Fabrication and characterization of Pi-conjugated polymer nanoparticles for bio-optoelectronic applications

Recently, π-Conjugated polymer-based photovoltaic devices have been associated to the photostimulation of living cells. In a polymer-based photovoltaic device, light absorption by the polymer usually results predominantly in the formation of Coulombically bound electronhole pairs in the form of excitons. In optoelectronic devices for cells stimulation, the excitons must dissociate into free charges that can contribute to the photocurrent or induce a depolarization of the cellular membrane. To enhance the formation of free charges, the polymer is brought into contact with an electron-accepting material. In its most simple configuration an organic photovoltaic device consists of a bilayer of the light-absorbing conjugated polymer and an electronaccepting layer. Excitons must then diffuse through the polymer layer to reach the interface with the electron acceptor, where they can dissociate into free charges. The presence of PCBM (as an electron acceptor) in a P3HT/PCBM blend film gives rise to photoluminescence quenching and formation of long-lived free charges. The purpose of this thesis work was to investigate the feasibility of the fabrication of semiconducting polymer core-shell nanoparticles, made of a donor (P3HT) and acceptor (PCBM), to be used for optoelectronics applications in living organisms. After a short explanation of the photophysics behind these applications, the process of solvent displacement exploited for the fabrication of the nanoparticles, together with the techniques used to characterize spectroscopic features of such systems, will be explained. The results will then be presented. Moreover, some preliminary tests to evaluate living cells response to the nanoparticles will be described. In the end, some considerations about the results and future perspectives will be discussed.

Di recente, i dispositivi fotovoltaici basati su polimeri π-coniugati sono stati associati alla fotostimolazione di cellule. In un dispositivo fotovoltaico basato su molecole polimeriche, l’assorbimento di luce da parte del polimero tipicamente si traduce nella formazione di coppie elettrone-buca, caratterizzate da una forte attrazione Coulombiana, nella forma di eccitoni. Nei devices optoelettronici per la stimolazione delle cellule, gli eccitoni devono dissociarsi nella forma di portatori di carica liberi in modo da contribuire alla corrente o indurre una depolarizzazione della membrana cellulare. Questo `e reso possibile dal contatto del polimero con un materiale elettronaccettore. Nella sua accezione pi`u semplice, il dispositivo fotovoltaico `e costituito da un doppio layer formato dal polimero capace di assorbire la radiazione elettromagnetica e da uno strato di materiale elettron-accettore. A questo punto `e necessario che gli eccitoni diffondano attraverso lo strato polimerico e raggiungano l’interfaccia con l’elettron-accettore, dove possono dissociarsi in portatori di carica liberi. La presenza di P C60BM, un elettron-accettore, in un blend P3HT/PCBM, induce un quenching della fotoluminescenza e la formazione di portatori di carica liberi longevi. Lo scopo di questo lavoro di tesi `e quello di investigare la possibilit`a di fabbricare nanoparticelle con morfologia Core-Shell costituite da un elettron-donatore (P3HT) e un elettron-accettore (PCBM) da utilizzare per applicazioni optoelettroniche all’interno di organismi viventi. In seguito ad una breve sintesi della fotofisica sottostante a queste applicazioni, il processo di nanoprecipitazione utilizzato per la fabbricazione di tali nanoparticelle verr`a esplicato, cos`ı come lo saranno le tecniche utilizzate per caratterizzare le peculiarit`a spettroscopiche di tali sistemi. Oltretutto, dei test preliminari per valutare il responso di organismi viventi alle nanoparticelle verranno brevemente descritti. Infine, alcune considerazioni sui risultati e le prospettive future verranno menzionate.