Los investigadores han desarrollado una técnica novedosa para elaborar collares a escala nanométrica basados ​​en pequeñas estructuras en forma de estrella enhebradas en una columna polimérica. La técnica podría proporcionar una nueva forma de producir estructuras de shish kebab híbridas orgánicas-inorgánicas a partir de semiconductores, magnético, ferroeléctricos y otros materiales que pueden proporcionar propiedades útiles a nanoescala.

Los investigadores han fabricado hasta ahora nano-collares con hasta 55 nanodiscos. El proceso basado en plantillas produce copolímeros dibloques anfifílicos similares a gusanos mediante una técnica de polimerización viva en la que las estructuras poliméricas sirven como nanoreactores que forman estructuras nanocristalinas de conexión lateral basadas en una variedad de materiales precursores. Los nanodiscos tienen un promedio de diez nanómetros de diámetro y cuatro nanómetros de espesor, y están separados por dos nanómetros.

"Nuestro objetivo era desarrollar un pero robusto, estrategia para hacer una gran variedad de brochetas híbridas orgánico-inorgánico, "dijo Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta es una técnica general para hacer estas estructuras inusuales. Ahora que lo hemos demostrado, creemos que hay una lista casi interminable de materiales que podemos utilizar para fabricar estos nano-collares ".

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias. Los resultados estaban programados para ser publicados el 27 de marzo en la revista. Avances de la ciencia .

Los nano-collares unidimensionales podrían tener ópticas, electrónico, optoelectrónico aplicaciones magnéticas y de detección. Hasta ahora, los investigadores han producido estructuras a partir de seleniuro de cadmio (CdSe), titanato de bario (BaTiO3) y óxido de hierro (Fe3O4), pero creemos que también se podrían utilizar muchos otros materiales, incluido el oro.

La técnica comienza con la formación de complejos de inclusión hechos de alfa-ciclodextrinas, oligosacáridos cíclicos compuestos por seis unidades de glucosa. Las alfa-ciclodextrinas, que son huecos en el centro, se enroscan en una cadena de polietilenglicol (PEG) en un proceso de autoensamblaje establecido. La estructura polimérica en la que se enhebran las alfa-ciclodextrinas está cubierta por un agente de taponamiento más grande para retener las estructuras diminutas.

Cada alfa-ciclodextrina tiene 18 grupos hidroxilo (OH) que se pueden convertir en grupos bromo (Br) mediante un proceso de esterificación. A continuación, se cultivan estructuras de "nano-gusanos" de polímero Dibloque a partir de estos grupos bromo en solución. Formado a partir de poliestireno en bloque de poli (ácido acrílico) (PAA-b-PS), los copolímeros dibloque en forma de gusano están formados por bloques internos de poli (ácido acrílico) (PAA) que son hidrófilos, y bloques exteriores de poliestireno (PS) que son hidrófobos. Debido a que crecen tantos diblocks en cada alfa-ciclodextrina, su apiñamiento estira la columna vertebral del polímero.

Finalmente, los precursores de iones metálicos se incorporan preferentemente en el espacio ocupado por bloques PAA internos de nanoreactores de copolímero dibloque en forma de gusano, formando cristales. Estos cristales conectan las estructuras que alguna vez estuvieron separadas, creando los nano-collares, que se asemejan a pequeños ciempiés.

"Nos sorprendió ver que estos nano-kebabs crecieron en una sola estructura inorgánica utilizando los copolímeros dibloque parecidos a gusanos como nano-reactores, "dijo Lin." Bajo imágenes de microscopio electrónico de transmisión, se ven estructuras de kebab en forma de nanodisco situadas periódicamente en la brocha de polímero estirada ".

Las imágenes del microscopio electrónico de transmisión muestran claramente los kebabs en forma de nanodisco porque están hechos de materiales con altas densidades de electrones. Sin embargo, la conexión PEG shish no aparece porque es una sola cadena y su densidad de electrones es mucho menor.

La formación de las estructuras fue inicialmente sorprendente para el grupo de investigación de Lin, que esperaba producir estructuras parecidas a nanobarras o nanocables. Pero las simulaciones realizadas por el miembro del equipo Yuci Xu en la Universidad de Ningbo en China confirmaron la formación de las estructuras que estaban observando experimentalmente. Las simulaciones también permitieron predecir las dimensiones estructurales que se producirían.

"Basado en la simulación, pudimos entender el mecanismo de crecimiento de esta estructura en forma de nano collar, "dijo Lin." Este arreglo de nano-collar es muy capturado por la simulación. La simulación y los experimentos concuerdan bien, lo que aumentó nuestra confianza en que entendemos las estructuras ".

Con su técnica de crecimiento demostrada, los investigadores ahora quieren caracterizar las estructuras diminutas y establecer aplicaciones potenciales. Aunque todavía no se han estudiado, Lin cree que las estructuras que se basan en materiales semiconductores, podría, por ejemplo, tener aplicaciones electrónicas, con electrones que hacen un túnel a través de nanodiscos adyacentes.

"La importancia de este enfoque es que no existen limitaciones sobre los materiales que puede fabricar, y sin limitación en el tamaño y la forma de las estructuras que puede diseñar, ", dijo." Hay muchas características potencialmente ventajosas que pueden derivarse de este enfoque de nano-reactores ".

Existen otras técnicas para formar estructuras de nano-collar, pero ninguno usa una plantilla similar y un enfoque de nano-reactores, Dijo Lin.

En el trabajo futuro, El grupo de Lin planea examinar las propiedades de las estructuras que han construido, probar otros materiales potenciales, y examinar las aplicaciones que puedan ser apropiadas. Si bien las propiedades de los nanodiscos individuales se han estudiado antes, sus interacciones colectivas pueden proporcionar algunas propiedades potencialmente únicas.

"Este artículo representa una demostración intrigante de la formación de brochetas híbridas orgánico-inorgánico a escala nanométrica, ", dijo Lin." Estamos ansiosos por aprender más sobre las propiedades únicas que pueden tener, y explorar aplicaciones potenciales ".