Per studiare la composizione chimica della superficie dei film siamo ricorsi alla spettroscopia fotoelettronica ai raggi X (XPS). Infatti, questa tecnica consente di ricavare informazioni quantitative, oltre che qualitative e descrittive, sul tipo e sulla concentrazione delle specie chimiche presenti sulla superficie più esterna.
Negli esperimenti XPS il campione viene irradiato con una sorgente di raggi X relativamente soffici (energia < 12001500 eV) eccitando le transizioni degli elettroni appartenenti ai gusci elettronici più interni (K e L). Il sistema sottoposto ad un flusso di energia radiante opportuna emette elettroni primari (fotoelettroni). Tali elettroni, avendo energie di legame caratteristiche per ogni elemento chimico, permettono di identificare la specie atomica da cui provengono e quantificare la composizione atomica del campione in esame. In opportune condizioni è possibile ricavare informazioni circa il tipo di intorno chimico in cui l’atomo è inserito, essendo l’energia di legame sensibile alla natura dei legami coinvolti (ad esempio C-C, C-O, oppure C-F). Il processo di fotoemissione comporta la formazione di una lacuna nel livello di origine del fotoelettrone, che viene saturata da un elettrone proveniente da un livello energetico superiore; da questo si può, infine, ottenere l’emissione di un elettrone (emissione Auger) o di un fotone (emissione di fluorescenza ai raggi X).
Abbiamo analizzato mediante XPS i film PEGMA77-co-AF23, PEGMA74-co-AF25-
co-JCBF1 e PEGMA77-b-MAF23 preparati mediante spin coating. I film sottili ottenuti
(spessore inferiore a 500 nm) prima di essere utilizzati, sono stati seccati alla pompa meccanica per almeno 3 ore per eliminare le tracce di solvente rimaste intrappolate nella matrice e poi ricotti in stufa per 6 ore a 100 °C. Gli spettri XPS sono stati registrati nella regione 200–800 eV per tre angoli di fotoemissione (tra la normale alla superficie e la direzione di uscita degli elettroni verso il rivelatore) di 70, 45 e 20°, corrispondenti a
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profondità di campionamento crescenti stimabili nell’intervallo approssimativo di 3–10 nm per C(1s).
Per i campioni analizzati erano ben evidenti i picchi dovuti alle transizioni C(1s) a ~ 290 eV, O(1s) a ~ 536 eV e F(1s) a ~ 693 eV (Figura 3.37). Molto meno intenso appariva il segnale F(2s) a circa 40 eV. I dati quantitativi delle percentuali atomiche riscontrate per i vari campioni in funzione dell’angolo di fotoemissione sono riassunti nella Tabella 3.21, nella quale sono anche riportati quelli per C, O e F desunti dalla composizione chimica teorica dei copolimeri.
In generale, i valori delle composizioni determinati variavano con , indicando che esisteva un gradiente di composizione perpendicolarmente alla superficie del film. In particolare, la percentuale di F diminuiva al crescere di , ovvero al crescere della profondità di campionamento; al contrario la percentuale di C ed O variava inversamente a . Per ogni campione il contenuto di F era sempre sensibilmente superiore a quello teorico, mentre quello di C ed O era in ogni caso inferiore. Queste differenze erano ancor più marcate per il copolimero PEGMA77-b-MAF23 avente una struttura a blocchi. In tutta evidenza, la superficie più esterna del film polimerico si era arricchita in fluoro a seguito della segregazione di fase superficiale del blocco fluorurato a più bassa energia.
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Figura 3.37: Spettri XPS dei copolimeri PEGMA77-co-AF23 (in alto) e PEGMA77-b-MAF23 (in basso)
Tabella 3.21: Dati di analisi XPS dei copolimeri PEGMA77-co-AF23, PEGMA77-b-AF23 e PEGMA74-co-AF25-co- JCBF1 Film (°) C (%) O (%) F (%) PEGMA77-co-AF23 70 48.1 17.0 34.9 45 53.4 23.1 23.5 20 57.9 24.2 17.9 teor.a) 61 26 13 PEGMA77-b-MAF23 70 43.5 11.8 44.7 45 50.2 18.8 31.0 20 54.8 22.0 23.2 teor.a) 61 26 13 PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 70 52.4 19.0 28.6 45 58.3 23.5 18.2 20 59.6 25.2 15.2 teor.a) 61 25 14
a) Percentuale atomica teorica calcolata secondo la stechiometria nota dei copolimeri analizzati.
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Il segnale C(1s) a circa 290 eV risultava strutturato in varie componenti sovrapposte dovute alla presenza di atomi di carbonio chimicamente diversi tra loro. La deconvoluzione del picco in cinque componenti ha consentito di evidenziare i vari contributi percentuali dei gruppi atomici di diversa natura (Figura 3.38). Le componenti a 292,1 eV e 294,6 eV originavano, rispettivamente, dai gruppi CF2 e CF3 delle catene laterali delle counità fluorurate. I picchi centrati a 289,2 eV, 286,6 eV e 285,0 eV derivavano, rispettivamente, dalla transizione degli atomi di C dei gruppi C(=O)O, C-O- C e C-C. In Tabella 3.22 vengono presentate le composizioni percentuali teoriche e sperimentali dei vari raggruppamenti presenti in questi film ( = 70°). Dall’osservazione dei valori riportati è evidente come la superficie dei film dei copolimeri fosse fortemente arricchita nel componente fluorurato, essendo le percentuali teoriche dei gruppi CF2 e CF3 significativamente più basse di quelle sperimentali. Si può sottolineare qui che, nonostante l’evidente arricchimento in fluoro degli strati molecolari più esterni della superficie dei film polimerici provato dall’XPS, i film tuttavia erano bagnati pressoché completamente dall’acqua, e in misura minore dall’n-esadecano, come dimostrato dalle misure di angolo di contatto. La natura polare della superficie dei film era dettata dal contributo delle catene idrofile delle counità PEGMA, che sovrastava il contributo delle catene idrofobe, e lipofobe, delle counità AF (o MAF).
Figura 3.38: Deconvoluzione del segnale C(1s) per il copolimero PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 ( = 70°)
a b
c
d
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Tabella 3.22: Dati di deconvuluzione del segnale C (1s) per i copolimeri PEGMA77-co-AF23, PEGMA77-b-MAF23 e PEGMA74-co-AF25-co-JCBF1 ( = 70°) Copolimero a (285,0 eV) (%) b (286,6 eV) (%) c (289,2 eV) (%) d (292,1 eV) (%) e (294,6eV) (%) PEGMA77-co-AF23 teor.a) 18 52 9 15 6 20 63 7 8 2 PEGMA77-b-MAF23 teor.a) 15 44 7 26 8 20 63 7 8 2 PEGMA74-co-AF25-co- JCBF1 teor.a) 24 53 7 13 3 20 62 7 9 2
a) Percentuale atomica teorica calcolata secondo la stechiometria nota dei copolimeri analizzati.
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4 Considerazioni Conclusive
I copolimeri anfifilici con una adeguata struttura primaria capaci di auto-assemblarsi per via intramolecolare in nanostrutture unimolecolari, specificatamente in micelle unimere in soluzione acquosa, sembrano candidati promettenti per numerose potenziali applicazioni nelle tecnologie e biotecnologie industriali. Queste possono spaziare dalla catalisi verde agli enzimi artificiali, dai dispositivi per il trasporto e il rilascio controllato di sostanze alla modifica superficiale di substrati funzionali. Lavorare con nanotecnologie a base di sistemi con ripiegamento a catena singola risulterebbe vantaggioso in termini di economia atomica e di diminuzione delle dimensioni raggiungibili rispetto alle presenti nanotecnologie convenzionali, che invece operano con aggregati intermolecolari collettivi. Per di più, la stabilizzazione non covalente delle strutture auto-organizzate comporterebbe, inoltre, un notevole ampliamento delle prestazioni possibili, essendo l’assemblaggio reversibile, e quindi modulabile chimicamente e suscettibile a stimoli esterni (ad esempio solvente, pH, temperatura). Tale aspetto appare cruciale per quei materiali che interagiscano con i sistemi biologici attraverso relazioni specifiche sensibili a variazioni di pochi nanometri, come nel caso dell’adsorbimento proteico e della crescita di cellule e microrganismi. In quest’ultimo contesto, i copolimeri sintetizzati potrebbero essere utilizzati come polimeri attivi alla superficie da ancorare in film compositi a matrice polimerica idrofoba per generare (nano)domini discreti ambigui, cioè capaci di interferire con gli agenti biovegetativi (biofouling) marini durante le loro fasi di esplorazione e riconoscimento, inibendone lo stanziamento e l’adesione.
I copolimeri anfifilici preparati in questo lavoro di tesi soddisfano ad alcuni dei prerequisiti che sembrano richiesti per sistemi macromolecolari candidati alla formazione di micelle unimere mediante ripiegamento della singola catena anfifilica a seguito delle interazioni intramolecolari dei costituenti chimici, in particolare delle catene laterali fluoroalchiliche, altamente idrofobe (e lipofobe). La versatilità della polimerizzazione radicalica controllata a trasferimento d’atomo ha consentito di progettare e preparare i copolimeri in cui la composizione chimica delle counità idrofobe e idrofile è stata variata in modo prevedibile e controllabile entro un intervallo ampio (90-70 mol% idrofilo). Ciò ha di fatto assicurato la solubilità in acqua (e altri
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solventi) dei copolimeri e, di conseguenza, ha consentito di verificare la capacità di nanostrutturazione spontanea in funzione del rapporto idrofilo/idrofobo introdotto per via sintetica. L’esatta natura di questi nano-oggetti rimane da confermare definitivamente in termini di morfologia, conformazione e dinamica, ma appare chiaro che il ripiegamento spontaneo delle singole catene macromolecolari indotto dalle interazioni idrofobe in funzione del bilancio idrofobo/idrofilo rappresenta un meccanismo efficace per la generazione di micelle unimere in soluzione acquosa. Uno sviluppo futuro di questa parte del lavoro di tesi dovrebbe consistere di indagini teoriche-computazionali di modelli del ripiegamento della singola catena in soluzione dei copolimeri anfifilici statistici.
La formazione di micelle unimere e dei loro aggregati non viene inibita dall’introduzione di cromofori fluorescenti e rotori molecolari nei sistemi anfifilici in soluzione acquosa, ma al contrario è consentito incorporare ‘difetti’ chimici nella struttura di terpolimeri, in cui un terzo componente fluoroforo può essere sfruttato come sonda dell’assemblaggio spontaneo in nanostrutture tridimensionali ordinate, a loro volta costituite da compartimenti più o meno accessibili all’interno dell’unica macromolecola collassata. Tali sistemi potrebbero essere utilizzati per sviluppare nuovi bioconiugati ibridi, ad esempio con proteine e enzimi, intrinsecamente marcati per studi di biodisponibilità e biomappatura in fluorescenza.
Di speciale interesse è risultato il netto comportamento termoresponsivo di aggregazione intermolecolare, cioè intermicellare, al di sopra di una temperatura critica di transizione di fase: a seguito della diminuzione della solubilità all’aumentare della temperatura, con la contrazione delle catene idrofile ad essa associata, più micelle collassano in strutture submicroscopiche o microscopiche, le quali reversibilmente conducono alle originali micelle unimolecolari per raffreddamento al di sotto della temperatura critica. Questo processo fornisce un sistema responsivo che potrebbe essere impiegato per caricare/rilasciare sostanze al di sotto/sopra di tale temperatura. Per di più essa dipende sensibilmente dalla struttura chimica primaria del copolimero anfifilico, lasciando intravvedere l’opportunità di indurre la transizione di fase a temperatura ambiente o a temperatura fisiologica. Oltre le analisi già avviate di diffusione dinamica della luce, diffusione della fluorescenza e di trasferimento di energia per risonanza,
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l’utilizzo di tecniche di diffusione dei neutroni a basso angolo consentirebbe di condurre indagini approfondite della morfologia, la conformazione e la dinamica dei diversi aggregati intermolecolari in soluzione di D2O e D2O/H2O.
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