Magnetic polystyrene : control of the orientation of self-assembled anisotropic shapes

Colloidal building blocks have been the focus of research of the last years in the field of reverse-engineering, since their spontaneous assembly into complex structures seems to be very promising for the synthesis of novel materials with unique properties. The main applications are in the sectors of manufacturing and robotics, not to mention their essential role in the synthesis of smart and self-healing materials. In order to obtain these structures, it is necessary to design very accurately the particles, since the specific orientation of the self-assembly is possible only when the colloidal building blocks are inherently anisotropic. The anisotropy of the particle can derive from both particle morphology and intrinsic asymmetry (e.g., surface properties, charge, magnetic moment). This new field of research aims to overcome the self-assembly limitations of isotropic spherical colloidal particles, which typically assemble into their bulk close-packed phases. Simply adding shape or physical asymmetry opens a route for more complex structures and further to hierarchical assembly. Within this experimental thesis, we aim to investigate not only how to tune and control the shapes, but also how to give the particles an inherent directionality by a permanent dipole moment, with the goal of obtaining a facile method for generating well-controlled colloidal magnetic particles. The first step will be the fabrication of Polystyrene (PS) ellipsoidal nanoparticles (NPs) through a thermal-stretching process of Polyvinyl alcohol (PVA) film embedding PS NPs. Next, we will try to synthesize a microparticle made by a malleable polymeric (Polystyrene) matrix embedding magnetic nanoparticles, i.e. Cobalt ferrite (CoFe). The resulting anisotropic magnetic microparticle made by the new composite material, called Magnetic Polystyrene (MPS), will behave like a micromagnet. Hence, these kinds of composite particles can then be easily assembled and manipulated by external stimuli such as a magnetic field.

Nell'ambito della reverse-engineering, gran parte degli sforzi della ricerca si concentrano oggi sui cosiddetti "building blocks" colloidali, essendo questi ultimi, come suggerisce il nome, capaci di assemblarsi spontaneamente in strutture complesse. Questo aspetto sembra molto promettente ai fini della sintesi di nuovi materiali con speciali proprietà. I principali campi di applicazione riguardano i settori di manifattura e robotica, non tralasciando il loro ruolo essenziale nella sintesi di materiali intelligenti, come quelli in grado di autoripararsi. Per ottenere queste strutture, tuttavia è necessario progettare in maniera molto accurata le particelle, dal momento che è possibile ottenere una specifica orientazione del self-assembly solo quando le particelle che costituiscono il building block sono intrinsecamente anisotrope. L'anisotropia delle particelle può derivare ed essere controllata sia attraverso la morfologia della particella stessa, sia attraverso una asimmetria intrinseca (per esempio, proprietà di superficie, cariche, momenti magnetici). Questo nuovo ambito di ricerca si focalizza su come superare i limiti del self-assembly legati al fatto che le particelle costituenti il colloide siano sferiche, per cui isotrope. Questo tipicamente determina il loro assemblaggio in strutture bulk compatte. Tuttavia, è possibile ottenere sia configurazioni molto più complesse, sia un assemblaggio gerarchico, semplicemente introducendo a livello particellare una anisotropia di natura morfologica o chimico-fisica. Nell'ambito di questa tesi sperimentale, ci proponiamo allora come scopo, non soltanto di capire come controllare la morfologia, ma anche come dare alle particelle una direzionalità intrinseca grazie ad un momento di dipolo permanente, con l'obiettivo finale di ottenere un metodo facilmente replicabile per la sintesi di particelle magnetiche colloidali controllabili nell'ambito del self-assembly. Il primo step sarà la realizzazione di nanoparticelle ellissoidali di Polistirene attraverso un processo di stretching termico di film di Alcol Polivinico in cui sono inglobate nanoparticelle di Polistirene. In seguito, ci proponiamo di sintetizzare una microparticella anisotropica costituita da una matrice polimerica (Polistirene) malleabile contenente nanoparticelle magnetiche, nello specifico Ferrite di Cobalto. Dunque, le microparticelle finali saranno anisotropiche grazie ad una asimmetria morfologica combinata alla presenza di un dipolo magnetico permanente.