Carbon atomic wires-based nanocomposites : single step synthesis from polymeric solutions and in situ Raman characterization

Carbon nanostructures are in the frontline for nanoengineered applications thanks to the wide range of properties achievable according to the different structure involved. Carbon atomic wires (CAWs) are the most promising in terms of properties but the most difficult to apply due to their instability. CAWs are linear structures of carbon atoms sp-hybridized that tend to aggregate and move to sp2 hybridization. CAWs show two different structures: cumulenic with only double bonds and polyynic with alternation of single and triple bonds. This work deals with stability issue of polyynic structures and is focused into developing an effective method to obtain CAWs-polymer nanocomposites. A single step production process is implemented: laser ablation of a metal target in polymeric solutions produces linear carbon chains and metal NPs directly in a polymeric matrix. Metal NPs are exploited to obtain surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) signal evolution of polyynes during ablation process in order to conduct an in situ SERS analysis. This is done to better understand CAWs formation mechanism and polymer role in the process. This is applied to ablations in polyvinyl alcohol (PVA)/organic solvent solutions; it results not efficient for CAWs SERS signal detection during ablations. Data are available only for post-ablation behaviour. A comparison is then made between the different systems to understand what are the parameters more affecting detection of CAWs SERS signal. In terms of nanocomposite films synthesis, single step process results to be effective; CAWs SERS signal is detected in films coming from different polymeric solutions. The in situ SERS analysis results to be successful when a new configuration is applied: NPs are anchored on a polymer pellet inserted in the ablation system, not participating to ablation; they are effective for detection of SERS signal with ongoing ablation. This new configuration is applied to ablation in PVA/water solutions to understand if polymer is playing an active role into CAWs production. Polymer is varying the dynamic of CAWs SERS signal evolution but whether is playing an active role is yet to be determined.

Le strutture lineari di carbonio (CAWs) sono, tra le nanostrutture del carbonio, le più promettenti dal punto di vista delle proprietà; la loro applicazione è però ostacolata dalla loro instabilità. Si tratta di strutture di carbonio sp-ibridizzato che, se mantenute isolate, tendono allo stato di ibridizzazione sp2. CAWs presentano due strutture: cumulenica con soli legami doppi e poliinica con alternanza di legami singoli e tripli. Il lavoro qui presentato si occupa della stabilizzazione dei CAWs, tramite realizzazione di nanocompositi a matrice polimerica. E' stata sviluppata una sintesi tramite singolo step: un target di metallo ablato con laser in una soluzione polimerica permette di produrre CAWs e nanoparticelle (NP) di metallo direttamente in una matrice polimerica; le NP vengono sfruttate per la spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS), necessaria per la rilevazione dei CAWs. L'idea è quella di studiare la formazione dei CAWs tramite segnale SERS durante il processo di ablazione e condurre così un'analisi detta in situ SERS. Questo per studiare la formazione dei CAWs e il ruolo ricoperto dal polimero. Quest’ analisi è condotta su soluzioni di alcool polivinilico (PVA)/solvente organico; non risulta però efficace nella rilevazione del segnale SERS durante l'ablazione. Le informazioni ottenute riguardano solo gli eventi post-ablazione; i dati sono analizzati per capire quali parametri influenzino il segnale SERS dei CAWs. Per la realizzazione dei nanocompositi, il processo singolo step risulta efficace: i film depositati presentano il segnale SERS dei CAWs. L'analisi in situ SERS ha successo quando una nuova configurazione viene attuata: un pellet di polimero funzionalizzato con NP di argento è inserita nel sistema di ablazione. Le NP sono esterne al sistema liquido; il segnale SERS è ora rilevato durante l'ablazione. Questo metodo è applicato per ablazioni in PVA/acqua per capire se il polimero svolga un ruolo attivo nella produzione di CAWs. Si è osservato che il polimero causa una variazione nella dinamica di evoluzione del segnale ma la sua effettiva partecipazione al processo come sorgente di carbonio deve essere ancora determinata.