Nanopartikelnetværksdesign forstærket af teori

I tæt på to årtier, Cornell-forskere har udviklet processer til brug af polymerer til selvsamling af uorganiske nanopartikler til porøse strukturer, der kan revolutionere elektronik, energi og mere.

Denne proces er nu blevet drevet til et hidtil uset præcisionsniveau ved hjælp af metal nanopartikler, og understøttes af grundig analyse af de teoretiske detaljer bag hvorfor og hvordan disse partikler samles med polymerer. En sådan dyb forståelse af det komplekse samspil mellem kemi og fysik, der driver kompleks selvsamling, baner vejen for, at disse nye materialer kan komme ind i mange applikationer, fra elektrokatalyse i brændselsceller til spændingskonduktans i kredsløb.

Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i materialer Videnskab og teknik, ledet, hvad der sandsynligvis er den mest omfattende undersøgelse til dato af blokcopolymer nanopartikels selvmonteringsprocesser. Undersøgelsen blev offentliggjort online 21. februar i Naturkommunikation .

Udefra, processen ser enkel nok ud. Begynd med platin- og guldpartikler, der vokser fra en forløber. Et kemikalie kaldet en ligand dækker partiklerne og kontrollerer præcist deres størrelse. Tilføj til dette designet molekyler kaldet blokcopolymerer - lange kæder af to eller tre organiske materialer. Polymerne kombineres med platin og guld nanopartikler, som alle samles til ordnet, kubisk, tredimensionelle strukturer. Ets polymeren væk, og hvad der er tilbage er snesevis af nanopartikler, der danner porøse 3-D kubiske netværk.

Hvert trin - fra den nøjagtige struktur af liganderne, til syntesen af ​​polymererne - kræver præcis kemi og detaljeret forståelse af hvert materiales rolle. Nature Communications -analysen trak på ekspertisen fra samarbejdspartnere inden for elektron tomografi, energidispersiv mikroskopi og perkolationsteori. For eksempel, samarbejdspartnere fra Japan Science and Technology Agency brugte elektron tomografi til at kortlægge placeringen af ​​hver enkelt partikel i prøverne, som derefter kunne sammenlignes med teoretiske forudsigelser. Resultatet er et omfattende sæt designkriterier, der kan føre til klargøring af disse partikelnetværk til løsning af større løsninger.

"Ikke alene kan vi lave disse materialer, men især via elektron tomografi, vi kan analysere disse strukturer i en dybde, der bare ikke er blevet gjort før, "Wiesner sagde." Sammenligningen med teori giver os mulighed for fuldt ud at forstå de fysiske mekanismer, hvormed disse strukturer dannes. "

Hvorfor være så opmærksom på disse selvsamlede nanopartikelnetværk? De er lavet på en måde, der aldrig ville ske i naturen eller ved konventionelle laboratoriemidler. De er ensartede porøse med et højt overfladeareal og, derfor, er yderst katalytiske og potentielt nyttige til energianvendelser.

Måske bedst af alt, arbejde med polymerer betyder omkostningseffektivt, storskala behandling kan være et øjeblik.

Flere årtiers polymervidenskab har givet verden en effektiv skalerbarhed, der er uovertruffen i materialeverdenen - tænk på plastproduktion. Wiesner og kolleger har bevist konceptet med selvmonterede metal-nanopartikler ved hjælp af blokcopolymerbaseret løsningsbehandling, der går ud over "hætteglasset i et laboratorium, "Sagde Wiesner.

"Nu hvor vi forstår, hvordan det hele fungerer, vores proces egner sig let til større produktion af sådanne materialer, " han sagde.