2-D lagdelte enheder kan selvmonteres med præcision

Blæksprutte-inspirerede proteiner kan fungere som programmerbare samlere af 2D-materialer, som grafenoxid, at danne hybridmaterialer med minimal afstand mellem lagene, der er egnede til højeffektive enheder, herunder fleksibel elektronik, energilagringssystemer og mekaniske aktuatorer, ifølge et tværfagligt hold af Penn State-forskere.

"2D lagdelte materialer kan fremstilles ved vakuum (kemisk damp) aflejring, " sagde Melik C. Demirel, Pierce Development Professor og professor i ingeniørvidenskab og mekanik. "Men processen er dyr og tager lang tid. Med kemisk dampaflejring er problemet også, at vi ikke kan skalere op."

Materialer som grafenoxid er sammensat af enkelte lag af molekyler forbundet i en slette. Mens længden og bredden af ​​arket kan være hvad som helst, højden er kun et molekyles højde. For at lave brugbare kompositter og enheder, 2D-materialer skal stables enten i bunker af identiske plader eller kombinationer af plader af forskellig sammensætning stablet efter specifikation. Sammen med Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi og materialevidenskab og teknik, og direktør for 2D Atomic Center, Penn State, Demirel og hans team kigger i øjeblikket på at stable plader af identiske materialer ved hjælp af en solvent-tilgang, der samler sig selv.

"Ved at bruge opløsningsmiddeltilgangen samler molekylerne sig selv, selvhelbredende og fleksibel, " sagde Demirel. "I øjeblikket stabler vi identiske lag, men de behøver ikke at være ens."

For at fremstille disse molekylære kompositter ved hjælp af opløsningsmiddelteknologi, forskerne kombinerede pladerne af grafenoxid med syntetiske polymerer mønstret efter proteiner fundet i blæksprutte-ringtænder. Den ene ende af proteinstrengen fastgøres til kanten af ​​et grafenoxidark, og den anden ende fastgøres til kanten af ​​et andet grafendioxidark. Pladerne af grafenoxid samler sig selv for at stables op med proteiner, der forbinder arkenes kanter. Længden af ​​disse tandem-gentagelsesproteiner - deres molekylvægt - bestemmer afstanden mellem arkene.

"Indtil nu, ingen har været i stand til at stable sammensatte lag tættere på end 1 nanometer, " sagde Demirel. "Vi kan stable dem med atomistisk præcision med 0,4, 0,6 eller 0,9 nanometer opløsning ved at vælge den rigtige molekylvægt af det samme protein. Henholdsvis."

Forskerne testede dette materiales evne til at lave små enheder ved at skabe bimorfe termiske aktuatorer. En bimorf aktivator er et lille stykke materiale lavet af to forskellige lag og placeret vinkelret på en overflade. Når den er aktiveret, normalt ved en elektrisk strøm, den bimorfe aktuator bøjer fra vinkelret.

Forskerne rapporterer i juli-udgaven af Kulstof at "disse nye molekylære sammensatte bimorfe aktuatorer kan lette termisk aktivering ved spændinger så lave som omkring 2 volt, og de kan prale af energieffektivitet 18 gange bedre end almindelige bimorfe aktuatorer samlet ved hjælp af bulk grafenoxid og tandem-gentagelsesfilm." De mener, at proteiner med højere molekylvægt kan nå meget højere forskydninger.