Intense lasere tilbereder komplekse, selvmonterede nanomaterialer

Nanoskala materialer har ekstraordinære, milliarder af meter kvaliteter, der forvandler alt fra energiproduktion til datalagring. Men mens en nanostruktureret solcelle kan være fantastisk effektiv, at præcision er notorisk vanskelig at opnå på industrielle skalaer. Løsningen kan være selvmontering, eller træne molekyler til at sy sig sammen til højtydende konfigurationer.

Nu, forskere ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory har udviklet en laserbaseret teknik til at udføre nanoskala selvsamling med enestående lethed og effektivitet.

"Vi designer materialer, der bygger selv, "sagde Kevin Yager, en videnskabsmand ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Under de rigtige betingelser, molekyler vil naturligvis snappe ind i en perfekt konfiguration. Udfordringen er at give disse nanomaterialer det spark, de har brug for:jo varmere de er, jo hurtigere de bevæger sig rundt og slår sig ned i den ønskede formation. Vi brugte lasere til at skrue op for varmen. "

Yager og Brookhaven Lab postdoktorforsker Pawel Majewski byggede en enestående maskine, der fejer en fokuseret laserlinje hen over en prøve for at generere intense og øjeblikkelige temperaturstigninger. Denne nye teknik, kaldet Laser Zone Annealing (LZA), driver selvmontering med hastigheder mere end 1, 000 gange hurtigere end traditionelle industrielle ovne. Resultaterne er beskrevet i journalen ACS Nano .

"Vi skabte ekstremt ensartede selvsamlede strukturer på mindre end et sekund, "Sagde Majewski." Ud over den ekstraordinære hastighed, vores laser reducerede også de defekter og nedbrydninger, der findes i ovnopvarmede materialer. Denne kombination gør LZA perfekt til at transportere små laboratoriegennembrud til industrien. "

Forskerne forberedte materialerne og byggede LZA -instrumentet på CFN. De analyserede derefter prøver ved hjælp af avanceret elektronmikroskopi ved CFN og røntgenstråling ved Brookhavens nu pensionerede National Synchrotron Light Source (NSLS)-både DOE Office of Science User Facilities.

"Det var enormt glædeligt at se, at vores forudsigelser var korrekte - de enorme termiske gradienter førte til en tilsvarende enorm acceleration!" Sagde Yager.

Ovne kontra lasere

Forestil dig at forberede en kompleks kage, men i stedet for at bage det i ovnen, en spærre af lasere opvarmer den til perfektion på et øjeblik. Udover det, de rigtige tilberedningsbetingelser får ingredienserne til at blande sig til et billede-perfekt fad. Denne opskrift på nanoskala opnår noget lige så ekstraordinært og meget mere effektfuldt.

Forskerne fokuserede på såkaldte blokcopolymerer, molekyler indeholdende to sammenkoblede blokke med forskellige kemiske strukturer og egenskaber. Disse blokke har en tendens til at frastøde hinanden, som kan drive den spontane dannelse af komplekse og stive nanoskala strukturer.

"Prisen på deres fremragende mekaniske egenskaber er den langsomme kinetik ved deres selvsamling, "Majewski sagde." De har brug for energi og tid til at undersøge muligheder, indtil de finder den rigtige konfiguration. "

I traditionel blokcopolymer selvmontering, materialer opvarmes i en vakuumforseglet ovn. Prøven "bages" typisk i en periode på 24 timer eller længere for at give nok kinetisk energi til, at molekylerne kan snappe på plads - alt for lang til kommerciel levedygtighed. Den lange eksponering for høj varme forårsager også uundgåelig termisk nedbrydning, efterlader revner og ufuldkommenheder i hele prøven.

LZA -processen, imidlertid, tilbyder skarpe varmespidser til hurtigt at ophidse polymererne uden den vedvarende energi, der skader materialet.

"Inden for millisekunder, hele prøven er smukt justeret, "Sagde Yager." Mens laseren fejer hen over materialet, de lokaliserede termiske pigge fjerner faktisk defekter i den nanostrukturerede film. LZA er ikke bare hurtigere, det giver overlegne resultater. "

LZA genererer temperaturer over 500 grader Celsius, men de termiske gradienter - temperaturvariationer knyttet til retning og placering i et materiale - kan nå mere end 4, 000 grader pr. Millimeter. Mens forskere ved, at højere temperaturer kan fremskynde selvsamling, dette er det første bevis på dramatisk forbedring af ekstreme gradienter.

Bygget fra bunden

"For mange år siden, vi observerede en subtil antydning af, at termiske gradienter kunne forbedre selvsamling, "Sagde Yager." Jeg blev besat af tanken om at skabe flere og mere ekstreme gradienter, hvilket i sidste ende førte til opbygningen af ​​denne laseropsætning, og banebrydende en ny teknik. "

Forskerne havde brug for en høj koncentration af teknisk ekspertise og faciliteter i verdensklasse for at flytte LZA fra forslag til udførelse.

"Kun på CFN kunne vi udvikle denne teknik så hurtigt, "Sagde Majewski." Vi kunne lave hurtige prototyper af instrumenter og forberedelse af prøver med renrummet på stedet, maskine butik, og polymerbehandlingslaboratorium. Vi kombinerede derefter CFN-elektronmikroskopi med røntgenundersøgelser ved NSLS for en uovertruffen evaluering af LZA i aktion. "

Tilføjet Yager, "Evnen til at lave nye prøver på CFN og derefter gå på tværs af gaden for at karakterisere dem på få sekunder på NSLS var nøglen til denne opdagelse. Synergien mellem disse to faciliteter er det, der gjorde det muligt for os hurtigt at gentage et optimeret design."

Forskerne udviklede også en ny mikroskala overfladetermometri teknik kaldet smelte-mærke-analyse for at spore den nøjagtige varme, der genereres af laserpulserne og justere instrumentet i overensstemmelse hermed.

"Vi brændte et par film i starten, før vi lærte de rigtige driftsbetingelser, "Majewski sagde." Det var virkelig spændende at se de første prøver blive rastret af laseren og derefter bruge NSLS til at opdage præcis, hvad der skete. "

Teknikkens fremtid

LZA er den første maskine af sin art i verden, men det signalerer et dramatisk skridt fremad i opskalering af omhyggeligt designet nanoteknologi. Laseren kan endda bruges til at "tegne" strukturer hen over overfladen, hvilket betyder, at nanostrukturer kan samles i veldefinerede mønstre. Denne syntesekontrol uden sidestykke åbner døren for komplekse applikationer, herunder elektronik.

"Der er virkelig ingen grænse for størrelsen af ​​en prøve, denne teknik kunne håndtere, "Sagde Yager." Faktisk du kunne køre det i en roll-to-roll-tilstand-en af ​​de førende produktionsteknologier. "

Forskerne planlægger at videreudvikle den nye teknik til at skabe flerlagsstrukturer, der umiddelbart kan have indvirkning på antireflekterende belægninger, forbedrede solceller, og avanceret elektronik.