia gama de morfologías que presentan microdominios que suelen tener un tamaño de unos pocos a decenas de nanómetros, ", Dice Xu." Como su tamaño es comparable al de las nanopartículas, los microdominios de las supramoléculas de copolímeros de bloque proporcionan un marco estructural ideal para el autoensamblaje de nanopartículas ".

En este último estudio, Xu y sus colegas incorporaron nanopartículas de oro en soluciones de supramoléculas de copolímero en bloque para formar películas que tenían un grosor de entre 100 y 200 nanómetros. Las películas de nanocompuestos presentaban microdominios en una de dos morfologías comunes:laminar o cilíndrica. Para los microdominios laminares, las nanopartículas formaron láminas bidimensionales empaquetadas hexagonalmente que se apilaron en múltiples capas paralelas a la superficie. Para los microdominios cilíndricos, las nanopartículas formaron cadenas 1-D (ancho de partícula simple) que se empaquetaron en celosías hexagonales distorsionadas en orientación paralela con la superficie.

"Tras la incorporación de nanopartículas, las supramoléculas de copolímero en bloque experimentan cambios conformacionales, resultando en una entropía que determina la ubicación y distribución de las nanopartículas, así como la morfología general de las películas delgadas de nanocompuestos, "Dice Xu." Nuestros resultados indican que debería ser posible generar redes de nanopartículas altamente ordenadas dentro de microdominios de copolímeros de bloque y obtener ensamblajes jerárquicos en 3D de nanopartículas con un control estructural preciso ".

La distancia entre partículas entre las nanopartículas de oro en las cadenas 1-D y las láminas 2-D fue de 8 a 10 nanómetros, lo que plantea interesantes posibilidades con respecto a los plasmónicos, el fenómeno por el cual un rayo de luz es confinado en espacios ultra-reducidos. La tecnología plasmónica es muy prometedora para las computadoras ultrarrápidas y la microscopía óptica, entre otras aplicaciones. Sin embargo, Un gran desafío para el desarrollo de plasmónicos ha sido la dificultad de fabricar metamateriales con nanopartículas de metales nobles como el oro.

"Nuestras películas delgadas de oro muestran un fuerte acoplamiento plasmónico a lo largo del espaciado entre partículas en las cadenas 1-D y las láminas 2-D respectivamente, "Dice Xu." Por lo tanto, deberíamos poder usar estas películas para investigar propiedades plasmónicas únicas para dispositivos electrónicos y fotónicos de próxima generación. Nuestra técnica supramolecular también podría usarse para fabricar metamateriales plasmónicos ".