Sarà studiata, con un progetto Prin, la comprensione e il controllo dell’organizzazione di strati ultrasottili complessi di nanoparticelle inorganiche alle interfacce liquide
La comprensione ed il controllo dell’organizzazione di strati ultrasottili complessi di nanoparticelle inorganiche alle interfacce liquide.
È lo scopo del progetto Reconfigurable Low-Dimensional Nano-Structures at Liquid Interfaces - ReLoDS - finanziato attraverso il bando “Progetti di Rilevante Interesse Nazionale 2022” del Ministero dell’Università e della Ricerca - che vede come principal investigator il prof. Giovanni Li Destri Nicosia del Dipartimento di Scienze chimiche dell’Università di Catania e la collaborazione del gruppo di ricerca del dott. Libero Liggieri della Unità di Ricerca di Genova dell’Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Icmate).
È, infatti, noto che le nanoparticelle (ovvero gli oggetti di dimensioni di poche decine di miliardesimi di metro) possono in certe condizioni assemblarsi spontaneamente, in strati ultrasottili dello spessore della singola particella, sulla superficie di un liquido nel quale sono state precedentemente disperse. È stato anche dimostrato che tale processo può essere favorito e mediato in seguito all’interazione delle nanoparticelle con molecole di tensioattivo.
L’utilizzo di nanoparticelle con specifiche funzionalità è ampiamente diffuso in svariati ambiti tecnologici come la fotonica, plasmonica, catalisi, elettronica, stabilizzazione di superfici complesse, emulsioni e schiume.
L’approccio portato avanti in questo progetto presenta importanti potenzialità in molteplici campi applicativi e possa rivelarsi uno strumento semplice e versatile per lo sviluppo di strati ultrasottili con struttura (e dunque proprietà) ottimizzate. Ciò richiede tuttavia una profonda comprensione e controllo dei meccanismi chimico-fisici attraverso i quali queste nano-strutture si auto-assemblano, e che, ad oggi, mancano.
Pertanto, utilizzando un approccio multi-tecnica, il progetto ha come obiettivo generale la comprensione dei processi chiave alla base del fenomeno, con particolare attenzione all’effetto dei costituenti chimici tensioattivi, sulle interazioni tra le nanoparticelle e, di conseguenza, sulla loro auto-organizzazione.
Le ricadute potenziali di questo progetto non sono soltanto applicative, ma potrebbero anche portare ad ampliare le nostre conoscenze sulle interazioni tra oggetti nanoscopici.
La teoria chimico-fisica DLVO (dal cognome dei quattro scienziati che hanno contribuito alla sua formulazione Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek), infatti, consente di descrivere e predire le interazioni tra particelle disperse in un fluido solo se esse hanno dimensioni non inferiori alle centinaia di miliardesimi di metro.
Il comportamento e le interazioni tra le nanoparticelle, invece, non possono essere descritti, né tantomeno predetti, dalla suddetta teoria.
Descrizione grafica dei diversi approcci impiegati per la riconfigurazione strutturale degli strati di nanoparticelle all’interfaccia
Parte del progetto sarà quindi dedicata alla determinazione quantitativa delle forze agenti tra le nanoparticelle di dimensioni nanometriche alle interfacce liquide, attraverso un approccio precedentemente sviluppato da Giovanni Li Destri Nicosia e che prevede anche l’impiego di una tecnica basata sulla luce di sincrotrone, ovvero di una radiazione di alta energia, estremamente intensa, generata da acceleratori circolari di elettroni di grandi dimensioni, chiamati appunto sincrotroni.
Gli esperimenti previsti con questa tecnica forniranno informazioni dettagliate sulle forze che agiscono tra nanoparticelle e che si propagano simultaneamente attraverso i due mezzi (tipicamente l’acqua e l’aria), che costituiscono l’interfaccia.
Il progetto studierà anche la possibilità di creare strati di particelle alle interfacce fluide con struttura riconfigurabile che possano dunque modificare la loro struttura e le loro proprietà in seguito a specifiche variazioni di stimoli esterni.
A questo scopo, verranno utilizzati tre diversi approcci: la modifica della composizione per modificare le interazioni tra le nanoparticelle; la deformazione degli strati (compressioni ed espansioni) per addensare o rarefare gli strati stessi; l’utilizzo di additivi tensioattivi fotosensibili che da una parte promuovano l’auto-organizzazione delle nanoparticelle all’interfaccia e dall’altra, attraverso opportuni stimoli luminosi, ne inducano la riorganizzazione.
Il progetto si avvarrà delle competenze complementari dei due gruppi di ricerca.
Il gruppo dell’ateneo catanese è coordinato dal prof. Giovanni Li Destri Nicosia che per gran parte della sua attività di ricerca si è occupato della caratterizzazione strutturale di strati sottili ed ultrasottili formati spontaneamente su superfici solide e liquide. Recentemente ha indirizzato il suo interesse anche verso lo studio delle forze che agiscono tra nanoparticelle.
Il gruppo di ricerca del Cnr-Icmate ha competenze internazionalmente riconosciute nella chimica fisica delle interfacce di liquidi complessi e nella misura e nella trattazione teorica delle proprietà dinamiche di strati assemblati alle interfacce liquide, consolidate attraverso molti progetti, tra cui spiccano alcuni sovvenzionati dalla European Space Agency (ESA), relativi a studi effettuati su interfacce liquide ed emulsioni a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e durante missioni della Space Shuttle.
Giovanni Li Destri Nicosia