Forskere finder en ny vej til nano-selvsamling

(PhysOrg.com) -- Hvis løftet om nanoteknologi skal opfyldes, nanopartikler bliver nødt til at kunne lave noget ud af sig selv. Et vigtigt fremskridt i retning af dette mål er blevet opnået af forskere fra det amerikanske energiministerium Lawrence Berkeley National Laboratory, som har fundet en enkel og alligevel kraftfuldt robust måde at få nanopartikler til at samle sig i komplekse arrays.

Ved at tilføje specifikke typer små molekyler til blandinger af nanopartikler og polymerer, forskerne er i stand til at styre selvsamlingen af ​​nanopartiklerne i arrays af én, to og endda tre dimensioner uden kemisk modifikation af hverken nanopartiklerne eller blokcopolymererne. Ud over, anvendelse af eksterne stimuli, lys og/eller varme, kan bruges til yderligere at dirigere samlingerne af nanopartikler til endnu finere og mere komplekse strukturelle detaljer.

"Vi har demonstreret en enkel, men alsidig tilgang til præcist at kontrollere den rumlige fordeling af let tilgængelige nanopartikler over flere længdeskalaer, lige fra nano til makro, " siger Ting Xu, en polymerforsker, der ledede dette projekt, og som har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og University of California, Berkeleys afdelinger for materialevidenskab og teknik, og kemi. "Vores teknik kan bruges på en bred vifte af nanopartikler og bør åbne nye ruter til fremstilling af nanopartikelbaserede enheder, herunder højeffektive systemer til generering og opbevaring af solenergi."

Xu er den tilsvarende forfatter på et papir, der beskriver dette arbejde, som er blevet udgivet af tidsskriftet Naturmaterialer . Papiret har titlen:"Små molekyle-dirigeret nanopartikelsamling mod stimuli-responsive nanokompositter." Yue Zhao var medforfatter af dette papir sammen med hende, Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni, Thomas Schilling, Joseph Luther, Benjamin Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniel Poulsen, Jean Fréchet og Paul Alivisatos.

Kunsten at samle sig selv

Partikler i nanostørrelse - stofstykker på få milliardtedele meter store, eller mere end hundrede gange mindre end nutidens mikroteknologier - viser meget eftertragtede egenskaber, der ikke findes i makroskopiske materialer, herunder optisk, elektronisk, magnetiske, osv. Løftet om nanoteknologi er, at udnyttelse af disse unikke egenskaber i kommerciel skala kan give sådanne "game-changers" som bæredygtige, ren og billig energi, og skabelse efter behov af nye materialer med egenskaber skræddersyet til at opfylde specifikke behov. At realisere dette løfte starter med, at nanopartikler er i stand til at organisere sig i komplekse strukturer og hierarkiske mønstre, svarende til, hvad naturen rutinemæssigt opnår med proteiner.

"Nøjagtig kontrol af den rumlige organisering af nanopartikler og andre nanoskopiske byggesten over flere længdeskalaer har været en flaskehals i bottom-up-genereringen af ​​teknologisk vigtige materialer, " siger Xu. "De fleste af de metoder, der er blevet brugt indtil videre, har involveret overflademodifikationer."

Små som de er, nanopartikler er i det væsentlige alle overflade, så enhver proces, der ændrer overfladen af ​​en nanopartikel, kan dybtgående ændre egenskaberne af den partikel. Præcis at arrangere disse nanopartikler er afgørende for at skræddersy de makroskopiske egenskaber under nanopartikelsamling. Selvom DNA er blevet brugt til at inducere selvsamling af nanopartikler med en høj grad af præcision, denne tilgang fungerer kun godt for organiserede arrays, der er begrænset i størrelse; det er upraktisk til fabrikation i stor skala. Xu mener, at en bedre tilgang er at bruge blokcopolymerer - lange sekvenser eller "blokke" af en type monomermolekyle bundet til blokke af en anden type monomermolekyle.

"Blok-copolymerer samles let selv i veldefinerede arrays af nanostrukturer over makroskopiske afstande, " siger hun. "De ville være en ideel platform til at styre samlingen af ​​nanopartikler, bortset fra at blokcopolymerer og nanopartikler ikke er særligt kompatible med hinanden fra et kemisynspunkt. En mægler er påkrævet for at bringe dem sammen."

Xu og hendes gruppe fandt sådan en "mediator" i form af små molekyler, der vil forbinde sig med nanopartikler og derefter i stand til at binde sig selv og deres nanopartikelpartnere til overfladen af ​​en blokcopolymer. Til denne undersøgelse, Xu og hendes gruppe brugte to forskellige typer små molekyler, overfladeaktive midler (befugtningsmidler) kaldet "PDP" og "OPAP". Disse små molekyler kan stimuleres af lys (PDP) eller varme (OPAP) for at afbryde deres forbindelse til overfladen af ​​en blokcopolymer og genplaceres til et andet sted langs den polymere kæde. På denne måde, den rumlige fordeling af de små molekyle mediatorer og deres nanopartikelpartnere kan styres præcist uden behov for at modificere hverken nanopartiklerne eller polymererne.

"Det smukke ved denne teknik er, at den ikke involverer nogen sofistikeret kemi, " siger Xu. "Det er virkelig en plug and play-teknik, hvor du blot blander nanopartiklerne med blokcopolymererne og derefter tilføjer de små molekyler, du har brug for."

Til denne undersøgelse, Xu og hendes kolleger tilføjede små PDP- eller OPAP-molekyler til forskellige blandinger af nanopartikler, sådan
som cadmiumselenid og blysulfid, blandet med en kommerciel blokcopolymer - polystyren-blok-poly (4-vinylpyridin). Mens hun og hendes gruppe arbejdede med lys og varme, hun siger andre stimuli, såsom pH, kunne også bruges til at omplacere små molekyler og deres nanopartikelpartnere langs blokcopolymerformationer. Strategiske substitutioner af forskellige typer stimulus-responsive små molekyler kunne tjene som en mekanisme til strukturel finjustering eller til at inkorporere specifikke funktionelle egenskaber i nanokompositter. Xu og hendes kolleger er nu i gang med at tilføje funktionalitet til deres selvsamlingsteknik.

"Sambring de rigtige grundlæggende komponenter - nanopartikler, polymerer og små molekyler - stimulere blandingen med en kombination af varme, lys eller andre faktorer, og disse komponenter vil samles i sofistikerede strukturer eller mønstre, " siger Xu. "Det er ikke ulig hvordan naturen gør det."

Kilde:Lawrence Berkeley National Laboratory (nyheder:web)