Forskere leder selvsamlingen af ​​guldnanopartikler til tynde film, der er klar til enheden

Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley har instrueret den første selvsamling af nanopartikler til udstyrsklare materialer. Gennem en relativt let og billig teknik baseret på blanding af nanopartikler med blok-co-polymer supramolekyler, forskerne producerede flere lag tynde film fra stærkt bestilte en-, to- og tredimensionelle arrays af guldnanopartikler. Tynde film som disse har potentielle anvendelser til en lang række områder, herunder computerhukommelseslagring, energi høst, energilagring, fjernbetjening, katalyse, lysstyring og det nye felt inden for plasmonik.

"Vi har demonstreret en enkel, men alsidig supramolekylær tilgang til at kontrollere 3D-rumlige organisering af nanopartikler med enkeltpartikelpræcision over makroskopiske afstande i tynde film, "siger polymerforsker Ting Xu, der ledede denne forskning. "Mens de tynde guldfilm, vi lavede, var wafer-store, teknikken kan let producere meget større film, og det kan bruges på nanopartikler af mange andre materialer udover guld. "

Xu afholder fælles aftaler med Berkeley Labs afdeling for materialevidenskaber og UC Berkeleys afdelinger for materialevidenskab og teknik, og kemi. Hun er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Nano bogstaver med titlen "Nanopartikelsamlinger i tynde film af supramolekylære nanokompositter." Medforfatter af papiret var Joseph Kao, Peter Bai, Vivian Chuang, Zhang Jiang og Peter Ercius.

Nanopartikler kan betragtes som kunstige atomer med unikke optiske, elektriske og mekaniske egenskaber. Hvis nanopartikler kan lokkes til rutinemæssigt at samle sig til komplekse strukturer og hierarkiske mønstre, ligner, hvad naturen gør med proteiner, enheder tusind gange mindre end i dagens mikroteknologi kunne masseproduceres.

Xu og hendes forskergruppe er gået frem mod dette mål i det sidste årti. I en undersøgelse tidligere på året, de var i stand til at få stavformede halvleder-nanokrystaller til at samle sig til en-, to- og endda tredimensionelle makroskopiske strukturer. Med denne seneste anvendelse af deres metoder til tynde film, de har bevæget sig ind i området for materialeformer, der er nødvendige for fremstilling af enheder og er velegnede til skalerbar nanofremstilling.

"Det er første gang, at 2-D nanopartikelsamling, ligner dem opnået ved anvendelse af DNA -linkere og kontrolleret opløsningsmiddelfordampning, klart kan opnås i flerlag i supramolekylbaserede nanokomposit tynde film, "Xu siger." Vores supramolekylære tilgang kræver ikke kemisk ændring af nogen af ​​komponenterne i det sammensatte system og, ud over at levere et middel til at bygge nanopartikelbaserede enheder, bør også give en stærk platform til at studere nanopartikelstruktur-egenskabskorrelationer. "

Teknikken udviklet af Xu og hendes kolleger bruger løsninger af blok-co-polymer supramolekyler til at styre selvsamlingen af ​​nanopartikler. Et supramolekyle er en gruppe molekyler, der fungerer som et enkelt molekyle, der er i stand til at udføre et bestemt sæt funktioner. Blokcopolymerer er lange sekvenser eller "blokke" af en type monomer bundet til blokke af en anden type monomer, der har en medfødt evne til selv at samle sig til veldefinerede arrays af nanostørrelser over makroskopiske afstande.

"Blokcopolymer supramolekyler samler sig selv og danner en bred vifte af morfologier, der indeholder mikrodomæner, typisk nogle få til titalls nanometer i størrelse, "Xu siger." Da deres størrelse er sammenlignelig med nanopartikler, mikrodomænerne i blokcopolymer supramolekyler udgør en ideel strukturel ramme for co-selvsamling af nanopartikler. "

I denne seneste undersøgelse, Xu og hendes kolleger inkorporerede guldnanopartikler i opløsninger af blok-co-polymer supramolekyler til dannelse af film, der varierede i tykkelse mellem 100 og 200 nanometer. Nanokompositfilmene indeholdt mikrodomæner i en af ​​to almindelige morfologier - lamellære eller cylindriske. For de lamellære mikrodomæner, nanopartiklerne dannede hexagonalt pakket 2-D-ark, der blev stablet i flere lag parallelt med overfladen. For de cylindriske mikrodomæner, nanopartiklerne dannede 1-D-kæder (enkeltpartikelbredde), der blev pakket i forvrængede sekskantede gitter i parallel orientering med overfladen.

"Ved inkorporering af nanopartikler, blok-co-polymer supramolekylerne oplever konformationsændringer, resulterer i entropi, der bestemmer placeringen og fordelingen af ​​nanopartiklerne, samt den overordnede morfologi af nanokomposit tynde film, "Xu siger." Vores resultater indikerer, at det bør være muligt at generere højtordnede gitter af nanopartikler inden for blokcopolymer-mikrodomæner og opnå 3D-hierarkiske samlinger af nanopartikler med præcis strukturel kontrol. "

Mellempartikelafstanden mellem guldnanopartikler i 1-D-kæderne og 2-D-arkene var 8 til 10 nanometer, hvilket skaber spændende muligheder med hensyn til plasmonik, det fænomen, hvormed en lysstråle er begrænset i ultra-trange rum. Plasmonisk teknologi har et stort løfte om superhurtige computere og optisk mikroskopi, blandt andre applikationer. Imidlertid, en stor udfordring for at udvikle plasmonik har været vanskeligheden ved at fremstille metamaterialer med ædelmetal -nanopartikler såsom guld.

"Vores guld tynde film viser en stærk plasmonisk kobling langs mellempartikelafstanden i henholdsvis 1-D-kæderne og 2-D-plader, "Xu siger." Vi burde derfor kunne bruge disse film til at undersøge unikke plasmoniske egenskaber for næste generations elektroniske og fotoniske enheder. Vores supramolekylære teknik kan også bruges til at fremstille plasmoniske metamaterialer. "