NanoStrutture & Self Assembling

I nanomateriali poichè presentano proprietà meccaniche, elettriche, termiche, ottiche, elettrochimiche e catalitiche straordinariamente diverse dai corrispondenti materiali “bulk”,sono adoperati in settori applicativi diversi, quali medicina, elettronica, catalisi.

La sintesi di nanostrutture richiede nuove metodologie di crescita e deposizione. L’ Istituto Nanotec sviluppa processi di sintesi di nanomateriali classificati come ‘top-down’ e ‘bottom-up’.

Anche la tecnica di “Self-Assembling” di “Monolayers” è ampiamente utilizzata per la sintesi di sistemi nanostructturati e nano-organizzati.

Inoltre, superfici ingegnerizzate e funzionalizzate a livello del monostrato sono utilizzate nei settori fotovoltaico, sensoristica e catalisi. I principali temi di ricerca nelcampo dei materiali nanostrutturati presso Nanotec sono:

  1. Nanosistemi metallici plasmonici
  2. Architetture molecolari e interfasi
  3. Mesofasi colonnari ad alta mobilità di carica
  4. Nanocompositi organici-inorganici
  5. Materiali nanotessurizzati

Nanositemi Melallici Plasmonici

Tematiche di ricerca:

  1. Progettazione, crescita e studio di nanostrutture plasmoniche accoppiate a semiconduttori ceramici, vetri e plastiche mediante evaporazione da fasci atomici (MBE), evaporaione termica e sputtering via plasma
  2. Sintesi di sistemi plasmonici alternativi rispetto ai metalli nobili
  3. Progettazione e sintesi di nuove nanoparticelle “core-shell” multifunzionali e multimetalliche su diversi substrati, che combinano funzionalità plasmonica/catalitica (Ag/Pd) e plasmonica/magnetica (Au/Co)
  4. Sviluppo di sensori SERS biomedicali
  5. Eterostrutture semiconduttore/sistema plasmonico per studiare effetti di localizazione di campo.
  6. Studio di fenomeni di trasferimento di carica in sistemi plasmonici con nanoparticelle metalliche supporatte su ossidi,dielettricic e semiconduttori.
  7. Trattamenti post-crecita mediante annealing e via plasma per modificare le proprieta di superficie delle nanoparticelle e di conseguenza leloro proprietà ottiche e plasmoniche
  8. Sviluppo di sistemi plasmonici a cambio di fase per
  9. Utilizzo di sistemi plasmonici in nanocatalisi

Architetture Molecolari e Interfasi

Le interfacce tra materiali sono spesso luogo di reazioni e fenomeni differenti da quelli che avvengono nel volume e che frequentemente dominano le proprietà macroscopiche del intero sistema. La comprensione delle modalità con cui le molecole sono adsorbite e reagiscono con tali superfici attraggono interesse per via delle molteplici applicazioni nei processi industriali e nei prodotti della vita quotidiana. Catalisi, combustione, lubrificazione, adesione, bagnabilità, reazioni elettrochimiche sono solo alcuni tra i fenomeni di interesse industriale che sono governati dalle proprietà delle molecole all’interfaccia. Le superfici ed interfacce dei polimeri giocano un ruolo di crescente importanza nelle moderna tecnologie elettroniche ed optoelettroniche (transistor organici, OLED), cosi come in applicazioni biomedicali (biocompatibilità). La spettroscopia vibrazionale di somma di frequenze (SFG) si è dimostrata una tecnica potente e versatile per lo studio “in situ” delle interfacce, permettendo l’identificazione delle specie molecolari e fornendo informazioni sulla conformazione e sulla orientazione dei diversi gruppi funzionali sub-molecolari. La SFG è non-distruttiva, intrinsecamente specifica per le interfacce tra mezzi non centrosimmetrici, altamente sensibile e dotata di buona risoluzione temporale e spettrale. La SFG è in grado di operare anche su interfacce immerse in acqua o in soluzioni di proteine, pertanto risulta particolarmente indicata allo studio di biomateriali e biointerfacce.

A)    Schema di spettrometro SFG, fasci laser pulsati VIS e IR si sovrappongono spazialmente e temporalmente su una interfaccia per produrre una polarizzazione nonlineare e quindi una radiazione coerente a somma di frequenza.
B)    L’amplificazione risonante in funzione della frequenza IR e la dipendenza dalla polarizzazione dei fasci dei modi normali di vibrazione delle molecole consente di derivare la loro orientazione media e l’architettura molecolare alle interfacce.
A) Schema di spettrometro SFG, fasci laser pulsati VIS e IR si sovrappongono spazialmente e temporalmente su una interfaccia per produrre una polarizzazione nonlineare e quindi una radiazione coerente a somma di frequenza. B) L’amplificazione risonante in funzione della frequenza IR e la dipendenza dalla polarizzazione dei fasci dei modi normali di vibrazione delle molecole consente di derivare la loro orientazione media e l’architettura molecolare alle interfacce.

Mesofasi Colonnari con alta mobilità di carica

I materiali molecolari con organizzazione supramolecolare sono dei promettenti candidati per applicazioni in dispositivi opto-elettronici organici in quanto le proprietà di un materiale funzionalizzato possono essere migliorate quando essi hanno una struttura interna ben organizzata. In tale contesto, la capacità di auto-organizzazione in mesofasi dei materiali liquido-cristallini è stata ampiamente sfruttata e, in particolare, le proprietà dei cristalli liquidi colonnari, poiché essi sono capaci di organizzarsi spontaneamente in colonne e formare strutture monodimensionali di molecole organiche con sistemi p-coniugati, sono considerate molto interessanti. La loro organizzazione molecolare, infatti, permette di avere una sovrapposizione a lungo raggio di orbitali p che favorisce il trasposto intracolonnare di carica, consentendo di ottenere valori di mobilità di carica molto alti, comparabili con quelle tipiche del silicio amorfo. Queste proprietà rendono i cristalli liquidi colonnari dei materiali molto interessanti per utilizzi da semiconduttore organico.

Strategie:

Studio e caratterizzazione di nuovi cristalli liquidi colonnari basati su architetture molecolari e supramolecolari innovative;

Studio di mesofasi colonnari con conducibilità elettrica ambipolare;

Sviluppo di mesofasi colonnari con alta mobilità di carica con opportune proprietà meccaniche e chimico-fisiche per una loro applicazione in dispositivi (OFET, Fotovoltaico ecc.).

Nanocompositi Organici/Inorganici

I nanocompositi organici-inorganici consistono di nanoparticelle di metalli o ossidi metallici immerse in una matrice organica; hanno proprietà straordinarie dovute alla presenza di component organici ed inorganici su scala nanometrica che li rendono interessanti per applicazioni nel campo della catalisi (Pt, ZnO, TiO2), della sensoristica, delle fibre ottiche, filtri ottici, in sistemi per il trasporto di metalli antibatterici (Ag, Cu) e in dispositivi plasmonici.

Strategie

  1. Sputtering di metalli con contemporanea polimerizzazione plasmochimica di un monomero a formare la matrice. Con questo approccio, realizzato in un reattore come il TRIMAG, è possibile variare indipendentemente il precursore della matrice (CFx, CHx, SiOx,…) e il metallo (Au, Pt, Ag, …) producendo compositi diversi con un contenuto metallico modulabile.
  2. Rivestimenti a base di nanocompositi contenenti nanoparticelle di ossidi metallic possono essere sintetizzati in reattori a bassa pressione usando come precursori un metallo in un plasma contenente O2.
  3. Rivestimenti a base di nanoparticelle inorganiche e nanocompositi polimerici vengono sintetizzati mediante scariche barriera a pressione atmosferica alimentate da un aerosol di una dispersione contenente nanoparticelle preformate e il precursore della matrice organica.

Materiali Nanotessurizzati

La nanotessurizzazione via plasma è un metodo veloce per attribuire proprietà biomimetiche a materiali come polimeri o vetri. Gli approcci possono essere di tipo “bottom-up”, dove i precursori si organizzano in maniera gerarchica portando ad un rivestimento micro/nanotessurizzato, o “top-down” dove processi di etching plasmochimico porta alla formazione di colonne. Dopo tessurizzazione, la chimica della superficie può essere controllata mediante deposizione via plasma di rivestimenti idrofilici o idrofobici o funzionali. Le superfici nanotessurizzate hanno proprietà uniche come l’impermeabilità all’acqua e all’olio, antiriflettività, superidrofilicità e antinebbia.

Strategie:

  1. La nanostrutturizzazione delle superfici può essere ottenuta mediante etching via plasma di polimeri con plasmi di O2 o nel caso di materiali a base di silicio con plasma a base di fluoro.
  2. Trasferimento di un “ pattern” prodotto mediante esposizione di micro- e nano-maschere
  3. Deposizione di rivestimenti “teflon-like” mediante plasma ( scariche modulate/pulsate)

Deposizione via plasma assistita da aerosol di rivestimenti nanocomposite di nanoparticelle inorganiche immerse in matrici organiche con tessitura superficiale gerarchica.

Facilities & Labs

NanoChem @ URT Bari

LyCril @ Rende (CS)

P.LAS.M.I. Lab @ Bari

People

Maria_LosurdoMaria

Losurdo

Dirigente di Ricerca CNR

Giovanni_BrunoGiovanni

Bruno

Dirigente di Ricerca Associato CNR

mariamichelgiangregorio_researcherMaria Michela

Giangregorio

Ricercatore CNR

giuseppevalerioBianco_researcherGiuseppe Valerio

Bianco

Ricercatore CNR

Fiorenza_FanelliFiorenza

Fanelli

Ricercatore CNR

Francesco FracassiFrancesco

Fracassi

Professore Associato

Eloisa_SardellaEloisa

Sardella

Ricercatore CNR

Federica_ciuchiFederica

Ciuchi

Ricercatore CNR

Pasquale_PagliusiPasquale

Pagliusi

Professore Associato

termineRoberto

Termine

Ricercatore CNR

fabio_palumbor150Fabio

Palumbo

Ricercatore CNR

Pietro-FaviaPietro

Favia

Professore Associato

Antonella MilellaAntonella

Milella

Professore Associato

Attilio_GolemmeAttilio

Golemme

Professore Associato

Viso_UomoAlessandro

Servidio

Dottorando Associato

Publications

  1. A. Aprile, F. Ciuchi, R. Pinalli, E. Dalcanale, P. Pagliusi, Probing Molecular Recognition at the Solid-Gas Interface by Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy, Journal of Physical Chemistry Letters, 7, 3022-3026, (2016) DOI10.1021/acs.jpclett.6b01300
  2. Feringan, P. Romero, J. L. Serrano, C. L. Folcia, J. Etxebarria, J. Ortega, R. Termine, A. Golemme, R Gimenez, T Sierra, “H-Bonded Donor-Acceptor Units Segregated in Coaxial Columnar Assemblies: Toward High Mobility Ambipolar Organic SemiconductorsJournal of the American Chemical Society, 138, 12511-8, (2016) DOI:10.1021/jacs.6b06792
  3. Gracia, B. Fering_n, J. L. Serrano, R. Termine, A. Golemme, A. Omenat, J. Barberà, “Functional Carbazole Liquid-Crystal Block Codendrimers with Optical and Electronic PropertiesChemistry – a European Journal, 21, 1359-1369, (2015) DOI:10.1002/chem.201404555
  4. M. W. Knight, T. Coenen, Y. Yang, B. J.M. Brenny, M. Losurdo, A. S. Brown, H. O. Everitt, A. Polman, “Gallium Plasmonics: Deep Subwavelength Spectroscopic Imaging of Single and Interacting Gallium Nanoparticles” ACS Nano 9, 2049–2060 (2015) Doi:1021/nn5072254

Other selected publications:

  1. M. Losurdo, C. Yi, A. Suvorova, S. Rubanov, T.-H. Kim, M M Giangregorio, W Jiao, I. Bergmair, G. Bruno, A. S Brown, Demonstrating the Capability of the High-Performance Plasmonic Gallium-Graphene Couple, ACS Nano 02/2014; 8(3). DOI:10.1021/nn500472r
  2. Y. Yang, N. Akozbek, T.-H Kim, J. Marcos Sanz, F. Moreno, M. Losurdo, A. S. Brown, H. O. Everitt, “Ultraviolet-visible plasmonic properties of gallium nanoparticles investigated by variable angle spectroscopic and Mueller matrix ellipsometry”, ACS Photonics, 1, 582 (2014) DOI: 10.1021/ph500042v
  3. M. M.Giangregorio, B. Dastmalchi, A. Suvorova, G.V. Bianco, K. Hingerll, G. Bruno, M. Losurdo,Effect of Interface Energy and Electron Transfer on Shape, Plasmon resonance and SERS activity of Supported Surfactant-free Gold NanoparticlesRSC Adv., 4, 29660-29667 (2014) DOI: 10.1039/c4ra03749a
  4. M.M. Giangregorio, G.V. Bianco, P. Capezzuto, G. Bruno and M. Losurdo, “Surface plasmon resonance combined with spectroscopic ellipsometry read-out for probing surface–biomolecule interaction” Thin Solid Films, 571, 478-483 (2014) DOI: 10.1016/j.tsf.2013.11.143
  5. F. Fanelli, F. Fracassi Aerosol-Assisted Atmospheric Pressure Cold Plasma Deposition of Organic–Inorganic Nanocomposite Coatings, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 34,  473-487 (2014) DOI: 10.1007/s11090-013-9518-9
  6. F. Fanelli, A. M. Mastrangelo, F. Fracassi, Aerosol-Assisted Atmospheric Cold Plasma Deposition and Characterization of Superhydrophobic Organic–Inorganic Nanocomposite Thin Films, Langmuir, 30, 857–865 (2014) doi: 10.1021/la404755n
  7. R. Di Mundo, R. d’Agostino, F. Palumbo, Long-Lasting Antifog Plasma Modification of Transparent Plastics, ACS Appl. Mater. Interfaces,  6, 17059–17066, (2014) doi: 10.1021/am504668s
  8. 10.A. Aprile, P. Pagliusi, F. Ciuchi, R. Pinalli, E. Dalcanale, Probing cavitand-organosilane hybrid bilayers via sum frequency vibrational spectroscopy, Langmuir 30, 12843 (2014) DOI: 10.1021/la503150z
  9. J. M. Sanz, D. Ortiz, R. Alcaraz de la Osa, J. M. Saiz, F. González, A. S. Brown, M. Losurdo, H. O. Everitt, and F. Moreno, UV Plasmonic Behavior of Various Metal Nanoparticles in the Nearand Far-Field Regimes: Geometry and Substrate Effects” J. Phys. Chem. C 117, 19606−19615 (2013). DOI: 10.1021/jp405773p
  10. T.W.H. Oates, M. Losurdo, S. Noda, K. Hinrichs, “The effect of atmospheric tarnishing on the optical and structural properties of silver nanoparticles” J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 145308 (6pp) (2013) DOI: 10.1088/0022-3727/46/14/145308
  11. G.V. Bianco, M. Losurdo, M.M. Giangregorio, P. Capezzuto, G. Bruno, “Direct Fabrication Route to Plastic-supported Gold Nanoparticles for flexible NIR-SERS” Plasmonics 8, 159-165 (2013) DOI: 10.1007/s11468-012-9458-x
  12. Di Mundo, R.,  Palumbo, F., Barucca, G., Sabato, G., D’Agostino, R., On the “growth” of nano-structures on c-Silicon via self-masked plasma etching processes, Plasma Processes and Polymers, 10, 843-849 (2013), doi: 10.1002/ppap.201300031
  13. Sardella, E.,  Liuzzi, F.,  Comparelli, R.,  Depalo, N.,  Striccoli, M.,  Agostiano, A.,  Favia, P.,  Curri, M.L. Functionalized luminescent nanocrystals on patterned surfaces obtained by radio frequency glow discharges,   Nanotechnology ,24, 12 (2013) DOI:10.1002/ppap.200900112
  14. Bucos, T. Sierra, A. Golemme, R. Termine, J. Barbera, R. Gimenez, J. Luis Serrano, P. Romero, M. Marcos, “Multifunctional Supramolecular Dendrimers with an s-Triazine Ring as the Central Core: Liquid Crystalline, Fluorescence and Photoconductive Properties” Chemistry – a European Journal, 20, 10027-10037 (2014).
  15. Benito-Hernandez, U.K. Pandey, E. Cavero, R. Termine, E. M. Garcia-Frutos, J. L. Serrano, A. Golemme, B. Gomez-Lor, “High Hole Mobility in Triindole-Based Columnar phases: Removing the Bottleneck of Homogeneous Macroscopic Orientation”Chemistry of Material, 25, 117-121 (2013).
  16. Pérez, J. L. Serrano, T. Sierra, A. Ballesteros, D. de Saá, R. Termine, U. Kumar Pandey, A. Golemne,A Linear Conjugated Core for Multifunctional Columnar Liquid CrystalsNew Journal of Chemistry, 36, 830-842 (2012).
  17. C.Y. Chen, Wei-Tao Liu, P. Pagliusi, Y.R. Shen Sum-frequency vibrational spectroscopy study of photo-irradiated polymer surfaces Macromolecules 42, 2122-2126 (2009)
  18. P. Pagliusi, F. Lagugné-Labarthet, D.K. Shenoy, E. Dalcanale, Y.R. Shen Sensing vase-to-kite switching of cavitands by Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy, Journal of the American Chemical Society 128, 12610-12611 (2006)
  19. P. Pagliusi, C.Y. Chen, Y.R. Shen, Molecular orientation and alignment of rubbed poly(vinyl cinnamate) surfaces, Journal of Chemical Physics 125, 201104 (2006)

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