Los materiales a nanoescala nos presentan propiedades químicas y físicas asombrosas que ayudan a materializar aplicaciones como la detección molecular única y la terapia fototérmica mínimamente invasiva, que alguna vez fueron solo teorías, en realidad.
Las capacidades únicas de las nanopartículas las convierten en materiales lucrativos para una amplia gama de aplicaciones tanto con fines industriales como de investigación. Sin embargo, lograr esto último se vuelve difícil debido a la falta de una técnica para la transferencia rápida y uniforme de una monocapa de nanopartículas, que es crucial para la fabricación de dispositivos.
Una posible salida a este dilema es adoptar procesos de ensamblaje electrostático en los que las nanopartículas se adhieren a una superficie con carga opuesta y, una vez que se forma una monocapa, las nanopartículas autolimitan el ensamblaje adicional al repeler otras nanopartículas con carga similar lejos de la superficie. Lamentablemente, este proceso puede llevar mucho tiempo.
Si bien los métodos artificiales luchan contra estos inconvenientes, los procesos de adhesión submarina que se encuentran en la naturaleza han evolucionado hasta convertirse en estrategias únicas para superar este problema.
En este sentido, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, dirigido por Ph.D. El estudiante Doeun Kim (primer autor) y el profesor asistente Hyeon-Ho Jeong (autor correspondiente), han desarrollado una técnica de ensamblaje de nanopartículas de un solo disparo "inspirada en los mejillones" que transporta materiales desde el agua en volúmenes microscópicos a obleas de 2 pulgadas en 10 segundos. al tiempo que permite el ensamblaje monocapa 2D con una excelente cobertura de superficie de alrededor del 40%.
Su trabajo fue publicado en Materiales Avanzados y resaltado como frontispicio.
"Nuestro enfoque clave para superar el desafío existente provino de una observación sobre cómo los mejillones alcanzan la superficie objetivo contra el agua. Vimos que los mejillones irradian simultáneamente aminoácidos para disociar las moléculas de agua en la superficie, lo que permite una rápida unión del adhesivo químico en la superficie objetivo. ", explica la Sra. Kim, hablando de la motivación detrás de este enfoque único inspirado en la naturaleza.
"Nos dimos cuenta de que existía una situación análoga en la que introducíamos un exceso de protones para eliminar los grupos hidroxilo de la superficie objetivo, aumentando así la fuerza de atracción electrostática entre las nanopartículas y la superficie y acelerando el proceso de ensamblaje".
Los investigadores diseñaron el potencial de la superficie electrostática tanto para la superficie objetivo como para las nanopartículas, impulsado por la dinámica de protones. Esto llevó a que las nanopartículas quedaran atrapadas en la superficie objetivo de manera uniforme en cuestión de segundos.
Para probar la eficacia de introducir ingeniería de protones en el proceso de ensamblaje electrostático, el equipo comparó el tiempo de ensamblaje de la monocapa con las técnicas utilizadas convencionalmente. Los resultados indicaron que la velocidad de recubrimiento de la nueva técnica era de 100 a 1000 veces más rápida que los métodos informados anteriormente. La razón detrás de esta difusión acelerada y ensamblaje de nanopartículas estaba relacionada con la capacidad de los protones para eliminar grupos hidroxilo no deseados en el área objetivo.
Los investigadores descubrieron además que la naturaleza sensible a la carga del proceso subyacente permite una "curación" determinista de películas monocapa y nanopatrones de "recogida y colocación" a escala de oblea. Además, la técnica propuesta también permite la fabricación de metasuperficies reflectantes a todo color a nivel de oblea mediante arquitectura plasmónica, abriendo así nuevas vías para la producción de pinturas a todo color y dispositivos de cifrado óptico.
Esta nueva prueba de concepto inspirada en la naturaleza es un paso importante hacia una amplia aceptación de los materiales monocapa de nanomateriales funcionales.
"Prevemos que esta investigación acelerará el impacto de los nanomateriales funcionales en nuestras vidas y avanzará en la producción en masa de películas monocapa, facilitando así una amplia gama de aplicaciones, que van desde dispositivos fotónicos y electrónicos hasta nuevos materiales funcionales para aplicaciones energéticas y medioambientales. ", concluye el profesor Jeong.
Más información: Doeun Kim et al, Ensamblaje asistido por protones de nanopartículas coloidales en monocapas a escala de oblea en segundos, Materiales avanzados (2024). DOI:10.1002/adma.202313299
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju
