Nanoskala samtaler skaber komplekse, flerlagsstrukturer

At bygge nanomaterialer med funktioner, der spænder over blot milliardtedele af en meter, kræver ekstraordinær præcision. Opskalering af denne konstruktion, samtidig med at kompleksiteten øges, udgør en betydelig hindring for den udbredte brug af sådanne nano-konstruerede materialer.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har udviklet en måde til effektivt at skabe skalerbare, flerlags, multi-mønstrede nanoskala strukturer med hidtil uset kompleksitet.

Brookhaven-teamet udnyttede selvsamling, hvor materialer spontant klikker sammen for at danne den ønskede struktur. Men de introducerede et betydeligt spring i materiel intelligens, fordi hvert selvsamlet lag nu styrer konfigurationen af ​​yderligere lag.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , tilbyde et nyt paradigme for selvmontering i nanoskala, potentielt fremme nanoteknologi brugt til medicin, energiproduktion, og andre applikationer.

"Der er noget fantastisk og givende ved at skabe strukturer, som ingen nogensinde har set før, " sagde studiemedforfatter Kevin Yager, en videnskabsmand ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Vi kalder denne responsive lagdelte bygning for et tårn, men hvor hver klods er intelligent og indeholder instruktioner til efterfølgende klodser."

Teknikken blev udelukkende udviklet på CFN, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Tricket var kemisk at 'forsegle' hvert lag for at gøre det robust nok til at de ekstra lag ikke forstyrrer det, " sagde hovedforfatter Atikur Rahman, en Brookhaven Lab postdoc under studiet og nu adjunkt ved Indian Institute of Science Education and Research, Pune. "Dette gav os en hidtil uset kontrol. Vi kan nu stable enhver sekvens af selvorganiserede lag for at skabe mere og mere indviklede 3D-strukturer."

Vejledende nanoskala samtaler

Andre nanofremstillingsmetoder - såsom litografi - kan skabe præcise nanostrukturer, men den spontane bestilling af selvmontering gør det hurtigere og nemmere. Yderligere, responsiv lagdeling skubber denne effektivitet i nye retninger, muliggøre, for eksempel, strukturer med indvendige kanaler eller lommer, som ville være overordentlig vanskelige at lave på nogen anden måde.

"Selvsamling er billig og skalerbar, fordi den er drevet af iboende interaktioner, " sagde studiemedforfatter og CFN-forsker Gregory Doerk. "Vi undgår de komplekse værktøjer, der traditionelt bruges til at udskære præcise nanostrukturer."

CFN-samarbejdet brugte tynde film af blokcopolymerer (BCP)-kæder af to forskellige molekyler forbundet med hinanden. Gennem veletablerede teknikker, forskerne spreder BCP -film på tværs af et substrat, påført varme, og så materialet samle sig selv til en foreskrevet konfiguration. Forestil dig at sprede LEGO'er ud over en bageplade, sætte det i ovnen, og så se det komme frem med hvert stykke elegant knipset sammen i perfekt rækkefølge.

Imidlertid, disse materialer er konventionelt todimensionale, og blot at stable dem ville give et uordentligt rod. Så forskerne i Brookhaven Lab udviklede en måde at få selvsamlede lag diskret til at "tale" med hinanden.

Holdet infunderede hvert lag med en damp af uorganiske molekyler for at forsegle strukturen - lidt ligesom at påføre nanoskala shellak for at bevare et netop samlet puslespil.

"Vi tunede dampinfiltrationstrinnet, så hvert lags struktur udviser kontrollerede overfladekonturer, " sagde Rahman. "Derefter føles og reagerer de efterfølgende lag på denne subtile topografi."

Medforfatter Pawel Majewski tilføjede, "I bund og grund, vi åbner en 'samtale' mellem lag. Overflademønstrene driver en slags topografisk krydstale, og hvert lag fungerer som en skabelon for det næste."

Eksotiske konfigurationer

Som det ofte sker i grundforskning, denne krydstale var et uventet fænomen.

"Vi var forbløffede, da vi første gang så skabelonordre fra det ene lag til det næste, sagde Rahman. "Vi vidste med det samme, at vi var nødt til udtømmende at teste alle mulige kombinationer af filmlag og udforske teknikkens potentiale."

Samarbejdet demonstrerede dannelsen af ​​en bred vifte af nanostrukturer - inklusive mange konfigurationer, der aldrig før er observeret. Nogle indeholdt hule kamre, runde pinde, stænger, og snoede former.

"Dette var virkelig en herkulisk indsats fra Atikurs side, "Yager sagde." Flerlagsprøverne dækkede en svimlende række kombinationer. "

Kortlægning af aldrig før sete strukturer

Forskerne brugte scanningselektronmikroskopi (SEM) til at undersøge funktionerne i nanoskala, få tværsnitsdetaljer af de nye strukturer. En fokuseret elektronstråle bombarderede prøven, hoppe af overfladefunktioner, før det opdages for at muliggøre rekonstruktion af et billede, der viser den nøjagtige konfiguration.

De supplerede dette med røntgenspredning ved Brookhavens National Synchrotron Light Source II-en anden DOE Office of Science User Facility. Den penetrative spredningsteknik gjorde det muligt for forskerne at undersøge den indre struktur.

"CFN samler en unik koncentration af færdigheder, interesser, og teknologi, "sagde CFN -direktør og medforfatter Charles Black." I en facilitet, vi har folk, der er interesserede i at skabe, konvertering, og målestrukturer - det er sådan, vi kan få den slags uforudsete og stærkt samarbejdende gennembrud."

Dette grundlæggende gennembrud udvider markant mangfoldigheden og kompleksiteten af ​​strukturer, der kan laves med selvmontering, og udvider tilsvarende rækkevidden af ​​potentielle anvendelser. For eksempel, indviklede tredimensionelle nanostrukturer kunne give transformative forbedringer i nanoporøse membraner til vandrensning, biosansning, eller katalyse.