Preparazione di nanocristalli di semiconduttori come marcatori luminescenti biocompatibili

SCOPO DELLA TESI
Scopo di questo lavoro di tesi è la sintesi e la caratterizzazione di nanocristalli 
semiconduttori stabilizzati con molecole di derivazione biologica al fine di 
ottenere marcatori luminescenti biocompatibili.
Nello specifico saranno sintetizzati nanocristalli di CdSe attraverso l'uso di 
microemulsioni water-in-oil al fine di ottenere quantum dots in micelle inverse 
che modellino le dimensioni e che rimangano relativamente stabili nel tempo, per 
poi confrontare le variazioni delle proprietà ottiche di questi nanocristalli rispetto 
ad altre soluzioni degli stessi stabilizzati con molecole organiche: amminoacidi 
(Cisteina), piccoli peptidi (Glutatione), proteine (Albumina). Una volta ottenuti 
quantum dots stabilizzati, tramite differenti procedure e variando le condizione si 
proverà a portare in soluzione acquosa i nanocristalli stabilizzati.
Informazioni inerenti le proprietà ottiche saranno ottenute tramite misure con 
tecniche fluorimetriche stazionarie e risolte nel tempo correlate successivamente 
con la morfologia e le dimensioni  che si ricaveranno tramite analisi al 
microscopio elettronico e al microscopio a forza atomica.
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CAPITOLO 1
Introduzione 1.1 Le Nanotecnologie Nella recente ricerca scientifica il campo delle nanotecnologie ha assunto un 
ruolo sempre più dominante canalizzando l'interesse di molti gruppi di ricerca. 
Questo settore scientifico caratterizzato dalla multidisciplinarietà (le nanoscienze 
costituiscono il punto di incontro di discipline diverse che vanno dalla fisica 
quantistica alla chimica supramolecolare, dalla scienza dei materiali alla biologia 
molecolare) costituisce un nuovo approccio che si basa sulla comprensione e la 
conoscenza approfondita delle proprietà della materia e della "manipolazione" di 
strutture con dimensioni comprese fra 0,1 e 100 nm. La scala spaziale 
caratteristica della nanotecnologia è quindi il nanometro (un milionesimo di 
millimetro), che è anche la scala di riferimento di quel "nanomondo" che va dagli 
atomi (0,05-0,5 nm) ai virus (20-400 nm), passando per piccole molecole, DNA, 
proteine.
Interesse principale per chi opera in questo settore è quello di intervenire, sino 
alla possibilità di posizionare singoli atomi (come affermò per la prima volta il 
fisico teorico Richard Feynman), assemblando e manipolando su scala 
nanometrica delle nanostrutture che presentino caratteristiche e funzioni 
opportune per l'utilizzo in settori specifici.
2 Capitolo 1
Due sono le strade per preparare strutture a livello nanometrico:
■ Approccio " top down ", che significa ridurre con metodi fisici le dimensioni 
delle strutture verso livelli nanometrici. Le tecniche proprie della 
microelettronica, come la litografia a fascio di elettroni o a raggi X, ne sono un 
esempio e al momento è la strada di più immediato utilizzo.
■ Approccio " bottom up ", nel quale partendo da piccoli componenti, solitamente 
molecole o aggregati di molecole, si cerca di controllarne l'assemblaggio 
indirizzandolo verso la formazione di unità ( building-blocks ) per la realizzazione 
di nanostrutture, sia di tipo inorganico che organico-biologico. La grande 
3 Fig.1. 1: Scala spaziale: dal nanometro al centimetro.
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Capitolo 1
differenza rispetto al processo litografico sta nel poter liberarsi del vincolo della 
planarità progettuale e passare alla realizzazione di strutture tridimensionali 
sfruttando le capacità di autoaggregazione dei sistemi molecolari.
Le tecniche bottom-up sono tuttora in fase di sviluppo e ancora poco utilizzate a 
livello industriale come quelle top-down, ma su di esse si sono riversate le 
aspettative maggiori. Sono proprio queste tecniche (bottom-up) quelle che più si 
identificano con le nanotecnologie e le loro potenzialità. 
Di fatto la filosofia delle nanoscienze è proprio quella di imitare la natura in quei 
processi, perfezionati da miliardi di anni di evoluzione, che portano alla creazione 
di strutture supramolecolari con specifiche funzioni, partendo da singoli atomi o 
molecole. Infatti in natura troviamo alcune straordinaria soluzioni a problemi 
complessi sottoforma di raffinate nanostrutture cui sono associate precise 
funzioni. Si pensi ad esempio alla capacità dei gechi di arrampicarsi sui muri. 
Essa è dovuta alla presenza di peli nanometrici sui polpastrelli del rettile, i quali 
sono talmente adattabili da riuscire ad avvicinarsi a qualche nanometro dal 
supporto. Questa distanza è tale da poter creare una forte attrazione, dovuta alla 
sommatoria di forze di Van der Waals dei singoli peli, che sommandosi con tutti 
gli altri peli, permette al geco di sorreggersi. Oppure l' “effetto loto” delle foglie 
del nasturzio per cui queste riescono a mantenersi pulite facendo scivolare via 
l'acqua e la sporcizia dalla superficie senza farla aderire. O ancora uno dei 
fenomeni più affascinanti della natura quale il processo di fotosintesi che capta 
l'energia necessaria alla vita sulla terra, a livello di ogni singolo atomo, e che se 
4 Capitolo 1
fosse riprodotto a livello nanotecnologico permetterebbe di disporre di risorse 
energetiche illimitate. 
Così come la natura, partendo da semplici molecole, crea nanostrutture con 
funzioni uniche tipo ribosomi, allo stesso modo le nanotecnologie si prefiggono 
lo scopo di creare “macchine molecolari” capaci di svolgere compiti specifici.
Le nanotecnologie non solo “copiano” la natura, ma grazie alle loro potenzialità 
valicano i limiti della materia vivente che, ad esempio, non può sopportare 
temperature elevate ed è incompatibile con conduttori metallici i quali non 
possono essere utilizzati in sistemi biologici senza essere funzionalizzati.
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1.1.2 Proprietà delle nanostrutture Su questa scala le strutture possiedono proprietà differenti e a volte anche 
potenziate rispetto ai materiali macroscopici. Le ragioni di ciò risiedono in due 
fattori:
1. l'aumento del rapporto superficie-volume
5 Fig.1. 2: Sviluppo metodologie top-down e bottom-up
Capitolo 1
2. il verificarsi di un confinamento quantico
L'incremento del rapporto superficie-volume può essere spiegato semplicemente 
considerando l'aggregazione di atomi in cluster: quando l'aggregato è composto 
da pochi atomi, esso presenterà un'elevata percentuale di questi sulla superfice, 
ma aumentando le dimensioni del cluster, e quindi il numero di atomi che lo 
compongono, la percentuale di quelli che si trovano in superfice rispetto al totale 
andrà progressivamente diminuendo.
Nei materiali macroscopici massivi che hanno un piccolo rapporto Area/Volume, 
le proprietà chimico/fisiche sono essenzialmente determinate dalla struttura del 
solido ( bulk).
Nei materiali nanometrici, che hanno un elevato rapporto Area/Volume, gli atomi 
in superficie sperimentano un intorno chimico totalmente differente da quello 
6 Fig.1. 3: Nanoscale Materials in Chemestry, Wiley 2001
Capitolo 1
degli atomi del bulk, e quindi mostrano diversa reattività, energia di legame, 
struttura, stati elettronici. Ciò fa si che un materiale nanostrutturato presenti 
proprietà fortemente influenzate da quelle degli atomi di superficie, che 
costituiscono anche l'interfaccia con l'ambiente circostante. 
Numericamente tutto ciò può essere descritto introducendo il concetto di 
"dispersione", ovvero il rapporto tra il numero di atomi della superficie N
s 
rispetto al numero di atomi totali N
v in una particella. Questo rapporto, per una 
particella sferica, è descritto dalla proporzione
Ns Nv ≈ 1
2R
dove R è il raggio in nm. Questa legge empirica fornisce una proporzione degli 
atomi di superficie del 100% per la dimensione di 1nm.
In figura 1.4 è riportato l'andamento di questo rapporto al variare del numero 
totale di atomi che compongono la nanoparticelle. Si può notare come, al 
diminuire del numero totale degli atomi e quindi del raggio, il numero di atomi 
della superficie diventi confrontabile al numero di atomi totali, indicando come la 
fisica e la chimica delle nanotecnologie siano dominate dalle proprietà di 
superficie.
[3]
7 1.1
Capitolo 1
Il confinamento quantico cambia significativamente le proprità ottiche, 
magnetiche o elettroniche del materiale. Esso conduce al confinamento spaziale 
dei portatori di carica all'interno dei nanocristalli quando il raggio di queste 
strutture diventa confrontabile con il raggio di Bohr. In pratica un sistema 
confinato viene costruito quando una struttura raggiunge dimensioni 
nanometriche tali da limitare lo spazio a disposizione del portatore di carica 
facendo diventare determinante la natura ondulatoria dell'elettrone, ciò si ottiene 
quando queste dimensioni diventano compatibili con la lunghezza d'onda di 
DeBroglie della particella. In tali condizioni l'energia dell'elettrone può assumere 
solo valori discreti come descritto dalle leggi della meccanica quantistica.  
Le peculiari caratteristiche dei materiali nanostrutturati ne consentono 
applicazioni in molti e differenti settori: i nanomateriali (tipo film ultrasottili, 
nanotubi) vengono sviluppati per applicazioni nel campo dell'elettronica e 
rivestimenti tecnologici, per lo sviluppo di chips, display, sensoristica; 
nanocristalli di semiconduttori (Quantum Dots e Nanowires) nel fotovoltaico di 
8 Fig.1. 4: Percentuale di atomi di superficie per particelle sferiche che comprendono Nv atomi 
in totale e con Ns atomi alla superficie.
[3] Capitolo 1
terza generazione. 
Oltre ad applicazioni di tipo industriale queste strutture vengono studiate e 
realizzate per applicazioni nel campo della biologia e medicina: nella bio-
nanotecnologia e nanomedicina, strutture tipo i nanotubi vengono assemblati per 
lo sviluppo di sistemi di rilascio controllato di farmaci (Drug Delivery System). 
Mentre nanocristalli tipo i Quantum Dots vengono utilizzati come dispositivi per 
la diagnostica.
     
1.2 Nanoparticelle di Semiconduttori Prima di analizzare nel dettaglio le proprietà delle nanoparticelle, si ritiene 
opportuno descrivere brevemente le caratteristiche dei semiconduttori, dato che 
nanostrutture costituite da questo tipo di materiale sono l'oggetto di questa tesi.
1.2.1 Proprietà elettroniche dei Semiconduttori I semiconduttori sono materiali le cui caratteristiche si situano in posizione 
intermedia tra quelle dei conduttori ed isolanti. A questa categoria appartengono 
gli elementi del gruppo II-VI e III-V della tavola periodica.
Gli elettroni all'interno di un atomo si trovano su di un livello energetico ben 
definito, ovvero il loro stato è descrivibile mediante valori caratteristici di 
energia. Ne segue che il comportamento elettronico, ovvero le caratteristiche 
elettriche distintive di un elemento o di un tale materiale, è esprimibile in base ai 
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