Biopolymer-assisted fabrication of plasmonic nanostructures for sensing and photonic applications

My PhD thesis focuses on developing novel synthetic strategies to fabricate plasmonic substrates by exploiting the distinctive features of catecholamine biopolymers, with a particular focus on polydopamine. Specifically, it leverages the facile self-polymerization of dopamine on a wide variety of surfaces and combines the adhesive properties of the resulting polymer with those of metal nanoparticles, enabling the development of advanced sensing platforms with strong signal amplification, including SERS. This approach also enables straightforward, pH-tunable functionalization of solid supports with plasmonic nanoparticles via polydopamine interfacial layers. Both colloidal systems and solid-state substrates were investigated for Raman and SERS detection of emerging water pollutants, including nanoplastics. In parallel, the self-polymerization of bio-derived monomers (dopamine and norepinephrine) and their reductive ability, were harnessed to generate nanostructured patterns with controlled chemical contrast, offering a scalable route toward in situ synthesis of plasmonic and photonic metasurfaces. Overall, this thesis aims to demonstrate how catecholamine biopolymers can serve as versatile materials in simple wet-chemistry approaches, harnessing their distinctive properties to engineer metal nanostructures, ranging from reproducible, high-performance SERS-active substrates to scalable, patterned nanoarrays enabled by their reductive nature.

La mia tesi di dottorato è incentrata sullo sviluppo di nuove strategie di sintesi per realizzare substrati plasmonici, sfruttando le proprietà distintive dei biopolimeri catecolaminici, con un focus particolare sulla polidopamina. Nello specifico, la tesi valorizza la facile auto-polimerizzazione della dopamina su un’ampia varietà di superfici e combina le proprietà adesive del biopolimero risultante con quelle delle nanoparticelle metalliche, consentendo lo sviluppo di piattaforme di sensing avanzate con forte amplificazione del segnale, inclusa la spettroscopia Raman potenziata da superficie (SERS). Inoltre, le proprietà adesive di sottili rivestimenti di polidopamina sono state sfruttate come strato di ancoraggio per funzionalizzare in modo semplice e modulabile supporti solidi con nanoparticelle di diversa natura e forma. In questo lavoro sono stati studiati sia sistemi colloidali sia substrati allo stato solido per la rivelazione Raman e SERS di contaminanti emergenti in acqua, tra cui le nanoplastiche. Parallelamente, l’auto-polimerizzazione di monomeri bio-derivati (dopamina e norepinefrina) e le loro proprietà riducenti sono state sfruttate per generare pattern nanostrutturati a contrasto chimico controllato, offrendo una via scalabile verso la sintesi in situ di metasuperfici plasmoniche e fotoniche. Nel complesso, questo lavoro di tesi mira a dimostrare come i biopolimeri catecolaminici possano fungere da materiali versatili con semplici approcci di chimica in soluzione, sfruttando le loro proprietà intrinseche per ingegnerizzare nanostrutture metalliche: da substrati SERS riproducibili e ad alte prestazioni fino a reticoli ordinati di nanoparticelle.