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ALTRE TECNICHE DI NANOFABBRICAZIONE - Coggle Diagram
ALTRE TECNICHE DI NANOFABBRICAZIONE
Nanoimprinting
Utilizza uno stampo rigido ottenuto precedentemente con le tecnoche litografiche.
Si parte dal substrato che viene rivestito dal resist, lo stampo rigido viene depositato sul resist; si arriva a T>Tg, il resist rammolisce e si imprime la geometria.
il vantaggio è che lo stampo può esere usato più volte e ha risoluzione più alta.
lo stampo deve essere in scala 1:1 con il tatuaggio.
Nanoimprinting step and flash litography
non si usa lo stampaggio a pressione, ma uno stampo trasparente ai raggi UV mentre il resist è un polimero fotosensibile; quest'ultimo polimerizza e prende la forma dello stampo
Soft litography
Simile al nanoimprinting, ma lo stampo è soft (silicone). Il silicone è trasparente, omogeneo, inerte, flessibile, economico.
Vasta applicazione in microfluidica e nei BioMEMS.
Esistono 3 tecniche di soft litography:
Micromolding
Consiste nel depositare polimero nello stampo, per inserirlo:
casting del polimero (si va a colare la soluzione polimerica e si elimina l'eccesso)
tecnica microfluidodinamica (il liquido viene inserito nelle cavità dello stampo applicando un vuoto)
spin coating (si utilizza la velocità di rotazione per fare penetrare la soluzione)
Micro-replica molding
si usa quando si vuole uno stampo che sia il negativo di un altro stampo; si deposita il materiale elastomerico sullo stampo in silicone
Micro contact printing
Lo stampo in silicone è utilizzato come timbro.
Viene immerso in una soluzione di una molecola tiolata o una biomolecola, ma solo le zone del timbro in rilievo verranno passate al substrato
Scanning proximal probe litography
tecniche che utilizzano una sonda molto vicina al substrato e possono essere usate per fare imaging o modificare direttamente il substrato.
tecniche di probe di prossimità: (STM) prevedono campo elettrico tra punta e campione
metodi meccanici: (AFM) la punta interagisce meccanicamente con il campione.
metodi ottici: utilizzare la radiazione direttamente sul resist senza l'uso di maschere.
Scanning Tunneling Microscope (STM)
Permette di fare sia imaging che modificare direttamente il substrato, che deve essere conduttivo. La corrente tra punta e campione è inv. proporzionale alla distanza.
Si registrano i cambiamenti di corrente e si risale alla morfologia
Atomic Force Microscopy (AFM)
utilizza interazioni meccaniche quindi il substrato può anche essere non conduttivo. La sonda è posta su un cantilever e interagendo con il substrato fa deflettere il cantilever; la deflessione viene misurata con un laser e si ricostruisce la morfologia del campione. 3 modi di operare con AFM:
contact mode - contatto continuo -> la punta si rovina
intermittent contact mode - contatto puntuale
non contact mode - si misura una forza di Van der Waals e si decide di mantenere costante quella forza
AFM Nanolitography
si può fare la scratch litography: la punta incide direttamente il materiale lasciandosi dietro una traccia.
Per allungare la vita della punta si può rinforzare con nanotubi di carbonio oppure si può indebolire il polimero..
Si può anche depositare strati di ossido sfruttando il fatto che la punta dell'AFM in condizioni umide firma un menisco a contatto con il substrato; se si applicano dei potenziali alla punta si dissociano le molecole d'acqua e si formano gli strati di ossido.
Nanolitografia DIP-PEN
Tecnica bottom-up che prevede l'utilizzo della punta dell'AFM; si basa sul fatto che l'umidità tende ad attaccare la punta e formare il menisco.
L'idea è di sfruttare molecole presenti nell'acqua per depositare materiali sui substrati. La risoluzione dipende dalla rugosità del substrato (liscio -> risoluzioni migliori), dall'umidità relativa (minore umidità -> migliori risoluzioni), velocità di movimento della punta sul campione (vel maggiori -> risoluzioni migiori).
Gli array di punte sono sistemi che possono fare contemporaneamente più spot o linee sul substrato; possono essere:
passivi: array già realizzato con punte che vengono imbevute tutte con lo stesso inchiostro o con inchiostri diversi
attivi: realizzati da punte che vengono attivate indipendentemente
DIP-PEN per screening oncologico
Tendenzialmente questa tecnica viene utilizzata per screening oncologico; si vanno a detectare i marker tumorali, ovvero sostanze che aumentano la loro concentrazione in presenza di cellule tumorali. Per detectare un determinato marker si deposita un anticorpo monoclonale con la tecnica DIP-PEN.
Posso capire se i marker si sono legati agli anticorpi posso
usare AFM per detectare il profilo di superficie
lavorare sull'affinità di molecole
usare tecniche che permettono di capire se un materiale è deposto sulla superficie (risonanza superficiale plasmonica).
Surface Plasmon Resonance
Si utilizza quando si parla di cambiamenti di massa.
Sono due le principali tecniche utilizzate:
QCM (microbilancia al quarzo)
SPR (risonanza superficiale)
Nella prima il limite è che le analisi si fanno in real time. LA SPR rileva variazioni dell'indice di rifrazione della superficie su un sensore, esso cambia se cambia la massa sul sensore; il sensore è costituito da un substrato di vetro e un sottile strato d'oro. Una porzione dell'energia luminosa interagisce con gli strati superficiali dell'oro e forma il surface plasmon wave; quando la massa cambia, si deve cambiare l'indice per mantenere la presenza del plasmone superficiale.
Nanofabbricazione ibrida in natura
'ibrida' perché permette di ottenere sistemi inorganici sfruttando la loro affinità con sistemi viventi
Batteri Magnetotattici
Se sottoposti a campo magnetico, tendono a muoversi e organizzarsi in funzione di esso; questo è dovuto ai magnetosomi, ovvero cristalli di materiale magnetico, presenti all'interno dei batteri.
Si possono produrre due tipi di materiali magnetici: materiali magnetici da ossidi di ferro o da solfuro di ferro.
se i magnetosomi sono nel range 35-120nm sono stabili a temperatura ambiente e presentano massimo dipolo magnetico
se sono inferiori a 35nm hanno un comportamento supermagnetico
se superano i 120nm non hanno un comportamento magnetico uniforme.
Un'altra caratteristica dei magnetosomi è che sono racchiusi da membrana lipidica, ottima per la funzionalizzazione superficiale.
Questi batteri si possono coltivare andando a dare stimoli precisi al fine di ottenere la composizione voluta (variando la conc. di Ferro, il pH e il potenziale redox).
I magnetosomi si organizzano in catene o sono individuali; sono più efficaci quando utilizzati in catena
Terapia termica dei tumori con campi magnetici alternati
il problema delle terapie oncologiche è dato dagli effetti collaterali del farmaco; con le particelle magnetiche posso targettare il sito di interesse e produrre calore localmente tramite campo magnetico alternato, inoltre esse possono essere visualizzate con la risonanza magnetica.
La controindicazione è che spesso le particelle magnetiche hanno effetti tossici, quindi per rispettare le soglie di concentrazione basse si produce poco calore.
Al loro posto vengono utilizzati i magnetosomi, perché a parità di concentrazione forniscono più calore; inoltre la membrana lipidica offre un ulteriore vantaggio
Nanofabbricazione virus-assistita
Si sfruttano i virus che contengono materiale biologico racchiuso nel capside. Essi si possono sfruttare come scaffold per la nucleazione e crescita di materiale inorganico. Nel caso di virus filiformi o a bastoncello, si ottengono strutture filamentose; nel caso di virus a gabbia si sfrutta il capside come centro di nucleazione si ottengono delle nanoparticelle inorganiche.
Anche in queso caso si può ingegnerizzare il virus per ottenere un materiale inorganico con certe caratteristiche.
Nanofabbricazione proteina-assistita
Si sfrutta l'alta affinità della proteina (esempio anticorpo-antigene) per organizzare in modo predefinito dei materiali inorganici.
Le particelle d'oro devono essere organizzate e vengono rivestite con un anticorpo, l'antigene affine viene usato come link per unire più particelle d'oro
Electrospinning
Permette di ottenere strutture fibrose su un collettore, applicando alta tensione a una soluzione polimerica.
L'alta tensione fa sì che che le correnti stirino la soluzione polimerica. Esistono anche altre implementazioni: melt-electrospinning (polimeri fusi), oppure con un sistema CAD per diventare una tecnica di additive manufacturing, oppure partendo da un disegno CAD fare mel-electrowriting.
Con la tecnica classica si ottengono fibre caratterizzate da diametri molto piccoli (100nm), grande area superficiale (molto sfruttata nel rilascio di farmaco), pori con dimensioni piccole.
Configurazione
La pompa consente di impostare un determinato flusso alla soluzione; la siringa è il sistema in cui viene inserita la soluzione, ha punta metallica conduttiva; il generatore di tensione applica la tensione tra punta della siringa e collettore; il collettore deve essere metallico.
All'interfaccia dell'ago si crea il cono di Taylor: si ha produzione di cariche sulla goccia e nel momento in cui la forza della cariche supera la tensione superficiale del polimero la goccia tende ad assottigliarsi e si forma il cono; nella fase volatile il solvente evapora e si assottigliano le fibre.
Capillare
se si usa ago semplice le fibre sono di un materiale
se si vogliono fibre bicomponente si usano aghi con due canali
se si usano aghi coassiali si possono ottenere fibre cave o si può rivestire altri materiali
Getto
Ogni getto va a depositarsi sul substrato seguendo la propria zona di instabilità; se il collettore è troppo vicino alla punta le fibre sono grandi e il solvente non è completamente evaporato, ciò porta all'appiattimento delle fibre (nastri).
Collettore
piano - porta alla formazione di fibre random
cilindrico messo in rotazione
asse metalliche parallele - le fibre fanno da ponte tra le due aste.
Difetti di filatura
Beads: rigonfiamenti all'interno della fibra
Nastri: dovuti all'evaporazione incompleta del solvente
Difetti superficiali: effetto ragnatela
Parametri di sistema (legati alla soluzione polimerica)
concentrazione: esiste un valore minimo (sotto si ha electrospray) e valore massimo (non parte)
viscosità: troppo bassa -> fibre non continue; troppo alta -> il getto non si forma. (Correlata alla concentrazione)
tensione superficiale: se si riduce si riducono i difetti
conduttività: aumentandola il filo si assottiglia di più
peso molecolare del polimero: si prediligono pm elevati, perché implicano il fenomeno dell'entanglement -> getto stabile
struttura del polimero: si preferiscono polimeri lineari
Effetti dei parametri di processo (si possono impostare)
voltaggio: valore minimo (sotto fibre discontinue) e valore massimo (instabilità)
flusso: flussi alti implicano velocità maggiori ma diametri di fibre maggiori
distanza punta-collettore: se troppo distante -> fibre discontinue; se troppo vicino -> evaporazione parziale del solvente