Development of linear sp carbon chains in electrospun polymer nanofibers

In the last decades carbon nanomaterials have established themselves as promising systems for innovative technological application in several fields, such as carbon-based electronics, optoelectronics and nanomechanics. Among them the one-dimensional chains of sp hybridized carbon atoms, known as carbon atom wires (CAWs), have attracted a lot of attentions from both a fundamental and an applicative point of view. The structure of CAWs ranges between two possible configurations: polyynes, characterized by an alternation of single and triple carbon bonds, and cumulenes, composed by an equalized sequence of double carbon bonds. The main peculiarity of these systems is related to the strong dependence of their functional properties on the actual configuration of molecular orbitals, which can be tuned by varying the chain length and termination. This fascinating feature makes CAWs very appealing for technological applications even if, at present, their integration into technological devices is hindered by synthesis process and stability issues. To improve their stability, besides the choice of the end groups, there is the possibility, which nowadays has not been thoroughly studied, to incorporate them into a polymer matrix creating a composite material. In this thesis work five distinct carbon chains (three polyynes and two cumulenes) have been embedded in poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanofibers by means of the electrospinning technique. Electrospinning is one of the most versatile and relatively simple techniques for the production of thin fibers: it exploits the elongation force, generated by an electric field, to stretch a polymeric solution jet that, when the solvent is evaporated, gives rise to a solid fiber. Solution and process parameters have been optimized to obtain defect-free fibers at varying environmental conditions providing a stable and reliable system. The electrospun composite fibers have been characterized by means of optical microscope and scanning electron microscope (SEM) to gain useful information regarding the morphology of the samples. Furthermore Raman spectroscopy has been used to assess the effective presence of the CAWs within the polymer matrix and to evaluate the aging effect on their stability. A last characterization, using Raman spectroscopy with a polarized light source, allowed to make some preliminary considerations regarding the possible orientation of the linear carbon chains embedded in the electrospun fibers.

Negli ultimi decenni i nanomateriali di carbonio si sono affermati come sistemi promettenti per applicazioni innovative nel campo delle nanotecnologie. Tra questi, le catene monodimensionali a base di carbonio ibridizzato sp, note come fili atomici di carbonio (CAW, dall’inglese “carbon atomic wires”), hanno attirato molta attenzione da un punto di vista sia teorico che applicativo. La struttura dei CAW è compresa tra due possibili configurazioni: le poliine, caratterizzate da un'alternanza di legami singoli e tripli tra gli atomi di carbonio, e i cumuleni, composti da una sequenza equalizzata di doppi legami. La peculiarità di questi sistemi è che le loro proprietà funzionali sono fortemente dipendenti dalla conformazione effettiva degli orbitali molecolari, la quale può essere regolata variando la lunghezza e la terminazione della catena. Questa affascinante caratteristica rende i CAW molto interessanti per le applicazioni tecnologiche anche se, al momento, la loro integrazione in dispositivi tecnologici è ostacolata da problemi legati alla loro stabilità e al loro processo di formazione. Per migliorare la loro stabilità, oltre alla scelta di particolari gruppi terminali, c'è la possibilità, che ad oggi non è stata studiata a fondo, di incorporarli in una matrice polimerica creando quindi un materiale composito. In questo lavoro di tesi, cinque diverse catene di carbonio (tre poliine e due cumuleni) sono state incorporate in nanofibre di polimetilmetacrilato (PMMA) mediante la tecnica di elettrofilatura. L'elettrofilatura è una delle tecniche più versatili e relativamente semplici per la produzione di fibre sottili: sfrutta la forza di allungamento, generata da un campo elettrico, per stirare il getto della soluzione polimerica che, quando il solvente è evaporato, permette di raccogliere un campione di fibre. I parametri della soluzione e di processo sono stati ottimizzati in diverse condizioni ambientali per ottenere fibre prive di difetti. Le fibre composite elettrofilate sono state caratterizzate mediante microscopio ottico e microscopio elettronico a scansione (SEM) per ottenere informazioni utili sulla morfologia dei campioni. Inoltre, è stata utilizzata la spettroscopia Raman per valutare sia l'effettiva presenza dei CAW all'interno della matrice polimerica, che l'effetto nel tempo della loro stabilità. Un'ultima caratterizzazione, mediante la spettroscopia Raman in luce polarizzata, ha permesso di formulare alcune considerazioni preliminari sul possibile orientamento dei fili atomici di carbonio incorporati nelle fibre elettrofilate.