Nanocristalli semiconduttori (quantum dots)

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1 Nanocristalli semiconduttori (quantum dots) Possono essere costituiti da un solo elemento semiconduttore (Si, Ga) e generalmente vengono preparati per riduzione chimica di un precursore Possono essere costituiti da materiali semiconduttori, i più diffusi sono i calcogenuri (S, Se Te) di Zn, Cd, Pb. Hanno eccezionali proprietà di fotoluminescenza

2 Quantum dots: luminescenza Colore (assorbimento) e emissione dipendono dalle dimensioni dei nanocristalli che, a loro volta influenzano la separazione delle bande di valenza e conduzione. Il ricoprimento con uno strato di un secondo semiconduttore con cella cristallina simile ma bandgap superiore consente di migliorare l emissione (prevenendo il quenching superficiale degli eccitoni).

3 Quantum dots: luminescenza I QD sono caratterizzati da un emissione quasi monocromatica e dimensionedipendente, ma al contrario dei fluorofori organici, l assorbimento è continuo. E possibile separare molto la lunghezza d onda di eccitazione da quella di emissione ed eccitare simultaneamente QD con emissione diversa. I QD sono molto stabili al photobleaching.

4 Sintesi Il mescolamento di sali dei precursori in acqua porta alla formazione del materiale semiconduttore e, con opportuni accorgimenti (agenti stabilizzanti, sintesi in microemulsione w/o) porta alla formazione di nanocristalli. La dispersione è elevata e vi sono molti difetti nella struttura cristallina. ZnCl + Na 2 S ZnS L inizione di precursori organometallici o inorganici [(CH 3 ) 2 Cd, CdO, Se, TMS 2 Se] in solventi organici coordinanti ad alta temperatura (TOP, TOPO, acido oleico ) porta alla formazione di cristalli ad elevata qualità. La crescita viene effettuata a temperatura inferiore rispetto alla nucleazione. T 1 T 2 T 2 < T 1

5 Applicazioni: imaging Tossicità del materiale (Cd, Se, g Te, Pb) Blinking (Emissione discontinua)

6 Applicazioni: sensing Le proprietà di emissione dipendono da quelle della superficie: basta agganciare un recettore ai QD per avere un sensore a b a b CdSe Altri schemi di sensing possono essere costruiti usando il QD come un fluoroforo organico

7 Nanoparticelle superparamagnetiche In un materiale superparamagnetico vi sono particelle di dimensioni sufficientemente piccole da contenere un solo dominio magnetico: si allineano rispetto ad un campo magnetico esterno ma si disallineano con la semplice agitazione termica. Il comportamento è simile a quello dei materiali paramagnetiche ma l effetto volte superiore. Si tratta principalmente di ossidi di ferro (Fe) e cobalto (Co)

8 Sintesi di nanoparticelle superparamagnetiche Coprecipitazione Sali di precursoli vengono scilti in acqua e precipitati a ph basico in forma di nanocristalli Fe Fe OH - Fe 3 O H 2 O Microemulasioni Una gocciolina d acqua stabilizzata in solvente organico da tensioattivi agisce da nanoreattore in cui il nanocristallo cresce Decomposizione di precursori organici a temperatura elevata Precursori organometallici vencono iniettati in un solvente ad elevata temperatura: si ottengono cristalli monodispersi e privi di difetti

9 Applicazioni: magnetoseparazione Le nanoparticelle superparamagnetiche possono essere spostate da un campo magnetico esterno: Separazione di catalizzatori da miscele di reazione Fluidi magnetici (liquidi viscosi e nanoparticelle magnetiche) Separazione di cellule, biomolecole, analiti Direzionamento nei tessuti (in vitro e in vivo)

10 Applicazioni: NMR imaging e terapia magnetotermica Nanosistemi Un campo magnetico fluttuante provoca il continuo riallineamento delle particelle con concomitante generazione di calore che porta alla morte delle cellule tumorali. Le particelle magnetiche alterano la relassività delle molecole d acqua circostanti rendendo visibili all analisi NMR. Gli ossidi di ferro sono altamente biocompatibili. Gli agenti stabilizzanti sono poco legati: spesso si usano polimeri o strati di silice