Los días en que las nanopartículas autoensambladas tardaban horas en formar una película sobre una oblea de tamaño microscópico han terminado. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han ideado una técnica mediante la cual las matrices de nanopartículas de autoensamblaje pueden formar una película delgada altamente ordenada sobre distancias macroscópicas en un minuto.

Ting Xu, un científico de polímeros de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, dirigió un estudio en el que supramoléculas basadas en copolímeros de bloque se combinaron con nanopartículas de oro para crear nanocompuestos que, bajo el recocido con solvente, se autoensamblaban rápidamente en películas delgadas estructuradas jerárquicamente que abarcaban un área de varios centímetros cuadrados. La técnica es compatible con los procesos de nanofabricación actuales y tiene el potencial de generar nuevas familias de recubrimientos ópticos para aplicaciones en un amplio número de áreas, incluida la energía solar, nanoelectrónica y almacenamiento de memoria informática. Esta técnica podría incluso abrir nuevas vías para la fabricación de metamateriales, nanoconstrucciones artificiales que poseen propiedades ópticas notables.

"Nuestra técnica puede generar rápidamente asombrosos ensamblajes de nanopartículas en áreas tan grandes como una oblea de silicio, "dice Xu, quien también tiene una cita conjunta con los Departamentos de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California (UC) Berkeley, y Química. "Puedes pensar en ello como una masa para panqueques que puedes esparcir sobre una plancha, espera un minuto y tendrás un panqueque listo para comer ".

Xu es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza titulado "Fabricación rápida de películas delgadas de nanocompuestos supramoleculares estructuradas jerárquicamente en un minuto". Los coautores son Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang y Cheng Sun.

Las nanopartículas funcionan como átomos artificiales con ópticas únicas, propiedades eléctricas y mecánicas. Si se puede inducir a las nanopartículas a autoensamblarse en estructuras complejas y patrones jerárquicos, similar a lo que hace la naturaleza con las proteínas, permitiría la producción en masa de dispositivos mil veces más pequeños que los que se utilizan en la microtecnología actual.

Xu y su grupo de investigación han avanzado constantemente hacia este objetivo final. Más recientemente, su atención se ha centrado en el uso de soluciones supramoleculares basadas en copolímeros de bloque para dirigir el autoensamblaje de matrices 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 basadas en 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 supramoléculas proporcionan un marco estructural ideal para el autoensamblaje de matrices de nanopartículas ".

En la técnica supramolecular ideada por Xu y sus colegas, Se incorporaron matrices de nanopartículas de oro en soluciones de supramoléculas para formar películas de unos 200 nanómetros de espesor. A través del recocido solvente, utilizando cloroformo como disolvente, las matrices de nanopartículas se organizaron en microdominios cilíndricos tridimensionales que se empaquetaron en redes hexagonales distorsionadas en orientación paralela con la superficie. Esta demostración de control estructural jerárquico en el autoensamblaje de nanopartículas fue impresionante, pero fue solo la mitad del juego.

"Para ser compatible con los procesos de nanofabricación, El proceso de fabricación de autoensamblaje también debe completarse en unos pocos minutos para minimizar cualquier degradación de las propiedades de las nanopartículas causada por la exposición al entorno de procesamiento. "Dice Xu.

Ella y su grupo analizaron sistemáticamente la termodinámica y la cinética del autoensamblaje en sus películas delgadas de nanocompuestos supramoleculares tras la exposición al vapor del solvente. Descubrieron que al optimizar un solo parámetro, la cantidad de disolvente, La cinética de ensamblaje podría adaptarse con precisión para producir películas delgadas estructuradas jerárquicamente en un solo minuto.

"Al construir nuestras supramoléculas basadas en copolímeros de bloque a partir de pequeñas moléculas unidas de forma no covalente a las cadenas laterales del polímero, cambiamos el panorama energético para que el contenido de solventes se convirtiera en el factor más importante, "Dice Xu." Esto nos permitió lograr un orden rápido de las matrices de nanopartículas con la adición de solo una cantidad muy pequeña de solvente, aproximadamente el 30 por ciento de la fracción de una película de 200 nanómetros de espesor ".

Las propiedades ópticas de las películas delgadas de nanocompuestos dependen de las propiedades de las nanopartículas individuales y de distancias entre partículas bien definidas en diferentes direcciones. Dado que las dimensiones de las matrices de nanopartículas de oro son al menos un orden de magnitud más pequeñas que las longitudes de onda de la luz visible, la técnica supramolecular de Xu y sus colegas tiene un gran potencial para utilizarse en la fabricación de metamateriales. Estos materiales artificiales han atraído mucha atención en los últimos años porque sus propiedades electromagnéticas son inalcanzables en materiales naturales. Por ejemplo, un metamaterial puede tener un índice de refracción negativo, la capacidad de doblar la luz hacia atrás, a diferencia de todos los materiales que se encuentran en la naturaleza, que doblan la luz hacia adelante.

"Nuestras películas delgadas de nanocompuestos de oro exhiben una fuerte anisotropía óptica dependiente de la longitud de onda que se puede adaptar simplemente variando el tratamiento con solvente, ", Dice Xu. Esto presenta una alternativa viable a la litografía para hacer metamateriales".

Mientras Xu y sus colegas usaron nanopartículas de oro en sus películas, el enfoque supramolecular también es compatible con nanopartículas de otras composiciones químicas.

"Deberíamos poder crear una biblioteca de ensamblajes de nanopartículas diseñados para la manipulación de la luz y otras propiedades, "Xu dice, "utilizando una técnica que es compatible con los procesos de nanofabricación más utilizados en la actualidad, incluido el revestimiento de la cuchilla, impresión por chorro de tinta y recocido de zona dinámica ".