Selvsamlende nanorods:Forskere opnår 1-, 2- og 3-D nanorod-arrays og netværk

(PhysOrg.com) -- En relativt hurtig, nem og billig teknik til at inducere nanorods - stavformede halvleder nanokrystaller - til selv at samles til en-, to- og endda tredimensionelle makroskopiske strukturer er blevet udviklet af et team af forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Denne teknik skulle muliggøre mere effektiv brug af nanorods i solceller, magnetiske lagringsenheder og sensorer. Det skal også hjælpe med at booste de elektriske og mekaniske egenskaber af nanorod-polymer-kompositter.

Leder af dette projekt var Ting Xu, en polymerforsker, der har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division og University of California (UC) Berkeleys Departments of Materials Sciences and Engineering, og kemi. Xu og hendes forskergruppe brugte blokcopolymerer - lange sekvenser eller "blokke" af en type monomer bundet til blokke af en anden type monomer - som en platform til at guide selvsamlingen af ​​nanorods ind i komplekse strukturer og hierarkiske mønstre. Blokcopolymerer har en medfødt evne til selv at samle sig til veldefinerede arrays af strukturer i nanostørrelse over makroskopiske afstande.

"Vores er en enkel og alsidig teknik til at kontrollere orienteringen af ​​nanorods inden for blokcopolymerer, " siger Xu. "Ved at variere morfologien af ​​blokcopolymererne og den kemiske natur af nanoroderne, vi kan levere den kontrollerede selvsamling i nanorods og nanorod-baserede nanokompositter, der er afgørende for deres brug i fremstillingen af ​​optiske og elektroniske enheder."

Xu er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning, som er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver under titlen "Direct Nanorod Assembly Using Block Copolymer-Based Supramolecules." Medforfatter til papiret var Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni og Peter Ercius.

Nanorods – stofpartikler tusind gange mindre end nutidens mikroteknologier – viser meget eftertragtede optiske, elektroniske og andre egenskaber, der ikke findes i makroskopiske materialer. For fuldt ud at realisere deres enorme teknologiske løfte, imidlertid, nanorods skal være i stand til at samle sig selv i komplekse strukturer og hierarkiske mønstre, svarende til, hvad naturen rutinemæssigt opnår med proteiner.

Xu og hendes forskergruppe fik først blokcopolymerer som allierede i denne selvsamlingsindsats i 2009, arbejder med de sfæriske nanopartikler, almindeligvis kendt som kvanteprikker. I den undersøgelse de surrede kvanteprikker for at blokere copolymerer via en "mediator" af små klæbende molekyler. I denne seneste udvikling, Xu og hendes gruppe gjorde igen brug af klæbende molekyler, men denne gang for at formidle mellem nanorods og supramolekyler af blokcopolymerer. Et supramolekyle er en gruppe af molekyler, der fungerer som et enkelt molekyle i stand til at udføre et bestemt sæt funktioner.

"Blok-copolymer-supramolekyler samler sig selv og danner en bred vifte af morfologier, der har mikrodomæner, der typisk er et par til titusinder af nanometer i størrelse, " siger Xu. "Da deres størrelse er sammenlignelig med nanopartiklers, mikrodomænerne af blokcopolymer supramolekyler giver en ideel strukturel ramme til samsamling af nanorods."

Xu og hendes gruppe inkorporerer nanorods i opløsninger af blokcopolymer supramolekyler, der danner sfæriske, cylindriske og lamellære mikrodomæner. Under tørringsprocessen bidrager energi til systemet fra interaktionerne mellem nanorod-ligander og polymerer, entropien forbundet med polymerkædedeformation ved inkorporering af nanorod, og interaktionerne mellem individuelle nanorods. Xu og hendes gruppe observerede, at disse energiske bidrag bestemmer placeringen og fordelingen af ​​nanoroderne, samt den overordnede morfologi af nanorodblok-copolymerkompositterne. Disse energiske bidrag kan let indstilles ved at variere den supramolekylære morfologi, hvilket opnås blot ved at fæstne forskellige typer små molekyler til sidekæderne af blokcopolymererne.

"Vi kan let få adgang til et bredt bibliotek af nanorod-samlinger, herunder arrays af nanorods, der er justeret parallelt med blokcopolymer-cylindriske mikrodomæner, kontinuerlige nanorod-netværk, og nanorod-klynger, " siger Xu. "Da den makroskopiske justering af blokcopolymer-mikrodomæner kan opnås i bulk og i tynde film ved anvendelse af eksterne felter, vores teknik skulle åbne op for en farbar vej til at manipulere de makroskopiske justeringer af nanorods."

Denne nye teknik kan producere ordnede arrays af nanorods, der er makroskopisk justeret med justerbare afstande mellem individuelle stænger - en morfologi, der egner sig til produktion af plasmonics, som er materialer, der lover meget for superhurtige computere, ultrastærke optiske mikroskoper, og endda skabelsen af ​​usynlighedstæpper. Det er også en ligetil nanopartikel-selvsamlingsteknik, der kan producere et kontinuerligt netværk af nanorods med nanoskopiske adskillelsesafstande. Sådanne netværk kan forbedre de makroskopiske egenskaber af nanokompositter, herunder elektrisk ledningsevne og materialestyrke.

Xu tilskriver en stor del af succesen med denne forskning de enestående kapaciteter og personale ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), en DOE national brugerfacilitet på Berkeley Lab, som er hjemsted for verdens kraftigste elektronmikroskoper.

"Til studiet af tredimensionelle nanorod-samlinger, vi havde brug for at implementere højopløsningstomografi, og dette udgjorde en udfordring ikke kun for at indsamle billeddata, men også for at behandle dem, " siger Xu. "Ekspertisen og dygtigheden hos NCEM's Peter Ercius var uvurderlig."

Xu og hendes gruppe undersøger nu selvsamlingen af ​​halvledernanokrystaller, der tager form af terninger eller tetrapoder, som begge har vigtige potentielle anvendelsesmuligheder for solcelleteknologier og andre teknologier.

"Vi vil også gerne undersøge selvsamlingen af ​​nanopartikler i kombinationer af forskellige former, " siger Xu.