09 dic 2023 (Faretto Nanowerk) Nanotecnologia – la manipolazione della materia su scala atomica e molecolare – ha aperto possibilità sorprendenti in tutte le discipline scientifiche. In particolare, l’assemblaggio dal basso verso l’alto di elementi costitutivi su scala nanometrica promette una produzione di massa a prezzi accessibili di dispositivi complessi con potenti capacità. Tuttavia, permangono seri ostacoli nel trasformare le dimostrazioni di laboratorio in processi di produzione reali. Un obiettivo ambito è la fabbricazione rapida ed economica di rivestimenti altamente uniformi realizzati con nanoparticelle. Disponendo attentamente un gran numero di nanoparticelle su misura su ampie aree superficiali, i ricercatori mirano a creare nanoparticelle simili a fogli metasuperfici esibiscono proprietà meccaniche, elettroniche e ottiche uniche. Le applicazioni spaziano dalle celle solari di prossima generazione, ai dispositivi ultra efficienti che emettono luce, ai sensori di pressione flessibili e ai display con colori innaturalmente vibranti. Sfortunatamente, nonostante le promettenti dimostrazioni su piccola scala, enormi sfide hanno frustrato il progresso verso l’assemblaggio scalabile di nanoparticelle. La produzione di pellicole cristalline di nanoparticelle impeccabili su aree che vanno da metri quadrati a metri quadrati richiede macchine estremamente complesse in rigorose condizioni di laboratorio. Ciò rende i metodi esistenti inadatti e inaccessibili per la produzione in grandi volumi. Ora, un approccio innovativo dei ricercatori dell’Università del Texas ad Austin dimostra un’alternativa trasformativa. La nuova tecnica di assemblaggio diretto dell'aerosol dimostra una produttività e una scalabilità notevoli, pur facendo affidamento su attrezzature accessibili ed economiche. Affrontando un importante collo di bottiglia nella produzione, questo progresso dirompente apre la porta alle tecnologie commerciali delle nanoparticelle che potrebbero plasmare il nostro futuro nel campo dell’energia, dell’informatica e della medicina. Il team ha pubblicato i risultati in Materiale avanzato ("Autoassemblaggio altamente scalabile di monostrati di nano e microparticelle tramite deposizione assistita da aerosol").
a) Diagramma schematico dell'ugello di aerosolizzazione che genera goccioline di erogazione su scala micron che trasportano particelle colloidali submicroniche. b) Diagramma schematico del sistema di autoassemblaggio monostrato. c) Flusso del processo che mostra l'autoassemblaggio di particelle colloidali submicroniche che si autoassemblano su un'interfaccia aria-acqua in funzione del tempo di iniezione. (A sinistra) Goccioline atomizzate di goccioline di erogazione di alcol acquoso (arancione) colpiscono la superficie dell'acqua (blu). L'alcol genera un gradiente di tensione superficiale (arancione) che spinge le particelle colloidali submicroniche (bianche) radialmente lontano dal punto di impatto. Nel corso del tempo l'iniezione continua fa sì che le particelle submicroniche si accumulino in un anello e si auto-assemblano in un monostrato ordinato (a destra). (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) Il nuovo metodo, soprannominato autoassemblaggio assistito da aerosol, sfrutta un ugello di spruzzatura ad ultrasuoni per generare una nebbia sottile contenente le nanoparticelle sospese in goccioline liquide di dimensioni di appena micron. Questo aerosol carico di nanoparticelle viene focalizzato in un raggio stretto e puntato sulla superficie di un bagnomaria. Quando le microgocce colpiscono l’acqua, le nanoparticelle vengono trasferite in modo efficiente all’interfaccia aria-acqua, dove si autoassemblano rapidamente in un monostrato ordinato. La svolta sta nell’utilizzo di un ugello di spruzzatura a ultrasuoni, che sfrutta trasduttori piezoelettrici che vibrano a 120 kilohertz per generare una sottile nebbia di aerosol dalla soluzione di nanoparticelle. Questa nebbia contiene goccioline liquide discrete di soli 15-25 micron di diametro. Concentrando queste goccioline in un raggio stretto puntato sulla superficie dell'acqua, le nanoparticelle possono essere trasferite in modo efficiente all'interfaccia aria-acqua quando le goccioline colpiscono. La fisica sottostante prevede il delicato bilanciamento della tensione interfacciale e la dissipazione dell'energia cinetica delle goccioline per evitare la rottura della superficie dell'acqua. Ciò impedisce la perdita di nanoparticelle nel liquido sfuso. Nel frattempo, le molecole di tensioattivo nell’aerosol inducono forti flussi superficiali lungo l’interfaccia aria-acqua tramite l’effetto Marangoni. Ciò aiuta a spingere le nanoparticelle lontano dal sito di impatto senza aggregazione.
a–d) Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) di monostrati di nanoparticelle (NP) autoassemblati a basso Φ (a, b) e alto Φ (c, d) e soluzioni colloidali con basso |𝜁| (a,c) e alto |𝜁| (b,d). Trasformata di Fourier di monostrati NP autoassemblati preparati tramite il Metodo 2 con |𝜁| = 30 mV (e,g), |𝜁| = 70 mV(f,h). Tutte le barre della scala mostrate sono 5 μm. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) Un vantaggio chiave di questa tecnica è la velocità. I ricercatori hanno dimostrato velocità di autoassemblaggio delle nanoparticelle fino a 268 centimetri quadrati al minuto, 93 volte più veloci rispetto allo stato dell’arte precedente. Un assemblaggio così rapido facilita la fabbricazione scalabile di fogli di nanoparticelle su ampie aree superficiali. Questo ha rappresentato un ostacolo duraturo per le applicazioni nel mondo reale di questi nanomateriali. Lo studio fornisce nuove informazioni sui fattori fisici che governano il trasferimento e l'assemblaggio efficienti delle nanoparticelle durante il processo. Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che personalizzare la carica elettrica delle nanoparticelle è fondamentale. Le nanoparticelle con un'elevata carica elettrica, o potenziale zeta, si autoassemblano in cristalli altamente ordinati in modo molto più efficace. Tali particelle cariche resistono all’adesione irreversibile, consentendo ai difetti nella nanostruttura in crescita di autocorreggersi nel tempo. Attraverso un attento controllo delle proprietà superficiali delle nanoparticelle e del flusso di deposizione, i ricercatori hanno fabbricato assemblaggi eccezionalmente uniformi e privi di difetti di nanocristalli con un'area di oltre 50 pollici quadrati. Questa è una scala rilevante per la produzione commerciale. Curiosamente, la tecnica ha anche assemblato con successo nanoparticelle più complesse, comprese particelle con nucleo-guscio di silicio-titanio con un rivestimento polimerico esterno. Ciò dimostra la potenziale compatibilità con una vasta gamma di nanomateriali. I fogli di nanoparticelle mantengono la loro integrità strutturale quando vengono trasferiti su una varietà di superfici, compreso un substrato sferico curvo. Questa flessibilità potrebbe consentire la creazione di modelli ottici di prossima generazione o anche dispositivi flessibili e indossabili. Per evidenziare potenziali applicazioni, i ricercatori hanno utilizzato la loro tecnica per fabbricare rivestimenti ottici vividi che esibivano un'intensa colorazione strutturale. Offrendo una fabbricazione rapida, scalabilità e un’ampia flessibilità dei materiali, il nuovo metodo di assemblaggio diretto tramite aerosol fornisce una piattaforma fondamentale per tradurre una serie di innovazioni di laboratorio in tecnologie commerciali di nanoparticelle. Il responsabile del progetto, il professor Edward Yu, ha osservato che la loro tecnica è altamente modulare e sfrutta attrezzature già comuni negli ambienti di produzione industriale. La bassa complessità e l’elevata produttività potrebbero presto rendere competitivi in termini di costi i metamateriali ottici complessi, il fotovoltaico ultra efficiente e i nanodispositivi flessibili precedentemente inaccessibili con tecnologie meno sofisticate. Questo nuovo paradigma produttivo potrebbe aiutare i mercati pionieristici per la nanotecnologia nelle economie emergenti. Con un ulteriore sviluppo, Yu suggerisce che l’autoassemblaggio diretto tramite aerosol di nanoparticelle potrebbe integrare o addirittura sostituire i metodi litografici esistenti per la nanofabbricazione, sbloccando nuove opportunità in tutte le discipline scientifiche.
a) Diagramma schematico dell'ugello di aerosolizzazione che genera goccioline di erogazione su scala micron che trasportano particelle colloidali submicroniche. b) Diagramma schematico del sistema di autoassemblaggio monostrato. c) Flusso del processo che mostra l'autoassemblaggio di particelle colloidali submicroniche che si autoassemblano su un'interfaccia aria-acqua in funzione del tempo di iniezione. (A sinistra) Goccioline atomizzate di goccioline di erogazione di alcol acquoso (arancione) colpiscono la superficie dell'acqua (blu). L'alcol genera un gradiente di tensione superficiale (arancione) che spinge le particelle colloidali submicroniche (bianche) radialmente lontano dal punto di impatto. Nel corso del tempo l'iniezione continua fa sì che le particelle submicroniche si accumulino in un anello e si auto-assemblano in un monostrato ordinato (a destra). (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) Il nuovo metodo, soprannominato autoassemblaggio assistito da aerosol, sfrutta un ugello di spruzzatura ad ultrasuoni per generare una nebbia sottile contenente le nanoparticelle sospese in goccioline liquide di dimensioni di appena micron. Questo aerosol carico di nanoparticelle viene focalizzato in un raggio stretto e puntato sulla superficie di un bagnomaria. Quando le microgocce colpiscono l’acqua, le nanoparticelle vengono trasferite in modo efficiente all’interfaccia aria-acqua, dove si autoassemblano rapidamente in un monostrato ordinato. La svolta sta nell’utilizzo di un ugello di spruzzatura a ultrasuoni, che sfrutta trasduttori piezoelettrici che vibrano a 120 kilohertz per generare una sottile nebbia di aerosol dalla soluzione di nanoparticelle. Questa nebbia contiene goccioline liquide discrete di soli 15-25 micron di diametro. Concentrando queste goccioline in un raggio stretto puntato sulla superficie dell'acqua, le nanoparticelle possono essere trasferite in modo efficiente all'interfaccia aria-acqua quando le goccioline colpiscono. La fisica sottostante prevede il delicato bilanciamento della tensione interfacciale e la dissipazione dell'energia cinetica delle goccioline per evitare la rottura della superficie dell'acqua. Ciò impedisce la perdita di nanoparticelle nel liquido sfuso. Nel frattempo, le molecole di tensioattivo nell’aerosol inducono forti flussi superficiali lungo l’interfaccia aria-acqua tramite l’effetto Marangoni. Ciò aiuta a spingere le nanoparticelle lontano dal sito di impatto senza aggregazione.
a–d) Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) di monostrati di nanoparticelle (NP) autoassemblati a basso Φ (a, b) e alto Φ (c, d) e soluzioni colloidali con basso |𝜁| (a,c) e alto |𝜁| (b,d). Trasformata di Fourier di monostrati NP autoassemblati preparati tramite il Metodo 2 con |𝜁| = 30 mV (e,g), |𝜁| = 70 mV(f,h). Tutte le barre della scala mostrate sono 5 μm. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) Un vantaggio chiave di questa tecnica è la velocità. I ricercatori hanno dimostrato velocità di autoassemblaggio delle nanoparticelle fino a 268 centimetri quadrati al minuto, 93 volte più veloci rispetto allo stato dell’arte precedente. Un assemblaggio così rapido facilita la fabbricazione scalabile di fogli di nanoparticelle su ampie aree superficiali. Questo ha rappresentato un ostacolo duraturo per le applicazioni nel mondo reale di questi nanomateriali. Lo studio fornisce nuove informazioni sui fattori fisici che governano il trasferimento e l'assemblaggio efficienti delle nanoparticelle durante il processo. Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che personalizzare la carica elettrica delle nanoparticelle è fondamentale. Le nanoparticelle con un'elevata carica elettrica, o potenziale zeta, si autoassemblano in cristalli altamente ordinati in modo molto più efficace. Tali particelle cariche resistono all’adesione irreversibile, consentendo ai difetti nella nanostruttura in crescita di autocorreggersi nel tempo. Attraverso un attento controllo delle proprietà superficiali delle nanoparticelle e del flusso di deposizione, i ricercatori hanno fabbricato assemblaggi eccezionalmente uniformi e privi di difetti di nanocristalli con un'area di oltre 50 pollici quadrati. Questa è una scala rilevante per la produzione commerciale. Curiosamente, la tecnica ha anche assemblato con successo nanoparticelle più complesse, comprese particelle con nucleo-guscio di silicio-titanio con un rivestimento polimerico esterno. Ciò dimostra la potenziale compatibilità con una vasta gamma di nanomateriali. I fogli di nanoparticelle mantengono la loro integrità strutturale quando vengono trasferiti su una varietà di superfici, compreso un substrato sferico curvo. Questa flessibilità potrebbe consentire la creazione di modelli ottici di prossima generazione o anche dispositivi flessibili e indossabili. Per evidenziare potenziali applicazioni, i ricercatori hanno utilizzato la loro tecnica per fabbricare rivestimenti ottici vividi che esibivano un'intensa colorazione strutturale. Offrendo una fabbricazione rapida, scalabilità e un’ampia flessibilità dei materiali, il nuovo metodo di assemblaggio diretto tramite aerosol fornisce una piattaforma fondamentale per tradurre una serie di innovazioni di laboratorio in tecnologie commerciali di nanoparticelle. Il responsabile del progetto, il professor Edward Yu, ha osservato che la loro tecnica è altamente modulare e sfrutta attrezzature già comuni negli ambienti di produzione industriale. La bassa complessità e l’elevata produttività potrebbero presto rendere competitivi in termini di costi i metamateriali ottici complessi, il fotovoltaico ultra efficiente e i nanodispositivi flessibili precedentemente inaccessibili con tecnologie meno sofisticate. Questo nuovo paradigma produttivo potrebbe aiutare i mercati pionieristici per la nanotecnologia nelle economie emergenti. Con un ulteriore sviluppo, Yu suggerisce che l’autoassemblaggio diretto tramite aerosol di nanoparticelle potrebbe integrare o addirittura sostituire i metodi litografici esistenti per la nanofabbricazione, sbloccando nuove opportunità in tutte le discipline scientifiche.
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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