Laser Ablation Synthesis in Solution and Characterization of Magnetic-plasmonic alloy nanoparticles

Nella storia della sintesi delle nanoparticelle, unire le proprietà di differenti elementi in una singola nanostruttura è sempre stato un obiettivo molto importante. Le nanoparticelle di lega metallica attraggono molto l’attenzione dalla comunità scientifica interessata proprio perché creare una lega è un interessante modo di combinare molteplici proprietà in un singolo oggetto, ottenendo ad esempio nanoparticelle con proprietà magnetiche e plasmoniche. Con queste nanostrutture è inoltre possibile effettuare una messa a punto precisa ed accurata di una determinata proprietà fisica o chimica, come ad esempio la posizione del picco di risonanza plasmonico nelle particelle di lega Au-Ag, o l’efficienza dell’idrogenazione di molecole aromatiche nitro-sostituite con leghe Ni-Pd. L’approccio più frequentemente utilizzato per la sintesi di nanoparticelle in lega metallica sfrutta la sintesi chimica in fase liquida. Molteplici procedure sono state utilizzate in questo ambito, come ad esempio la co-riduzione in singolo stadio di HAuCl4 e AgNO3. Altri metodi chimici possibili sono la radiolisi, la sintesi elettrochimica e anche la biosintesi. Tutti questi metodi lavorano in condizioni di equilibrio termodinamico, e questo induce delle severe limitazioni alla varietà di struttura e composizione ottenibili per le nanoleghe. Metodi fisici come l’impianto ionico o l’epitassia con raggi molecolari possono produrre nanoleghe metastabili, ma sono usate più raramente a causa dei limiti insiti nella scalabilità della produzione di nanoparticelle e nella difficoltà di utilizzo quando le particelle sono inglobate in matrici solide o sono aggregate (spesso irreversibilmente) su un substrato. Un metodo differente e promettente per la produzione di nanoparticelle in lega è denominato Laser Ablation Synthesis in Solution (LASiS), ovvero ablazione laser in soluzione. Questo metodo prevede l’utilizzo di un laser ad impulsi focalizzato sulla superficie di un bersaglio metallico per generare nanoparticelle in soluzione. Dopo l’assorbimento dell’energia dell’impulso laser da parte del bersaglio metallico, il processo di ablazione avviene mediante la generazione di un plasma e, successivamente, di una bolla di cavitazione, nella quale le nanoparticelle si formano per essere poi raccolte sotto forma di soluzione colloidale nel liquido circostante. La struttura e la composizione delle nanoparticelle sono determinate da numerosi parametri, come la potenza del laser, la durata dell’impulso, il solvente impiegato, la presenza di eventuali molecole in soluzione. Recentemente, la tecnica LASiS è stataimpiegata per creare nanoparticelle in lega metallica, come oro-argento, platino-oro, o platino-iridio. In questa tesi di dottorato è stata affrontata la sintesi mediante LASiS di nanoparticelle in lega metallica a base di Au-Fe ed Ag-Fe, la cui composizione è metastabile. Nanoparticelle in lega Au-Fe sono state ottenute ablando un target Au73Fe27. Differenti solventi sono stati impiegati per ottenere una comprensione più approfondita dell’effetto della soluzione liquida sulla struttura e composizione delle nanoleghe ottenute mediante LASiS. Le proprietà plasmoniche e magnetiche di queste nanoleghe sono state studiate in dettaglio dal punto di vista sperimentale e con il supporto di modelli teorici. Inoltre, le nanoparticelle di Au-Fe sono state ingegnerizzate per un’applicazione specifica, quella di agenti di contrasto multimodali per imaging mediante risonanza magnetica nucleare, tomografia computerizzata da assorbimento di raggi x, e Raman amplificato tramite l’effetto di Surface Enhanced Raman Scattering (SERS). Nanoparticelle di Ag-Fe sono state ottenute mediante LASiS partendo da target bimetallici immersi in etanolo. Le proprietà magnetiche e plasmoniche delle nanoparticelle sono state studiate e messe in relazione con la complessa struttura cristallina, che ha richiesto l’utilizzo di numerose tecniche di indagine strutturale per essere compresa appieno. Grazie alle apprezzabili proprietà magnetiche, le nanoparticelle di Ag-Fe sono state utilizzate per realizzare arrays auto-assemblanti utili come substrati per analisi SERS. In conclusione, la LASiS si è rivelata essere uno strumento molto potente per sintetizzare nanoleghe multifunzionali. In particolare, le nanoparticelle magneto-plasmoniche, qui sintetizzate, studiate ed utilizzate per la prima volta, aprono affascinanti prospettive nella creazione di nuovi strumenti multifunzionali di interesse per vari campi, dalla nanofotonica alla nanomedicina.