Auto-montagem de nanopartículas - Self-assembly of nanoparticles

Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de uma nanopartícula de óxido de ferro . Os pontos dispostos regularmente dentro da borda tracejada são colunas de átomos de Fe. A inserção à esquerda é o padrão de difração de elétrons correspondente . Barra de escala: 10 nm.

Nanopartículas de óxido de ferro podem ser dispersas em um solvente orgânico ( tolueno ). Após sua evaporação, eles podem se automontar (painéis esquerdo e direito) em mesocristais de tamanho mícron (centro) ou multicamadas (direita). Cada ponto na imagem à esquerda é um cristal "atômico" tradicional mostrado na imagem acima. Barras de escala: 100 nm (esquerda), 25 μm (centro), 50 nm (direita).

As nanopartículas são classificadas como tendo pelo menos uma de três dimensões na faixa de 1-100 nm. O pequeno tamanho das nanopartículas permite que tenham características únicas que podem não ser possíveis em macroescala. A automontagem é a organização espontânea de subunidades menores para formar padrões maiores e bem organizados. Para as nanopartículas, essa montagem espontânea é uma consequência das interações entre as partículas com o objetivo de atingir o equilíbrio termodinâmico e reduzir a energia livre do sistema. A definição termodinâmica de automontagem foi introduzida por Nicholas A. Kotov. Ele descreve a automontagem como um processo em que os componentes do sistema adquirem uma distribuição espacial não aleatória em relação uns aos outros e aos limites do sistema. Esta definição permite considerar os fluxos de massa e energia que ocorrem nos processos de automontagem.

Esse processo ocorre em todas as escalas de tamanho, na forma de automontagem estática ou dinâmica. A automontagem estática utiliza interações entre as nanopartículas para atingir um mínimo de energia livre. Em soluções, é o resultado do movimento aleatório das moléculas e da afinidade de seus locais de ligação entre si. Um sistema dinâmico é forçado a não atingir o equilíbrio ao fornecer ao sistema uma fonte de energia externa contínua para equilibrar as forças de atração e repulsão. Campos magnéticos, campos elétricos, campos de ultrassom, campos de luz, etc., todos têm sido usados como fontes externas de energia para programar enxames de robôs em pequenas escalas. A automontagem estática é significativamente mais lenta em comparação com a automontagem dinâmica, pois depende das interações químicas aleatórias entre as partículas.

A automontagem pode ser dirigida de duas maneiras. A primeira é manipulando as propriedades intrínsecas, o que inclui alterar a direcionalidade das interações ou alterar a forma das partículas. A segunda é por meio da manipulação externa, aplicando e combinando os efeitos de vários tipos de campos para manipular os blocos de construção para fazer o que se pretende. Para fazer isso corretamente, um nível extremamente alto de direção e controle é necessário e o desenvolvimento de um método simples e eficiente para organizar moléculas e agrupamentos moleculares em estruturas precisas e predeterminadas é crucial.

História

Em 1959, o físico Richard Feynman deu uma palestra intitulada " Há muito espaço no fundo " para a Sociedade Física Americana. Ele imaginou um mundo no qual "poderíamos organizar os átomos um por um, exatamente como os queremos". Esta ideia preparou o terreno para a abordagem de síntese ascendente em que os componentes constituintes interagem para formar estruturas de ordem superior de uma maneira controlável. O estudo da automontagem de nanopartículas começou com o reconhecimento de que algumas propriedades dos átomos e moléculas permitem que eles se organizem em padrões. Uma variedade de aplicações onde a automontagem de nanopartículas pode ser útil. Por exemplo, construir sensores ou chips de computador.

Definição

A automontagem é definida como um processo no qual unidades individuais de material se associam espontaneamente em uma estrutura definida e organizada ou unidades maiores com direção externa mínima. A automontagem é reconhecida como uma técnica altamente útil para alcançar qualidades notáveis em nanoestruturas orgânicas e inorgânicas.

De acordo com George M. Whitesides, "A automontagem é a organização autônoma de componentes em padrões ou estruturas sem intervenção humana." Outra definição de Serge Palacin e Renaud Demadrill é "A automontagem é um processo espontâneo e reversível que reúne em uma geometria definida movendo corpos distintos aleatoriamente por meio de forças de ligação seletivas."

Importância

Para comemorar o 125º aniversário da revista Science, 25 perguntas urgentes foram feitas para os cientistas resolverem, e a única que se relaciona com a química é "Até onde podemos empurrar a automontagem química?" Como a automontagem é a única abordagem para a construção de uma ampla variedade de nanoestruturas, a necessidade de aumentar a complexidade está crescendo. Para aprender com a natureza e construir o nanomundo com ligações não covalentes, mais pesquisas são necessárias nesta área. A automontagem de nanomateriais é atualmente considerada amplamente para nanoestruturação e nanofabricação devido à sua simplicidade, versatilidade e espontaneidade. Explorar as propriedades do nanomontagem é uma promessa como uma técnica de baixo custo e alto rendimento para uma ampla gama de aplicações científicas e tecnológicas e é um esforço de pesquisa chave em nanotecnologia, robótica molecular e computação molecular. Um resumo dos benefícios da automontagem na fabricação está listado abaixo:

A automontagem é um processo escalonável e paralelo que pode envolver um grande número de componentes em um curto período de tempo.
Pode resultar em dimensões estruturais em ordens de magnitude, de nanoescala a macroescala.
É relativamente barato em comparação com a abordagem de montagem de cima para baixo, que geralmente consome grandes quantidades de recursos finitos.
Os processos naturais que impulsionam a automontagem tendem a ser altamente reproduzíveis. A existência de vida depende fortemente da reprodutibilidade da automontagem.

Desafios

Existem vários desafios pendentes na automontagem, pois é um campo relativamente novo na nanotecnologia. Atualmente, a automontagem é difícil de controlar em grandes escalas e, para ser amplamente aplicada, precisaremos garantir altos graus de reprodutibilidade nessas escalas. Os mecanismos termodinâmicos e cinéticos fundamentais de automontagem são mal compreendidos - os princípios básicos dos processos atomísticos e em macroescala podem ser significativamente diferentes daqueles das nanoestruturas. Conceitos relacionados ao movimento térmico e ação capilar influenciam escalas de tempo de equilíbrio e taxas cinéticas que não são bem definidas em sistemas de automontagem.

Síntese top-down vs bottom-up

A abordagem de cima para baixo é a divisão de um sistema em pequenos componentes, enquanto de baixo para cima é a montagem de subsistemas em um sistema maior. Uma abordagem de baixo para cima para nano-montagem é um alvo primário de pesquisa para nanofabricação porque a síntese de cima para baixo é cara (requer trabalho externo) e não é seletiva em escalas de comprimento muito pequenas, mas é atualmente o principal modo de fabricação industrial. Geralmente , a resolução máxima dos produtos de cima para baixo é muito mais grosseira do que a de baixo para cima; portanto, uma estratégia acessível para unir "de baixo para cima" e "de cima para baixo" é realizável pelos princípios da auto-montagem. Ao controlar as forças intermoleculares locais para encontrar a configuração de energia mais baixa, a automontagem pode ser guiada por modelos para gerar estruturas semelhantes às atualmente fabricadas por abordagens de cima para baixo. Essa chamada ponte permitirá a fabricação de materiais com a resolução precisa dos métodos bottom-up e a maior variedade e estrutura arbitrária dos processos top-down. Além disso, em alguns casos, os componentes são muito pequenos para a síntese de cima para baixo, portanto, os princípios de automontagem são necessários para realizar essas novas estruturas.

Classificação

As nanoestruturas podem ser organizadas em grupos com base em seu tamanho, função e estrutura; esta organização é útil para definir o potencial do campo.

Por tamanho:

Entre as nanoestruturas mais sofisticadas e estruturalmente complexas atualmente disponíveis estão as macromoléculas orgânicas, em que sua montagem depende da colocação de átomos em estruturas moleculares ou estendidas com precisão de nível atômico. Sabe-se agora que os compostos orgânicos podem ser condutores, semicondutores e isolantes, portanto, uma das principais oportunidades na ciência dos nanomateriais é usar a síntese orgânica e o design molecular para fazer estruturas eletronicamente úteis. Os motivos estruturais nesses sistemas incluem colóides, pequenos cristais e agregados da ordem de 1-100 nm.

Por função:

Os materiais nanoestruturados também podem ser classificados de acordo com suas funções, por exemplo, nanoeletrônica e tecnologia da informação (TI). As dimensões laterais usadas no armazenamento de informações estão diminuindo da micro para a nanoescala à medida que as tecnologias de fabricação melhoram. Os materiais ópticos são importantes no desenvolvimento do armazenamento miniaturizado de informações porque a luz tem muitas vantagens de armazenamento e transmissão em relação aos métodos eletrônicos. Os pontos quânticos - mais comumente nanopartículas de CdSe com diâmetros de dezenas de nm e com revestimentos de superfície protetores - são notáveis por sua capacidade de fluorescência em uma ampla faixa do espectro visível, com o parâmetro de controle sendo o tamanho.

Por estrutura: certas classes estruturais são especialmente relevantes para a nanociência. À medida que as dimensões das estruturas se tornam menores, sua proporção entre a área de superfície e o volume aumenta. Muito parecido com as moléculas, nanoestruturas em escalas pequenas são essencialmente "toda superfície". As propriedades mecânicas dos materiais são fortemente influenciadas por essas estruturas de superfície. A resistência e o caráter da fratura, a ductilidade e vários módulos mecânicos dependem da subestrutura dos materiais em uma variedade de escalas. A oportunidade de desenvolver novamente uma ciência de materiais nanoestruturados por design é amplamente aberta.

Termodinâmica

A automontagem é um processo de equilíbrio, ou seja, os componentes individuais e montados existem em equilíbrio. Além disso, a flexibilidade e a conformação de energia livre mais baixa geralmente resultam de uma força intermolecular mais fraca entre as metades auto-montadas e é essencialmente entálpica por natureza.

A termodinâmica do processo de automontagem pode ser representada por uma equação de energia livre de Gibbs simples:

{\ displaystyle \ Delta G_ {SA} = \ Delta H_ {SA} -T \ Delta S_ {SA} \,}

onde se for negativo, a automontagem é um processo espontâneo. é a mudança de entalpia do processo e é amplamente determinada pela energia potencial / forças intermoleculares entre as entidades de montagem. é a mudança na entropia associada à formação do arranjo ordenado. Em geral, a organização é acompanhada por uma diminuição da entropia e para que a montagem seja espontânea o termo de entalpia deve ser negativo e superior ao termo de entropia. Esta equação mostra que conforme o valor de se aproxima do valor de e acima de uma temperatura crítica, o processo de automontagem se tornará progressivamente menos provável de ocorrer e a automontagem espontânea não acontecerá. ${\ displaystyle \ Delta G_ {SA} \,}$ ${\ displaystyle \ Delta H_ {SA} \,}$ ${\ displaystyle \ Delta S_ {SA} \,}$ ${\ displaystyle T \ Delta S_ {SA} \,}$ ${\ displaystyle \ Delta H_ {SA} \,}$

A automontagem é governada pelos processos normais de nucleação e crescimento. Pequenos conjuntos são formados por causa de sua vida útil aumentada, pois as interações atraentes entre os componentes reduzem a energia livre de Gibbs. Conforme a montagem cresce, a energia livre de Gibbs continua diminuindo até que a montagem se torne estável o suficiente para durar um longo período de tempo. A necessidade da automontagem para ser um processo de equilíbrio é definida pela organização da estrutura que requer que arranjos não ideais sejam formados antes que a configuração de energia mais baixa seja encontrada.

Cinética

A força motriz final na automontagem é a minimização da energia e a evolução correspondente em direção ao equilíbrio, mas os efeitos cinéticos também podem desempenhar um papel muito importante. Esses efeitos cinéticos, como aprisionamento em estados metaestáveis, cinética de engrossamento lento e montagem dependente da via, são frequentemente vistos como complicações a serem superadas, por exemplo, na formação de copolímeros em bloco.

A automontagem anfifílica é uma abordagem essencial de baixo para cima na fabricação de materiais funcionais avançados. Os materiais automontados com as estruturas desejadas geralmente são obtidos por meio de controle termodinâmico. Aqui, demonstramos que a seleção de vias cinéticas pode levar a estruturas automontadas drasticamente diferentes, destacando a importância do controle cinético na automontagem.

Defeitos

Existem dois tipos de defeitos: defeitos de equilíbrio e defeitos de não equilíbrio. Estruturas automontadas contêm defeitos. Os deslocamentos causados durante a montagem dos nanomateriais podem afetar de forma significativa a estrutura final e, em geral, os defeitos nunca são totalmente evitáveis. A pesquisa atual sobre defeitos está focada no controle da densidade de defeitos. [23] Na maioria dos casos, a força motriz termodinâmica para automontagem é fornecida por interações intermoleculares fracas e geralmente é da mesma ordem de magnitude que o termo entropia. Para que um sistema de automontagem alcance a configuração de energia livre mínima, deve haver energia térmica suficiente para permitir o transporte de massa das moléculas de automontagem. Para a formação de defeito, a energia livre de formação de defeito único é dada por:

{\ displaystyle \ Delta G_ {DF} = \ Delta H_ {DF} -T \ Delta S_ {DF} \,}

O termo entalpia não reflete necessariamente as forças intermoleculares entre as moléculas, é o custo de energia associado à ruptura do padrão e pode ser pensado como uma região onde o arranjo ideal não ocorre e a redução da entalpia associada à automontagem ideal não ocorreu. Um exemplo disso pode ser visto em um sistema de cilindros hexagonalmente embalados onde existem regiões defeituosas da estrutura lamelar. ${\ displaystyle \ Delta H_ {DF} \,}$

Se for negativo, haverá um número finito de defeitos no sistema e a concentração será dada por: ${\ displaystyle \ Delta G_ {DF} \,}$

{\ displaystyle {N \ over N_ {0}} = \ exp ({- \ Delta E _ {\ text {act}} \ over RT}) \,}

N é o número de defeitos em uma matriz de N ₀ partículas ou características auto-montadas e é a energia de ativação da formação do defeito. A energia de ativação,, não deve ser confundida com . A energia de ativação representa a diferença de energia entre o estado inicial idealmente organizado e um estado de transição em direção à estrutura defeituosa. Em baixas concentrações de defeitos, a formação de defeitos é conduzida por entropia até que uma concentração crítica de defeitos permita que o termo de energia de ativação compense a entropia. Geralmente, há uma densidade de defeito de equilíbrio indicada na energia livre mínima. A energia de ativação para a formação de defeitos aumenta a densidade de defeitos de equilíbrio. ${\ displaystyle \ Delta E _ {\ text {act}} \,}$ ${\ displaystyle \ Delta E_ {act} \,}$ ${\ displaystyle \ Delta H_ {DF} \,}$

Interação de Partículas

As forças intermoleculares governam a interação das partículas em sistemas automontados. As forças tendem a ser do tipo intermolecular em vez de iônicas ou covalentes porque ligações iônicas ou covalentes irão “travar” o conjunto em estruturas fora de equilíbrio. Os tipos de forças intermoleculares vistos em processos de automontagem são van der Waals, ligações de hidrogênio e forças polares fracas, apenas para citar alguns. Na automontagem, arranjos estruturais regulares são frequentemente observados, portanto, deve haver um equilíbrio de atrativo e repulsivo entre as moléculas, caso contrário, não existirá uma distância de equilíbrio entre as partículas. As forças repulsivas podem ser sobreposição de nuvem de elétron-nuvem de elétron ou repulsão eletrostática .

Em processamento

Os processos pelos quais as nanopartículas se montam são amplamente difundidos e importantes. Entender por que e como ocorre a automontagem é fundamental para reproduzir e otimizar os resultados. Normalmente, as nanopartículas se automontam por um ou ambos os motivos: interações moleculares e direção externa.

Auto-montagem por interações moleculares

As nanopartículas têm a capacidade de se montar quimicamente por meio de interações covalentes ou não covalentes com seu ligante de capeamento. O (s) grupo (s) funcional (is) terminal (is) na partícula são conhecidos como ligantes de cobertura. Como esses ligantes tendem a ser complexos e sofisticados, a automontagem pode fornecer um caminho mais simples para a organização de nanopartículas por meio da síntese de grupos funcionais eficientes. Por exemplo, os oligômeros de DNA têm sido um ligante chave para os blocos de construção de nanopartículas se automontando por meio de uma organização específica baseada em sequência. No entanto, para fornecer montagem precisa e escalonável (programável) para uma estrutura desejada, um posicionamento cuidadoso das moléculas de ligante na contraparte da nanopartícula deve ser necessário no nível do bloco de construção (precursor), como direção, geometria, morfologia, afinidade, etc. O projeto bem-sucedido de unidades de blocos de construção de ligantes pode desempenhar um papel essencial na fabricação de uma ampla gama de novos sistemas nano, como sistemas de nanossensores , nanomáquinas / nanobots, nanocomputadores e muitos outros sistemas não mapeados.

Forças intermoleculares

As nanopartículas podem se automontar como resultado de suas forças intermoleculares . Como os sistemas procuram minimizar sua energia livre, a automontagem é uma opção para o sistema atingir sua energia livre mais baixa termodinamicamente. As nanopartículas podem ser programadas para se automontar alterando a funcionalidade de seus grupos laterais, aproveitando as forças intermoleculares fracas e específicas para ordenar espontaneamente as partículas. Essas interações interpartículas diretas podem ser forças intermoleculares típicas, como ligações de hidrogênio ou forças de Van der Waals, mas também podem ser características internas, como hidrofobicidade ou hidrofilicidade. Por exemplo, nanopartículas lipofílicas têm a tendência de se automontar e formar cristais à medida que os solventes evaporam. Embora essas agregações sejam baseadas em forças intermoleculares, fatores externos como temperatura e pH também desempenham um papel na automontagem espontânea.

Interação do hamaker

Como as interações das nanopartículas ocorrem em uma nanoescala, as interações das partículas devem ser dimensionadas de forma semelhante. As interações do Hamaker levam em consideração as características de polarização de um grande número de partículas próximas e os efeitos que elas têm umas sobre as outras. As interações do Hamaker somam todas as forças entre todas as partículas e o (s) solvente (s) envolvido (s) no sistema. Enquanto a teoria de Hamaker geralmente descreve um sistema macroscópico, o grande número de nanopartículas em um sistema de automontagem permite que o termo seja aplicável. As constantes de Hamaker para nanopartículas são calculadas usando a teoria de Lifshitz e podem ser frequentemente encontradas na literatura.

Constantes Hamaker para nanopartículas em água
Material	A ₁₃₁
Fe ₃ O ₄	22
${\ displaystyle \ gamma}$ -Fe ₂ O ₃	26
α- Fe ₂ O ₃	29
Ag	33
Au	45
Todos os valores relatados em zJ

.

Auto-montagem dirigida externamente

A capacidade natural das nanopartículas de se automontar pode ser replicada em sistemas que não se automontam intrinsecamente. A automontagem dirigida (DSA) tenta imitar as propriedades químicas dos sistemas de automontagem, ao mesmo tempo que controla o sistema termodinâmico para maximizar a automontagem.

Campos elétricos e magnéticos

Os campos externos são os diretores mais comuns de automontagem. Os campos elétricos e magnéticos permitem interações induzidas para alinhar as partículas. Os campos aproveitam a polarizabilidade da nanopartícula e seus grupos funcionais. Quando essas interações induzidas por campo superam o movimento browniano aleatório , as partículas se unem para formar cadeias e, em seguida, se montam. Em intensidades de campo mais modestas, estruturas de cristal ordenadas são estabelecidas devido às interações dipolo induzidas. A direção do campo elétrico e magnético requer um equilíbrio constante entre a energia térmica e as energias de interação.

Campos de fluxo

Maneiras comuns de incorporar a automontagem de nanopartículas com um fluxo incluem Langmuir-Blodgett , revestimento por imersão , revestimento por fluxo e revestimento por rotação .

Fluxo viscoso macroscópico

Campos de fluxo viscosos macroscópicos podem direcionar a automontagem de uma solução aleatória de partículas em cristais ordenados. No entanto, as partículas montadas tendem a se desmontar quando o fluxo é interrompido ou removido. Os fluxos de cisalhamento são úteis para suspensões emperradas ou compactação aleatória. Como esses sistemas começam em não equilíbrio, os campos de fluxo são úteis porque ajudam o sistema a relaxar em direção ao equilíbrio ordenado. Os campos de fluxo também são úteis ao lidar com matrizes complexas que possuem comportamento reológico. O fluxo pode induzir tensões viseoelásticas anisotrópicas, o que ajuda a superar a matriz e causar a automontagem.

Combinação de campos

O diretor de automontagem mais eficaz é uma combinação de campos de força externos. Se os campos e as condições forem otimizados, a automontagem pode ser permanente e completa. Quando uma combinação de campo é usada com nanopartículas adaptadas para serem intrinsecamente responsivas, a montagem mais completa é observada. As combinações de campos permitem que os benefícios da automontagem, como escalabilidade e simplicidade, sejam mantidos, ao mesmo tempo em que é possível controlar a orientação e a formação da estrutura. As combinações de campo possuem o maior potencial para o futuro trabalho de automontagem dirigido.

Interfaces de nanomateriais

As aplicações da nanotecnologia frequentemente dependem da montagem lateral e do arranjo espacial das nanopartículas nas interfaces. As reações químicas podem ser induzidas em interfaces sólido / líquido por meio da manipulação da localização e orientação de grupos funcionais de nanopartículas. Isso pode ser alcançado por meio de estímulos externos ou manipulação direta. Alterar os parâmetros dos estímulos externos, como campos de luz e elétricos, tem um efeito direto nas nanoestruturas montadas. Da mesma forma, a manipulação direta tira proveito das técnicas de fotolitografia, junto com a microscopia de varredura por sonda (SPM) e a microscopia de tunelamento de varredura (STM), apenas para citar alguns.

Interfaces sólidas

Nanopartículas podem se auto-montar em superfícies sólidas após a aplicação de forças externas (como magnéticas e elétricas). Modelos feitos de microestruturas, como nanotubos de carbono ou polímeros em bloco, também podem ser usados para auxiliar na automontagem. Eles causam automontagem dirigida (DSA), em que os locais ativos são incorporados para induzir seletivamente a deposição de nanopartículas. Esses modelos são objetos nos quais diferentes partículas podem ser organizadas em uma estrutura com uma morfologia semelhante à do modelo. Nanotubos de carbono (microestruturas), moléculas únicas ou copolímeros em bloco são modelos comuns. As nanopartículas são frequentemente mostradas para se automontar em distâncias de nanômetros e micrômetros, mas modelos de copolímero em bloco podem ser usados para formar automontagens bem definidas em distâncias macroscópicas. Ao incorporar sítios ativos às superfícies de nanotubos e polímeros, a funcionalização desses modelos pode ser transformada para favorecer a automontagem de nanopartículas especificadas.

Interfaces líquidas

Compreender o comportamento das nanopartículas em interfaces de líquidos é essencial para integrá-las em dispositivos eletrônicos, ópticos, de detecção e de catálise. Os arranjos moleculares nas interfaces líquido / líquido são uniformes. Freqüentemente, eles também fornecem uma plataforma de correção de defeitos e, portanto, as interfaces líquido / líquido são ideais para a automontagem. Após a automontagem, os arranjos estruturais e espaciais podem ser determinados por meio de difração de raios-X e refletância óptica. O número de nanopartículas envolvidas na automontagem pode ser controlado pela manipulação da concentração do eletrólito, que pode estar na fase aquosa ou orgânica. Concentrações mais altas de eletrólitos correspondem à diminuição do espaçamento entre as nanopartículas. Pickering e Ramsden trabalharam com interfaces óleo / água (O / W) para retratar essa ideia. Pickering e Ramsden explicaram a ideia das emulsões pickering ao fazer experiências com emulsões de parafina-água com partículas sólidas como óxido de ferro e dióxido de silício. Eles observaram que os colóides micronômicos geravam um filme resistente na interface entre as duas fases imiscíveis, inibindo a coalescência das gotas de emulsão. Essas emulsões Pickering são formadas a partir da automontagem de partículas coloidais em sistemas líquidos de duas partes, como os sistemas óleo-água. A energia de dessorção, que está diretamente relacionada à estabilidade das emulsões, depende do tamanho da partícula, das partículas interagindo umas com as outras e das partículas interagindo com as moléculas de óleo e água.

Auto-montagem de nanopartículas sólidas na interface óleo-água.

Uma diminuição na energia livre total foi observada como resultado da montagem de nanopartículas em uma interface óleo / água. Ao se deslocar para a interface, as partículas reduzem o contato desfavorável entre os fluidos imiscíveis e diminuem a energia interfacial. A diminuição da energia livre total para partículas microscópicas é muito maior do que a da energia térmica, resultando em um confinamento efetivo de grandes colóides na interface. As nanopartículas são restritas à interface por uma redução de energia comparável à energia térmica. Assim, as nanopartículas são facilmente deslocadas da interface. Uma troca de partículas constante ocorre então na interface em taxas que dependem do tamanho da partícula. Para o estado de equilíbrio de montagem, o ganho total em energia livre é menor para partículas menores. Assim, grandes conjuntos de nanopartículas são mais estáveis. A dependência do tamanho permite que as nanopartículas se automontem na interface para atingir sua estrutura de equilíbrio. Os coloides de tamanho micrômetro, por outro lado, podem estar confinados em um estado de não equilíbrio.

Formulários

Eletrônicos

Modelo de matriz multidimensional de nanopartículas. Uma partícula pode ter dois giros, giro para cima ou para baixo. Com base nas direções de spin, as nanopartículas serão capazes de armazenar 0 e 1. Portanto, o material nanoestrutural tem um grande potencial para uso futuro em dispositivos eletrônicos.

A automontagem de estruturas em nanoescala a partir de nanopartículas funcionais forneceu um caminho poderoso para o desenvolvimento de componentes eletrônicos pequenos e poderosos. Objetos em nanoescala sempre foram difíceis de manipular porque não podem ser caracterizados por técnicas moleculares e são muito pequenos para serem observados opticamente. Mas com os avanços da ciência e da tecnologia, agora existem muitos instrumentos para observar nanoestruturas. Os métodos de imagem abrangem microscopia eletrônica, óptica e de varredura de sonda, incluindo instrumentos combinados de sonda de varredura eletrônica e sonda de varredura óptica de campo próximo. As ferramentas de caracterização de nanoestrutura incluem espectroscopia óptica avançada (linear, não linear, com aumento de ponta e bomba de sonda) e Auger e fotoemissão de raios-X para análise de superfície. Os coloides de partículas monodispersas de automontagem 2D têm um forte potencial em mídia de armazenamento magnético denso. Cada partícula colóide tem a capacidade de armazenar informações conhecidas como números binários 0 e 1 após aplicá-las a um forte campo magnético. Nesse ínterim, é necessário um sensor ou detector em nanoescala para escolher seletivamente a partícula coloidal. A separação de microfases de copolímeros em bloco mostra uma grande promessa como um meio de gerar nanopadrões regulares em superfícies. Eles podem, portanto, encontrar aplicação como um meio para novos nanomateriais e estruturas de dispositivos nanoeletrônicos.

Aplicações biológicas

Entrega de drogas

Os copolímeros em bloco são uma classe bem estudada e versátil de materiais de automontagem caracterizados por blocos de polímero quimicamente distintos que são ligados covalentemente. Essa arquitetura molecular do aumento da ligação covalente é o que faz com que os copolímeros em bloco formem padrões em nanoescala espontaneamente. Em copolímeros em bloco, as ligações covalentes frustram a tendência natural de cada polímero individual de permanecer separado (em geral, polímeros diferentes não gostam de se misturar), de modo que o material se reúne em um nano-padrão. Esses copolímeros oferecem a capacidade de se automontar em micelas uniformes e nanométricas e se acumular em tumores por meio da permeabilidade aprimorada e do efeito de retenção. A composição do polímero pode ser escolhida para controlar o tamanho da micela e a compatibilidade com o fármaco de escolha. Os desafios desta aplicação são a dificuldade de reproduzir ou controlar o tamanho da nanomicela de automontagem, preparar uma distribuição de tamanho previsível e a estabilidade da micela com alto teor de carga de droga.

Entrega magnética de drogas

Nanochains magnéticos são uma classe de novas nanoestruturas magnetorresponsivas e superparamagnéticas com formas altamente anisotrópicas (semelhantes a cadeias) que podem ser manipuladas usando campo magnético e gradiente de campo magnético. As nanochains magnéticos possuem propriedades atraentes que são um valor agregado significativo para muitos usos potenciais, incluindo nanomedicinas associadas à atuação magneto-mecânica em campos magnéticos alternados de baixa e superbaixa frequência e distribuição de drogas magnéticas .

Imagem celular

As nanopartículas têm boa identificação e detecção biológica devido ao brilho e fotoestabilidade; assim, certas nanopartículas automontadas podem ser usadas como contraste de imagem em vários sistemas. Combinado com reticuladores de polímero, a intensidade de fluorescência também pode ser aumentada. A modificação da superfície com grupos funcionais também pode levar à marcação biológica seletiva. Nanopartículas automontadas também são mais biocompatíveis em comparação com os sistemas de entrega de drogas padrão.

Languages

In other projects