Lagdelte væsker arrangerer nanopartikler i nyttige konfigurationer

Materialeforskere ved Duke University har teoretiseret en ny "olie-og-eddike"-tilgang til konstruktion af selvsamlende materialer af usædvanlige arkitekturer lavet af sfæriske nanopartikler. De resulterende strukturer kan vise sig nyttige til applikationer inden for optik, plasmonik, elektronik og flertrins kemisk katalyse.

Den nye tilgang optrådte online den 25. marts i tidsskriftet ACS Nano .

Overladt til deres egne tendenser, et system af suspenderede sfæriske nanopartikler designet til at klumpe sammen vil forsøge at maksimere deres kontaktpunkter ved at pakke sig selv så tæt som muligt. Dette resulterer i dannelsen af ​​enten tilfældige klynger eller en tredimensionel, krystallinsk struktur.

Men materialeforskere ønsker ofte at bygge mere åbne strukturer af lavere dimensioner, såsom snore eller lagner, at udnytte visse fænomener, der kan opstå i mellemrummene mellem forskellige typer partikler. Og de er altid på udkig efter smarte måder til præcist at kontrollere størrelserne og placeringen af ​​disse rum og partikler.

I den nye undersøgelse, Gaurav Arya, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke, foreslår en metode, der udnytter de lag, der dannes af væsker, som en flaske vinaigrette, der står på hylden for længe, nægte at blande sammen.

Når sfæriske nanopartikler placeres i et sådant system, de har tendens til at danne et enkelt lag ved grænsefladen af ​​de modstående væsker. Men de skal ikke blive der. Ved at fæstne "olie" eller "eddike" molekyler til partiklernes overflader, forskere kan få dem til at svæve mere på den ene side af skillelinjen end på den anden.

"Partiklerne ønsker at maksimere deres antal kontakter og danne bulk-lignende strukturer, men samtidig, grænsefladen mellem de forskellige væsker forsøger at tvinge dem i to lag, " sagde Arya. "Så du har en konkurrence af kræfter, og du kan bruge det til at danne forskellige slags unikke og interessante strukturer."

Aryas idé er præcis at kontrollere, hvor meget hver sfærisk nanopartikel frastødes af den ene eller den anden væske. Og ifølge hans beregninger, ved at ændre denne egenskab sammen med andre, såsom nanopartiklernes sammensætning og størrelse, materialeforskere kan lave alle mulige interessante former, fra spinkle molekyle-lignende strukturer til zig-zag strukturer, hvor kun to nanopartikler rører ad gangen. Man kunne endda forestille sig flere forskellige lag, der arbejder sammen for at arrangere et system af nanopartikler.

I proof-of-concept papiret, nanopartiklerne kunne være lavet af hvad som helst. Guld eller halvledere kan være nyttige til plasmoniske og elektriske enheder, mens andre metalliske grundstoffer kunne katalysere forskellige kemiske reaktioner. De modsatte substrater, der danner grænsefladen, i mellemtiden, er modelleret efter forskellige typer polymerer, der også kunne bruges i sådanne applikationer.

"Hidtil i denne avis, vi har kun introduceret monteringstilgangen og demonstreret dens potentiale til at skabe disse eksotiske arrangementer, som du normalt ikke ville få, " sagde Arya. "Der er så mange flere ting at gøre næste gang. For en, vi vil gerne udforske hele repertoiret af mulige strukturer og faser, forskere kunne lave ved hjælp af dette koncept. Vi arbejder også tæt sammen med eksperimentelister for at teste den fulde kapacitet i denne tilgang. "