• nanofilm
• PEDOT/PSS
• polimeri conduttori
• free-standing

Il presente lavoro di tesi ha riguardato la realizzazione di nanofilm free-standing di polimeri conduttori.
Tali nanofilm sono film polimerici flessibili free-standing privi di un supporto e caratterizzati da un’ampia area superficiale (dell’ordine di qualche cm2 ) e da spessori compresi tra decine a poche centinaia di nanometri. Tali strutture hanno trovano applicazione in ambito biomedico, ad esempio, nello sviluppo di sensori, nei campi del trasporto e rilascio controllato di farmaci, nonché nel campo dell’attuazione e della stimolazione cellulare. Se, da un lato, i nanofilm free-standing sono in grado di fornire prestazioni evolute nell’ambito della robotica per mezzo della loro elevata flessibilità, dall’altro la loro realizzazione e caratterizzazione strutturale risulta più problematica a causa della loro scarsa maneggevolezza. A causa di tutti questi limiti, nonostante l’attenzione dedicata recentemente a tali materiali nanostrutturati, non sono presenti in letteratura lavori riguardanti l’analisi del comportamento elettrico di strutture nanometriche free-standing. La conoscenza delle proprietà elettriche è di indubbio valore in previsione di applicazioni in ambito biorobotico. La possibilità di costruire strutture nanometriche intrinsecamente conduttive consente il loro utilizzo diretto come “smart material” al fine di controllare direttamente il comportamento meccanico con stimolazioni di natura elettrica.
Da più di un decennio, l’elettronica organica continua a destare un notevole interesse nella realizzazione di dispositivi basati su semiconduttore organico, visti come una valida alternativa ai tradizionali dispositivi inorganici. Il vantaggio nell’utilizzare i materiali organici, consiste, in primo luogo, nella loro facile processabilità e nel basso costo di produzione dei dispositivi finiti. Ciò è dovuto in particolare alla loro solubilità in solventi comuni che permette di depositarne strati sottili con procedimenti economici come lo spin-coating o il solvent casting eseguibili in normali condizioni ambientali.
L’idea è quella di realizzare dei nanofilm che abbiano delle buone proprietà di conduzione elettrica ma che siano allo stesso tempo dotati di un’elevata flessibilità e possano essere manipolati con una certa facilità.
Nel presente lavoro di tesi, partendo da una valutazione delle diverse caratteristiche dei polimeri conduttori esistenti, si è pensato di utilizzare il poli(3,4-ethilenedioxithiophene) poli(stirene sulfonate) (PEDOT:PSS). Infatti il PEDOT:PSS mostra le proprietà migliori per la realizzazione dei nanofilms: tale polimero si presenta come una soluzione colloidale (particelle di PEDOT disperse in soluzione acquosa), questo grazie al fatto che il PEDOT, polimero già intrinsecamente conduttore, viene complessato con il PSS che grazie ai gruppi polari presenti in esso (solfonato) rendono il complesso PEDOT/PSS solubile in acqua. Ciò ha permesso la realizzazione dei nanofilm utilizzando la tecnica dello “spin coating” e permettendo perciò un controllo fine di parametri quali velocità e tempi di rotazione che sono legati alla variazione dello spessore del nanofilm e alla conseguente variazione delle caratteristiche elettriche. Buona parte del lavoro ha riguardato l’individuazione dei materiali e dei metodi adatti alla realizzazione dei nanofilm free-standing e successivamente l’ottimizzazione di essi. Sono stati realizzati test su diversi tipi di substrati e materiali e sono stati sottoposti i campioni a diversi trattamenti per migliorare le proprietà superficiali oltre ad aver valutato l’effetto indotto dal riscaldamento e dall’umidità.
Sono stati realizzati nanofilm supportati e nanofilm free-standing. I nanofilm supportati su silicio sono stati realizzati per effettuare una comparazione delle caratteristiche strutturali ed elettriche con il materiale presente in letteratura. I nanofilm free-standing sono invece il risultato della ricerca di una struttura che sia flessibile, di piccole dimensioni e conduttiva.
I nanofilm free-standing possono essere rilasciati in acqua o in acetone a seconda della modalità di realizzazione.
Sono state utilizzate due tipologie commerciali di PEDOT:PSS: PEDOT PAG e PEDOT PH1000 che differiscono tra loro per il rapporto di concentrazione tra il PEDOT e il PSS. Questo diverso rapporto di concentrazione è alla base di una maggiore o minore conduttività. Sono state scelte queste due tipologie in quanto la prima è quella maggiormente menzionata in letteratura, ed è quindi stata presa in considerazione come riferimento, mentre la seconda è quella che promette le migliori caratteristiche di conduttività.
Sono stati realizzati dei nanofilms free-standing in grado di flottare in ambiente liquido dotati di un’estrema flessibilità, buona maneggevolezza e limitata degradabilità nel tempo nonché di buone proprietà conduttive.

I film sia ripescati che supportati sono stati sottoposti ad un’analisi strutturale, morfologica ed elettrica. Mediante l’ausilio del microscopio a forza atomica (AFM) e di un sistema che effettua un’analisi di riflettometria sono stati valutati gli spessori e la rugosità dei campioni. Per quanto riguarda la caratterizzazione elettrica, per la valutazione della resistenza superficiale e della relativa conduttività, si è fatto ricorso al metodo delle quattro punte.
Dalle prove effettuate emerge come sia stato realizzato un sistema che risponde sia ad un’esigenza di miniaturizzazione (massima dimensione dell’ordine dei 100 nm) che ad un’esigenza di conduzione elettrica registrando dei buoni valori di conduttività del film, anche a seguito del ripescaggio dall’ambiente acquoso.
Una peculiarità del PEDOT:PSS è la sua biocompatibilità che determina la possibilità di impiego dei nanofilm in ambito biomedico. Una delle ipotesi che è stata presa in considerazione nel lavoro di tesi è quella di utilizzare i nanofilm come strutture sulla quale effettuare una coltura cellulare. L’idea è quella di avere un supporto dotato di un’elevata flessibilità e soprattutto di una buona conduttività per effettuare la stimolazione cellulare con degli impulsi elettrici controllati. Sono state realizzate delle fibre a partire dai nanofilm rilasciati in acqua, su cui sono state fatte crescere di cellule muscolari scheletriche. Con una colorazione in fluorescenza con calceina si è valutata la viabilità cellulare a 24 ore, evidenziando come le cellule si dispongano nelle corrugazioni della fibra a conferma della biocompatibilità del PEDOT:PSS.
Tutte queste caratteristiche confermano la possibilità dell’utilizzo di tali film sottili in ambito biomedico considerando che: sono biocompatibili, possono essere controllati elettricamente, richiedono bassi voltaggi, hanno un’elevata stabilità a temperatura ambiente e corporea, hanno un basso peso, possono essere rapidamente micro fabbricati e possono lavorare in un liquido elettrolitico e anche nei fluidi corporei.