R:Un esquema del método de síntesis de copolímeros de bloque que incluye el autoensamblaje de nanopartículas de oro y platino. B. Estructura molecular del copolímero de bloques utilizado. C. Estructura molecular de ligandos estabilizadores unidos al oro y al platino. D. Datos de cromatografía de exclusión por tamaño para diferentes pasos de síntesis de polímeros. Crédito:Grupo Wiesner
Durante casi dos décadas, Los científicos de Cornell han desarrollado procesos para usar polímeros para autoensamblar nanopartículas inorgánicas en estructuras porosas que podrían revolucionar la electrónica. energía y más.
Este proceso ahora se ha llevado a un nivel de precisión sin precedentes utilizando nanopartículas metálicas, y está respaldado por un análisis riguroso de los detalles teóricos detrás de por qué y cómo estas partículas se ensamblan con los polímeros. Una comprensión tan profunda de la compleja interacción entre la química y la física que impulsan el autoensamblaje complejo allana el camino para que estos nuevos materiales entren en muchas aplicaciones, desde la electrocatálisis en pilas de combustible hasta la conductancia de voltaje en circuitos.
Ulrich Wiesner, el profesor de materiales Spencer T.Olin Ciencias e Ingeniería, dirigió el que probablemente sea el estudio más completo hasta la fecha sobre los procesos de autoensamblaje de nanopartículas de copolímeros en bloque. El estudio fue publicado en línea el 21 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza .
Desde fuera, el proceso parece bastante simple. Comience con partículas de platino y oro que crecen a partir de un precursor. Una sustancia química llamada ligando recubre las partículas y controla con precisión su tamaño. Agregue a esto moléculas diseñadas llamadas copolímeros de bloque, cadenas largas de dos o tres materiales orgánicos. Los polímeros se combinan con las nanopartículas de platino y oro, todos los cuales se ensamblan en orden, cúbico, estructuras tridimensionales. Grabe el polímero, y lo que queda son decenas de nanopartículas que forman redes cúbicas tridimensionales porosas.
La microscopía electrónica de transmisión muestra redes de nanopartículas metálicas después de la eliminación del copolímero que actuó como un andamio estructural para las partículas. Crédito:Grupo Wiesner
Cada paso, desde la estructura exacta de los ligandos, a la síntesis de los polímeros:requiere una química precisa y una comprensión detallada de la función de cada material. El análisis de Nature Communications se basó en la experiencia de colaboradores en tomografía electrónica, microscopía de energía dispersiva y teoría de la percolación. Por ejemplo, colaboradores de la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología utilizaron tomografía electrónica para mapear la ubicación de cada partícula en las muestras, que luego podrían compararse con las predicciones teóricas. El resultado es un conjunto completo de criterios de diseño que podrían llevar a preparar estas redes de partículas para el procesamiento de soluciones a mayor escala.
"No solo podemos fabricar estos materiales, pero a través de la tomografía electrónica en particular, podemos analizar estas estructuras a una profundidad que simplemente no se había hecho antes, ", Dijo Wiesner." La comparación con la teoría nos permite comprender completamente los mecanismos físicos por los que se forman estas estructuras ".
¿Por qué prestar tanta atención a estas redes de nanopartículas autoensambladas? Están hechos de una manera que nunca sucedería en la naturaleza o por medios convencionales de laboratorio. Son uniformemente porosos con una gran superficie y, por lo tanto, son altamente catalíticos y potencialmente útiles para aplicaciones energéticas.
Quizás lo mejor de todo, trabajar con polímeros significa rentable, El procesamiento a gran escala podría ser muy sencillo.
Reconstrucción por tomografía electrónica de nanopartículas de platino (rojo) en estructuras de red, en comparación con los resultados de la teoría de campo autoconsistente (azul). Crédito:Grupo Wiesner
Varias décadas de ciencia de los polímeros le han dado al mundo una escalabilidad eficiente sin igual en el mundo de los materiales:piense en la producción de plásticos. Wiesner y sus colegas han probado el concepto de nanopartículas de metal autoensambladas utilizando un procesamiento de solución basado en copolímeros de bloque que va más allá del "frasco de vidrio en un laboratorio, "Dijo Wiesner.
"Ahora que entendemos cómo funciona todo, nuestro proceso se presta fácilmente a la producción a gran escala de dichos materiales, " él dijo.
