Nanoscale Structure of Advanced Soft Materials for Innovative Applications

My Ph.D. research work was focused on the investigation of new soft materials, in particular new liquid crystals, polymers and biosystems, of potential interest for innovative applications in the fields of nano- and bio-technologies including novel electronic and photonic devices, high mechanical-performance materials, biomaterials for nanomedicine and biosensing. The main purpose of my research work was the study of the relationships between the peculiar macroscopic properties of these materials and their structure at the nanoscale. To this end, a key role was played by the X-ray diffraction and scattering techniques used as the primary tool of experimental investigation. The X-ray measurements were carried out at the synchrotron light sources of the European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (France), ELETTRA, Trieste (Italy), and ALBA, Barcelona (Spain), in the context of officially approved experiments. A series of complementary techniques were also employed to better characterize these materials, in collaboration with other international research groups. The research work can be identified with four main topics: i) the influence of the molecular structure on the nematic phase of bent-core liquid crystals. The recently discovered cybotactic nanostructure of their nematic phase makes them the ideal candidates for the two most sought after and elusive properties of liquid crystals, namely the nematic biaxiality and the nematic ferroelectricity, widely recognized as the Holy Grail of the liquid crystal science. The findings suggest useful clues to guide the research effort towards the synthesis of novel bent-core mesogens exhibiting such features; ii) the study of the nanostructure and molecular ordering of ultra-thin films of bent-core mesogens deposited on solid substrate to gain insight into the mechanisms of anchoring and self-assembling of liquid crystal molecules at the interface and investigate the molecular space arrangement (in-plane and out-of-plane order). We obtained a highly ordered film with the anisotropic in-plane structure of the liquid crystal molecules, which has never been reported in the literature for these systems; iii) structural study of a reactive thermotropic liquid crystal used in the production of a new class of high-temperature/high-performance thermosets - crosslinked 3D networks designed to preserve the local nematic morphology in the solid state. High-temperature X-ray diffraction studies made it possible for the first time to monitor the transformation of the ethynyl end-group and to follow the evolution of the nematic phase during the chain extension/cross-linking reactions; iv) the structural and physico-chemical characterization of novel lyotropic liquid crystalline nanosystems for their potential applications in the development of efficient and biocompatible vectors for drug delivery in nanomedicine. The study was focused on the incorporation of a cationic surfactant in the phytantriol cubic phase, unloaded and loaded with the anticancer drug 5-fluorouracil. The study evidences the efficiency of the phytantriol/ionic surfactant system as anticancer drug delivery vectors.

Il lavoro di ricerca svolto durante il mio dottorato è stato focalizzato sullo studio di nuovi materiali soffici, in particolare cristalli liquidi, polimeri e sistemi biologici, di particolare interesse per applicazioni innovative nel campo delle nano e bio tecnologie come nuovi dispositivi fotonici ed elettronici, materiali con alte performance meccaniche e biomateriali per la nanomedicina. Lo scopo principale della mia ricerca è stato lo studio delle relazioni tra le peculiari proprietà macroscopiche di questi materiali e la loro struttura nanoscopica. A tal fine, le tecniche di diffrazione e scattering di raggi X hanno avuto un ruolo chiave, in quanto sono state usate come principale strumento di studio. Gli esperimenti sono stati condotti presso sorgenti di luce di sincrotrone quali l’European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (Francia), ELETTRA, Trieste (Italia) e ALBA, Barcellona (Spagna), nel contesto di esperimenti approvati ufficialmente. Inoltre, in collaborazione con altri gruppi di ricerca internazionale, sono state applicate tecniche complementari a questi materiali per ottenere una caratterizzazione completa. Il lavoro di ricerca può essere identificato in quattro tematiche principali: i) l’influenza della struttura molecolare sulla fase nematica di cristalli liquidi bent-core. La recente scoperta della nanostruttura cibotattica della loro fase nematica rende queste molecole i candidati ideali per le due proprietà più ricercate ed elusive dei cristalli liquidi, cioè la biassialità e la ferroelettricità nella fase nematica, largamente riconosciute come le pietre miliari della scienza dei cristalli liquidi. I risultati ottenuti suggeriscono utili indizi per guidare la ricerca verso la sintesi di mesogeni bent-core che mostrano tali caratteristiche; ii) lo studio delle nanostrutture e dell’ordine molecolare di film ultra sottili di mesogeni bent-core depositati su substrati solidi per conoscere i meccanismi di ancoraggio e self-assembling di molecole di cristallo liquido all’interfaccia, studiando l’arrangiamento spaziale delle molecole (ordine in-plane e out-of-plane). Abbiamo ottenuto un film altamente ordinato con una struttura anisotropa in-plane delle molecole di cristallo liquido, risultato mai riportato in letteratura per questi sistemi; iii) studio strutturale di un cristallo liquido termotropico reattivo usato nella produzione di una nuova classe di thermoset (networks 3D interconnessi designati a preservare la morfologia nematica locale nello stato solido) con alte performance. Esperimenti di diffrazione di raggi X alle alte temperature hanno reso possibile per la prima volta il monitoraggio della trasformazione del gruppo etinilico terminale e seguire l’evoluzione della fase nematica durante il cross-linking della catena; iv) la caratterizzazione strutturale e fisico-chimico di innovativi nanosistemi liquido cristallini per la loro potenziale applicazione nello sviluppo di vettori efficienti e biocompatibili per il drug delivery nel campo della nanomedicina. Lo studio è stato focalizzato sull’incorporazione di un surfattante cationico nella fase cubica del fitantriolo, con e senza il farmaco antitumorale fluorouracile. Lo studio ha evidenziato l’efficienza del sistema fitantriolo/surfattante ionico come vettore per il drug delivery antitumorale.