Il solvente "magico" crea film sottili più resistenti

14 febbraio 2023 (Notizie Nanowerk) Una nuova tecnica di polimerizzazione completamente a secco utilizza vapori reattivi per creare film sottili con proprietà migliorate, come resistenza meccanica, cinetica e morfologia. Il processo di sintesi è più rispettoso dell’ambiente rispetto alla produzione tradizionale ad alta temperatura o basata su soluzioni e potrebbe portare a rivestimenti polimerici migliorati per la microelettronica, batterie avanzate e prodotti terapeutici. “Questa tecnica scalabile di polimerizzazione iniziata con deposizione chimica in fase vapore ci consente di creare nuovi materiali, senza riprogettare o rinnovare l’intera chimica. Aggiungiamo semplicemente un solvente 'attivo'”, ha affermato Rong Yang, assistente professore presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering della Cornell Engineering. “È un po' come un Lego. Fai squadra con un nuovo pezzo di collegamento. C'è un sacco di cose che puoi costruire ora che prima non potevi fare." Questa immagine al microscopio mostra un rivestimento iniziato con deposizione di vapore chimico realizzato dal dottorando Pengyu Chen nel laboratorio di Rong Yang, assistente professore presso la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering della Cornell Engineering. (Immagine: Cornell University) Yang ha collaborato al progetto con Jingjie Yeo, professore assistente alla Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, e Shefford Baker, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. Il documento del gruppo pubblicato in Sintesi della natura ("Soluzione ingegneristica nella deposizione chimica in fase vapore avviata per il controllo della cinetica di polimerizzazione e delle proprietà dei materiali"). L'autore principale è il dottorando Pengyu Chen. Yang e Yeo sono co-autori senior. La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un processo comune utilizzato per realizzare materiali in nanostrati inorganici privi di difetti nella produzione di semiconduttori e nella produzione di microchip per computer. Poiché il processo richiede che i materiali vengano riscaldati a migliaia di gradi, i polimeri organici non se la passano bene. Le tecniche di polimerizzazione CVD come la CVD iniziata (iCVD) sono controparti a bassa temperatura sviluppate per la sintesi dei polimeri. Tuttavia, è anche limitante, ha detto Yang, perché “nel corso degli anni, le persone sono cresciute fino al limite della chimica che è possibile ottenere con questo metodo”. Il laboratorio di Yang studia come i polimeri depositati dal vapore interagiscono con i batteri patogeni e come i batteri, a loro volta, colonizzano i rivestimenti polimerici, dalla vernice utilizzata negli scafi delle navi al rivestimento per i dispositivi biomedici. Lei e Chen hanno cercato di sviluppare un approccio diverso per diversificare i polimeri CVD prendendo in prestito un concetto dalle soluzioni di sintesi convenzionali: l'uso di un solvente "magico", ovvero una molecola di vapore inerte, che non viene incorporata nel materiale finale, ma invece interagisce con un precursore in modo tale da produrre nuove proprietà del materiale a temperatura ambiente. "È una vecchia chimica ma con nuove funzionalità", ha detto Yang. Il solvente in questo caso ha interagito con un comune monomero CVD tramite legame idrogeno. "È un meccanismo nuovo, sebbene il concetto sia semplice ed elegante", ha detto Chen. “Sulla base di questa interessante strategia, stiamo sviluppando una scienza solida e generalizzabile dell’ingegneria della solvatazione”. Yang e Chen si sono poi rivolti a Yeo, il cui laboratorio ha simulato la dinamica molecolare dietro l'interazione tra solvente e monomero e come potrebbe essere regolata la loro stechiometria, o equilibrio chimico. "Abbiamo distinto gli effetti di diversi solventi su scala molecolare e abbiamo osservato chiaramente quali molecole di solvente erano più inclini a legarsi con il monomero", ha detto Yeo. “In questo modo potremo eventualmente valutare quali pezzi Lego saranno in grado di adattarsi meglio tra loro”. I ricercatori hanno portato il film sottile risultante al laboratorio di Baker, che ha utilizzato test di nanoindentazione per studiarlo e ha scoperto che il meccanismo di solvatazione aveva rafforzato il materiale. Il solvente ha inoltre causato una crescita più rapida del rivestimento polimerico, modificandone la morfologia. Questo metodo può ora essere applicato a vari metacrilati e monomeri vinilici, essenzialmente a qualsiasi cosa abbia un rivestimento polimerico, come i materiali dielettrici nella microelettronica, il rivestimento antivegetativo negli scafi delle navi e le membrane di separazione che consentono la purificazione nel trattamento delle acque reflue. La tecnica potrebbe anche consentire ai ricercatori di manipolare la permeabilità dei prodotti farmaceutici per un rilascio controllato del farmaco. “Ciò aggiunge una nuova dimensione alla progettazione dei materiali. Si possono immaginare tutti i tipi di solventi che potrebbero formare legami idrogeno con il monomero e manipolare la cinetica di reazione in modo diverso. Oppure puoi avere molecole di solvente incorporate nel tuo materiale in modo permanente, se progetti correttamente l’interazione molecolare”, ha detto Yang.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62366.php