Oprettelse af nanostrukturer fra bunden og op

Mikroskopiske partikler bliver lokket af Duke University-ingeniører til at samle sig selv i større krystallinske strukturer ved brug af varierende koncentrationer af mikroskopiske partikler og magnetiske felter.

Disse krystalstrukturer i nanoskala, som hidtil har været vanskelige og tidskrævende at producere ved hjælp af nuværende teknologier, kunne bruges som grundlæggende komponenter til avanceret optik, datalagring og bioteknik, sagde forskerholdet.

"Ikke kun udviklede vi det teoretiske grundlag for denne nye teknik, men vi demonstrerede i laboratoriet, at vi kunne skabe mere end 20 forskellige programmerede strukturer, " sagde Benjamin Yellen, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke's Pratt School of Engineering og ledende medlem af forskerholdet. Resultaterne af Duke-eksperimenterne blev offentliggjort online i tidsskriftet Naturkommunikation .

"På trods af løftet om at skabe nye klasser af menneskeskabte strukturer, nuværende metoder til at skabe disse små strukturer på en pålidelig og omkostningseffektiv måde er fortsat en skræmmende udfordring, " sagde Yellen. "Denne nye tilgang kan åbne veje til fremstilling af komplekse materialer, som ikke kan fremstilles ved nuværende teknikker."

Forskningen blev støttet af Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, som er finansieret af National Science Foundation.

Den traditionelle metode til at skabe menneskeskabte krystaller er beskrevet som "top-down" af Yellen, hvilket betyder, at de er formet ved litografi eller støbeteknikker, og kan ikke nemt laves i tre dimensioner.

"Vores tilgang er meget mere 'bottom up' i, at vi starter på niveauet af et model-"atom" og arbejder os op, " sagde Yellen.

Ved at manipulere magnetiseringen i en flydende opløsning, Duke-forskerne lokkede magnetiske og ikke-magnetiske partikler til at danne indviklede nanostrukturer, såsom kæder, ringe og gitter.

Nanostrukturerne er dannet inde i en væske kendt som en ferrofluid, som er en opløsning bestående af suspensioner af nanopartikler sammensat af jernholdige forbindelser. En af de unikke egenskaber ved disse væsker er, at de bliver stærkt magnetiserede i nærvær af eksterne magnetfelter. De partikler, der er mindre magnetiske end ferrofluiden, opfører sig på samme måde som negative ladninger, hvorimod de partikler, der er mere magnetiske end ferrofluiden, virker som positive ladninger. De modsatte partikler tiltrækker således hinanden til at danne strukturer, der ligner saltkrystaller.

Da magnetiseringen af ​​væsken og koncentrationerne af partiklerne styrer, hvordan partiklerne tiltrækkes af eller frastødes af hinanden, forskerne var i stand til at kontrollere samlingens former og mønstre. Ved passende at "tune" disse interaktioner, de magnetiske og ikke-magnetiske partikler dannes omkring hinanden ligesom et snefnug dannes omkring en mikroskopisk støvpartikel.

Ifølge Yellen, forskere har længe været i stand til at skabe små strukturer, der består af en enkelt partikeltype, men demonstrationen af ​​sofistikerede strukturer, der samles i opløsninger indeholdende flere typer partikler, har været vanskelig at opnå. Strukturen af ​​disse nanostrukturer bestemmer, hvordan de i sidste ende kan bruges.

Yellen forudser brugen af ​​disse nanostrukturer i avancerede optiske enheder, såsom sensorer, hvor forskellige nanostrukturer kunne designes til at have specialfremstillede optiske egenskaber. Yellen forestiller sig også, at ringe sammensat af metalpartikler kunne bruges til antennedesign, og måske som en af ​​nøglekomponenterne i konstruktionen af ​​materialer, der viser kunstig "optisk magnetisme" og negativ magnetisk permeabilitet.