Nanocristalli colloidali inorganici

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I Nanocristalli Colloidali Inorganici, rappresentano una categoria di materiali costituita da particelle inorganiche nano-dimensionate ottenute in fase soluzione e talvolta stabilizzate in superficie da molecole tensioattive. Sono anche noti come “atomi artificiali” poiché, la densità degli stati elettronici che controllano molte proprietà fisiche, possono essere modulati variandone la morfologia e la composizione chimica. Oggigiorno, lo sviluppo di nuovi approcci di sintesi in soluzione, richiede una conoscenza approfondita, oltre che un controllo adeguato, dei meccanismi di nucleazione e crescita di una nuova fase solida. Tali conoscenze diventano fondamentali quando si vogliono definire nuove tipologie di materiali funzionali nano-strutturati. Questa tematica di ricerca punta all’elaborazionedi innovativi approcci sintetici, realizzati seguendo metodologie chimiche in fase liquida e finalizzati: 1) alla crescita di sistemi inorganici nano-strutturati, 2) allo studio dei fattori chimici e fisici che ne regolano lo sviluppo, ed 3) alla caratterizzazione delle proprietà morfologico-strutturali, magnetiche, opto-elettroniche,ecc. risultanti. Essa è strutturata secondo cinque sotto-aree sperimentali di seguito elencate.

  1. Sintesi di nanocristalli.
  2. Sintesi di nanocristallieterostrutturati.
  3. Self-assembly di composti nanocristallini.
  4. Superfici ed interfacce nanoscopiche.
  5. Ablazione laser in liquido: sintesi di nanoparticelle mediante impiego di plasma.

Sintesi di Nanocristalli

Tale linea di ricerca mira allo sviluppo di tipologie inesplorate di nanocristalli inorganici colloidali a base di materiali plasmonici, magnetici o semiconduttori, con una precisa ingegnerizzazione delle caratteristiche composizionali, strutturali e morfologiche. Le sintesi sono realizzate in fase liquida mediante iniezione diretta di appropriati precursori molecolari in una miscela, a caldo, di solventi coordinanti e tensioattivi. Il tutto in condizioni di atmosfera controllata. I punti chiave di tale linea di ricerca sono di seguito dettagliati.

  1. Sviluppo di nuovi protocolli di sintesi di nanocristalli dispersi in soluzione e facilmente processabili.
  2. Preciso controllo della fase cristallina dei prodotti di reazione, particolarmente in presenza di polimorfi.
  3. Controllo della composizione e dei meccanismi di drogaggio.
  4. Modulazione delle dimensioni in regimi sub-200nm.
  5. Ingegnerizzazione delle morfologie di crescita nanocristallina (sferica, elongate, ramificate, planari) e studio dei rispettivi meccanismi di formazione.
  6. Caratterizzazione composizionale, strutturale, magnetica e spettroscopica dei materiali di sintesi.
  7. Studio di correlazione tra composizione, struttura e geometria dei materiali di sintesi e delle loro proprietà ottiche, magnetiche e (foto)catalitiche.

Sintesi di nanocristalli Eterostrutturati

Tale linea di ricerca mira allo sviluppo e caratterizzazione di nanocristallieterostrutturati, completamente inorganici, a multi-componente, in cui domini di materiali differenti quali semiconduttori, plasmonici e/o magnetici sono assemblati in architetture concentriche o segregate. In una eterostruttura, ogni componente condivide interfacce epitassiali. Le sintesi sono realizzate mediante schemi di crescita che prevedono l’iniezione di un materiale nano-strutturato primario sul quale viene fatto nucleare eterogenamente un materiale secondario. I punti chiave di tale linea di ricerca sono di seguito dettagliati.

  1. Sviluppo di nuovi protocolli di sintesi di nanocristallieterostrutturati dispersi in soluzione e facilmente processabili.
  2. Ingegnerizzazione e studio delle topologie di eterocrescita di ogni singolo sub-componente.
  3. Caratterizzazione composizionale, strutturale delle eterostrutture di sintesi con particolare enfasi alla identificazione delle relazioni di epitassia e di adattamento reticolare.
  4. Caratterizzazione magnetica e spettroscopica.
  5. Studio di correlazione tra struttura e geometria-spazialedelle eterostrutture di sintesi e delle loro proprietà ottiche, magnetiche e (foto)catalitiche.

Self-Assembly di composti Nanocristallini

Tale linea di ricerca prende spunto dall’attitudine che manifestano i materiali nano-dimensionati nell’auto-assemblarsi su larga scala. Tale linea di ricerca mira alla realizzazione di superstrutture ottenute dall’assembly di nanocristalli di forma anisotropa, in particolare nanostrutture 1D e 2D quali nanorods, nanowires e materiali lamellari 2D. I punti chiave di tale linea di ricerca sono di seguito dettagliati.

  1. Realizzazione di strutture a base di nanocristalli anisotropi secondo configurazioni spaziali di impaccamento compatto e non.
  2. Studio di “nuove” proprietà ottiche e (foto)catalitiche derivanti dall’assembly di nanocristalli.
  3. Realizzazione di superstrutture 3D mediante nanocristalli anisotropi.
  4. Realizzazione di dispostivi che prevedono l’impiego di nanocristalli.

Superfici ed interfacce Nanoscopiche

Cristalli di dimensioni nanometriche hanno un rapporto superficie-volume intrinsecamente elevato. Il programma di ricerca è incentrato sulla chimica di superficie di nanocristalli colloidali di materiali semiconduttori inorganici e sul suo uso per il controllo fine delle proprietà optoelettroniche e d’interazione con l’intorno. L’obiettivo perseguito è di ottenere cristalli di nanocristalli e di descriverne e controllarne le interfacce a tutte le scale dimensionali.

Attività scientifiche:

  1. Determinazione di composizione chimica e dinamica delle specie alla superficie dei nanocristalli.
  2. Sviluppo di strategie chimiche per la modifica superficiale dei nanocristalli.
  3. Descrizione e spiegazione dell’accoppiamento elettronico nanocristallo-ligandi.
  4. Controllo mediato dai ligandi delle interazioni di legame ed elettroniche inter-nanocristallo.

Ablazione Laser in Liquido: Sintesi di Nanoparticelle mediante impiego di Plasma

La Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) è un processo di sintesi relativamente semplice per la produzione di nanoparticelle (NPs) e nanostruttureprive di stabilizzanti o residui di sintesi, e non richiede l’utilizzo di ambienti di sintesi estremi o l’uso di reagenti pericolosi. Il metodo consiste nel focalizzare un fascio laser impulsato (di opportuna lunghezza d’onda e irradianza) su un target immerso in liquido. Il plasma indotto da laser, seguito dalla formazione di una bolla di cavitazione, permette di realizzare la produzione delle NPs in liquido. Le NPs così sintetizzate presentano una superficie “nuda” per cui, grazie alla loro diversa reattività superficiale (rispetto alle NPsstabilizzate e prodotte per via chimica), possono essere utilizzate in molteplici applicazioni. La ricerca è così organizzata:

Aspetti fondamentali dei plasmi e delle bolle indotte da laser in liquido durante la produzione di NPs.

  1. Studi spettroscopici dell’interazione laser – liquido (pressione ambiente e alte pressioni fino a 150 atm) al fine di caratterizzare i meccanismi di formazione di nanoparticelle e nanostrutture in liquido.

Produzione di nanoparticelle e nanostrutture mediante ablazione laser in liquido (PLAL) e applicazioni.

  1. Produzione di nanoparticelle metalliche senza utilizzo di stabilizzanti chimici
  2. Produzione di nanostrutture di carbonio in acqua a pressione ambiente e ad alta pressione
  3. Studio dell’interazione di nanoparticelle prodotte per ablazione laser con sistemi biologici come le proteine umane Ubiquitina e ‘SerumAlbumin’, cellule umane, ecc.
  4. Utilizzo di NPs per ottenere effetti di “fieldenhancement” nella tecnica NanoparticlesEnhanced Laser Induced Breakdown Spectroscopy (NE-LIBS).

Facilities & Labs

CNR Nanotec @ Lecce

P.LAS.M.I. Lab @ Bari

People

luigi-carboneLuigi

Carbone

Ricercatore CNR

Davide_CozzoliPantaleo Davide

Cozzoli

Professore Associato

Angela FioreAngela

Fiore

Ricercatore Associato

Concetta_NobileConcetta

Nobile

Ricercatore CNR

Viso_UomoCarlo

Giansante

PostDoc Associato

riccardo_ScarfielloRiccardo

Scarfiello

PostDoc Associato

Viso_UomoNexha

Albenc

Ricercatore Associato

Marcella_DellaglioMarcella

Dell’Aglio

Ricercatore CNR

degiacomo_alessandroAlessandro

De Giacomo

Professore Associato

rosalba_gaudiusoRosalba

Gaudiuso

PostDoc Associato

gabriele_valenzaGabriele

Valenza

Studente PhD Associato

can_koralCan

Koral

PostDoc Associato

Publications

  1. De Giacomo, Can Koral, G. Valenza, R. Gaudiuso, M. Dell’Aglio, Nanoparticle Enhanced Laser-Induced Breakdown Spectroscopy for microdrop analysis at subppm level, Anal. Chem. 88, 5251−5257, (2016) DOI: 10.1021/acs.analchem.6b00324
  2. Palazzo, G. Valenza, M. Dell’Aglio, A. De Giacomo On the stability of gold nanoparticles synthesized by laser ablation in liquids, Colloid Interf. Sci. (2016) DOI: 10.1016/j.jcis.2016.09.017
  3. Caliandro, T. Sibillano, B. D. Belviso, R. Scarfiello, J. C. Hanson, E. Dooryhee, M. Manca, P. D. Cozzoli, C. Giannini, Static and dynamical structural investigations of metal-oxide nanocrystals by powder X-ray diffraction: colloidal tungsten oxide as a case of study, Chem PhysChem 17, 699-709 (2016) DOI: 10.1002/cphc.201501175
  4. Grisorio, D. Debellis, G.P. Suranna, G. Gigli, C. Giansante, The Dynamic Organic/Inorganic Interface of Colloidal PbS Quantum Dots, Angew. Chem. Int. Ed. 55(23), 6628–6633, (2016) DOI: 10.1002/anie.201682361
  5. Gryn, E. Lacaze, L. Carbone, M. Giocondo, B. Zappone, Electric-Field-Controlled Alignment of Rod-Shaped Fluorescent Nanocrystals in Smectic Liquid Crystal Defect Arrays, Adv. Funct. Mater. 2016 DOI: 10.1002/adfm.201602729.
  6. Geng, M. Manceau, N. Rahbany, V. Sallet, M. De Vittorio, L. Carbone, Q. Glorieux, A. Bramati, C. Couteau, Localised Excitation of a Single Photon Source by a Nanowaveguide, Scientific Reports 6, 19721, (2016) DOI: 10.1038/srep19721.
  7. Dell’Aglio, V. Mangini, G. Valenza, O. De Pascale, A. De Stradis, G. Natile, F. Arnesano, A. De Giacomo, Silver and gold nanoparticles produced by pulsed laser ablation in liquid to investigate their interaction with ubiquitin, App. Surf. Sci. 374, 297–304 (2016) DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.11.253.
  8. Dell’Aglio, V. Mangini, G. Valenza, O. De Pascale,A. De Stradis, G. Natile, F. Arnesano, A. De Giacomo, Silver and gold nanoparticles produced by pulsed laser ablation in liquid to investigate their interaction with ubiquitin, Appl. Surf. Sci. 374, 297–304, (2016) DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.11.253.
  9. Vezzoli, M. Manceau, G. Leménager, Q. Glorieux, E. Giacobino, L. Carbone, M. De Vittorio, A. Bramati, Exciton Fine Structure of CdSe/CdS Nanocrystals Determined by Polarization Microscopy at Room Temperature, ACS Nano 9, 7992, (2015) DOI:10.1021/acsnano.5b01354.
  10. Pelliser, M. Manceau, C. Lethiec, D. Coursault, S. Vezzoli, G. Leménager, L. Coolen, M. DeVittorio, F. Pisanello, L. Carbone, A. Maitre, A. Bramati and E. Lacaze, Alignment of Rod-Shaped Single-Photon Emitters Driven by Line Defects in Liquid Crystals, Adv. Funct. Mater. 25, 1719-1726, (2015) DOI: 10.1002/adfm.201403331.
  11. Giuri, S. Rella, C. Malitesta, S. Colella, A. Listorti, G. Gigli, A. Rizzo, P.D. Cozzoli, M. R. Acocella, G. Guerra, C. Esposito Corcione, Synthesis of Reduced Graphite Oxide By a Novel Green Process based on UV Irradiation, Sci. Adv. Mater. 7, 2445-2451 (2015) DOI: 10.1166/sam.2015.2472.
  12. Cesaria, A. P. Caricato, A. Taurino, V. Resta, M. R. Belviso, P. D. Cozzoli, M. Martino, Matrix-Assisted Pulsed Laser deposition of Pd Nanoparticles: The Role of Solvent, Sci. Adv. Mater. 7, 2388-2400 (2015) DOI: 10.1166/sam.2015.2661.
  13. Lekshmi, C. Nobile, R. Buonsanti, P. D. Cozzoli, G. Maruccio, Spin filter effect in iron oxide nanocrystal arrays, J. Indian Chem. Soc. 92, 739-742, (2015).
  14. Giansante, I. Infante, E. Fabiano, R. Grisorio, G.P. Suranna, G. Gigli, Darker-than-Black” PbS Quantum Dots: Enhancing Optical Absorption of Colloidal Semiconductor Nanocrystals via Short Conjugated Ligands, JACS, 137(5), 1875–1886, (2015).
  15. Giansante, R. Mastria, G. Lerario, L. Moretti, I. Kriegel, F. Scotognella, G. Lanzani, S. Carallo, M. Esposito, M. Biasiucci, A. Rizzo, G. Gigli, Molecular-Level Switching of Polymer/Nanocrystal Non-Covalent Interactions and Application in Hybrid Solar Cells, Adv. Funct. Mat. 25(1), 111-119, (2015).
  16. P. Pileni, N. Pinna, P. D. Cozzoli, Self-assembled supracrystals and hetero-structures made from colloidal nanocrystals, CrystEngComm. 16, 9365-9367, (2014) (INVITED EDITORIAL for a SPECIAL ISSUE) doi: 10.1039/C4CE90127D.
  17. Manca, L. De Marco, R. Giannuzzi, R. Agosta, C. Dwivedi, A. Qualtieri, P. D. Cozzoli, V. Dutta, G. Gigli, TiO2 nanorods-based photoelectrodes for dye solar cells with tunable morphological features, Thin Solid Films 568, 122-130 (2014) DOI: 10.1016/j.tsf.2013.10.155.
  18. Giansante, L. Carbone, C. Giannini, D. Altamura, Z. Ameer, G. Maruccio, A. Loiudice, M. R Belviso, P. D. Cozzoli, A. Rizzo, G. Gigli, Surface Chemistry of Arenethiolate-Capped PbS Quantum Dots and Application as Colloidally Stable Photovoltaic Ink, Thin Solid Films 560, 2-9, (2014) DOI: 10.1016/j.tsf.2013.10.060.
  19. F. Scremin, M. R. Belviso, D. Altamura, C. Giannini, P. D. Cozzoli, Comparative Raman study of organic-free and surfactant-capped rod-shaped anatase TiO2 nanorods, Sci. Adv. Mater. 6, 923-932 (2014) DOI: 10.1166/sam.2014.1856.
  20. Carzino, F. Pignatellu, D. Farina, B. Torre, M. Scotto, L. Marini, G. Bertoni, G. Caputo, P. D. Cozzoli, A. Diaspro, A. Athanassiou, Laser-induced disaggregation of TiO2 nanofillers for uniform nanocomposites, Nanotechnology 25, 125702, (2014) DOI: 10.1088/0957-4484/25/12/125702.
  21. Giannuzzi, M. Manca, L. De Marco, M. R. Belviso, A. Cannavale, T. Sibillano, C. Giannini, P. D. Cozzoli, G. Gigli, Ultrathin TiO2(B) Nanorods with Superior Lithium-Ion Storage Performance, ACS Appl. Mater. Interf. 6, 1933–1943, (2014) DOI: 10.1021/am4049833.
  22. Manceau, S. Vezzoli, Q. Glorieux, F. Pisanello, E.Giacobino, L. Carbone, M. De Vittorio and A. Bramati Effect of Charging on CdSe/CdS dot-in-rods Single Photon Emission, Phys. Rev. B 90, 035311, (2014).
  23. A. Shcherbina, G.A. Shcherbina, M. Manceau, S. Vezzoli, L. Carbone, M. De Vittorio, A. Bramati, E. Giacobino, M.V. Chekhova, G. Leuchs, Photon Correlations for Colloidal Nanocrystals and their Clusters, Optics Letters 39, 1791, (2014).

Other Selected publications:

  1. Dell’Aglio, R. Gaudiuso, R. Elrashedy, O. De Pascale, G. Palazzo, A. De Giacomo, Collinear double pulse laser ablation in water for the production of silver nanoparticles, Phys. Chem. Chem. Phys (2013), ISSN: 1463-9084, DOI: 10.1039/C3cp54194k.
  2. De Giacomo, M. Dell’Aglio, A. Santagata, R. Gaudiuso, O. De Pascale, P. Wagener, G.C. Messina,G. Compagnini, S. Barcikowski, Cavitation dynamics of laser ablation of bulk and wire-shaped metals in water during nanoparticles production, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 3083-3092, (2013), ISSN: 1463-9076, DOI: 10.1039/C2cp42649h.
  3. Giansante, L. Carbone, C. Giannini, D. Altamura, Z. Ameer, G. Maruccio, A. Loiudice, M.R. Belviso, P.D. Cozzoli, A. Rizzo, G. Gigli, Colloidal Arenethiolate-Capped PbS Quantum Dots: Optoelectronic Properties, Self-Assembly, and Application in Solution-Cast Photovoltaics, J. Phys. Chem. C 117(25), 13305–13317, (2013) DOI: 10.1021/jp403066q.
  4. De Giacomo, A. De Bonis, M. Dell’Aglio, O. De Pascale, R. Gaudiuso, S. Orlando, A. Santagata, G.S. Senesi, F. Taccogna, R. Teghil, Laser ablation of graphite in water in a range of pressure from 1 to 146 atm using single and double pulse techniques for the production of carbon nanostructure, J. Phys. Chem. C, Nanomaterials & Interfaces 115, 5123-5130, (2011) DOI: 10.1021/Jp109389c.

Patents

Projects

NANOAPULIA – Nano-Photocatalysts for a Cleaner Atmosphere, FSC 2007-2013, MIUR-granted, Cluster Tecnologici Regionali n°368 del 23-13-2014 (2015-2017)

CARIPLO – Chemical Synthesis and Characterization of Magneto-Plasmonic Nano-Heterostructures, (Fondazione Cariplo, contract n. 2010–0612), (2011-2013)

AEROCOMP – Preliminary Study of Nanocomposites Materials for Aeronautical Applications, Industrial Research Project, MIUR-granted, contract n. DM48391), (2010-2012)

Innovative materials and systems for laser ablation of cornea applications, Progetto strategico Regione Puglia 2008 PS 046, (2009-2013).

CLaN -Combined Laser Nanotechnolgy , PON FESR Basilicata (art. 37.6.b del reg. CE n. 1083/2006), (2007-2013)

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    Il programma dettagliato dell’evento è disponibile al linkhttp://www.nanoinnovation2019.eu/

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