Lysstyret spontan vækst af nanostrukturer

Ph.D. studerende Marloes Bistervels fra forskergruppen Self-Organizing Matter på AMOLF har formået at bruge lys til meget præcist at styre dannelsen af ​​nanokompositter i form af koraller og vaser. Ved at belyse en opløsning af de rigtige ingredienser med UV-lys kan hun styre hvor, hvornår og hvilke strukturer der opstår på mikrometerskalaen. I dag offentliggjorde hun sine resultater i det videnskabelige tidsskrift Advanced Materials .

I flere år har gruppen produceret smukke krystalstrukturer på nanoskala, der spænder fra koraller og vaser til helixer. Disse strukturer dannes spontant fra forskellige kemikalier i en proces kaldet selvsamling. Deres form afhænger af mængden og typen af ​​stoffer blandet sammen. Forskningen er rettet mod at forstå og kontrollere processen.

Der har været en vis succes i den forbindelse. Forskerne kan for eksempel vælge, om de vil producere en koral eller vase, men ikke hvor eller hvornår væksten starter. "Processen rummer stadig en form for kaos. Det forbliver en spontan proces, som vi gerne vil have mere kontrol over," siger gruppeleder Wim Noorduin. Bistervels har nu vist, at lys er særdeles velegnet til at opnå dette. Med en smal stråle af UV-lys kan hun meget præcist og selektivt påvirke en kemisk reaktion på mikrometerskalaen.

Skift til kemisk reaktion

De fluorescerende strukturer, som forskerne producerer, opstår som følge af en simpel kemisk reaktion. De er sammensat af to stoffer:bariumcarbonat og silicium. Så snart der dannes bariumcarbonatkrystaller i opløsningen, slutter silicium sig til og udfældes sammen med krystallerne og giver dermed anledning til de usædvanlige former. En lille smule CO₂ gas i opløsningen starter denne proces. Hvis man kunne sikre, at CO₂ opstår på det nøjagtige sted og tidspunkt, der ønskes, vil dette resultere i en tænd-sluk-knap for den kemiske reaktion.

Vi har nu den switch. Ved at belyse opløsningen med en UV-lampe (svarende til den i en solseng), nedbrydes et af kemikalierne i opløsningen og danner CO₂ på det nøjagtige sted, hvor lyset skinner.

Unikt mikroskop

Bistervels så hurtigt, at hendes idé virkede, men at det standardmikroskop, hun ville bruge til at synliggøre de fluorescerende strukturer, ikke fungerede godt i kombination med UV-lampen. Hun byggede derfor et særligt mikroskop sammen med teknikerne Marko Kamp og Hinco Schoenmaker. Med dette mikroskop er det muligt at styre UV-lyset meget præcist, selv fjernt hjemmefra. Man kan med det samme se krystallerne dannet gennem mikroskopet og om nødvendigt justere selvsamlingsprocessen. Fred Brouwer, professor i fotokemi ved universitetet i Amsterdam, hjalp forskerne med sin viden om lys og kemiske reaktioner. "Takket være disse unikke samarbejder var vi i stand til at kombinere styrkerne fra kemikere og fysikere. Det har jeg lært meget af," siger Bistervels.

Bistervels demonstrerede, at man med denne tilgang kan udøve en betydelig mængde kontrol over de strukturer, der dannes. Hun konstruerede en helix og en koral tæt på hinanden, simpelthen ved at flytte lysstrålen lidt og lave en mindre justering af den kemiske reaktion. Desuden demonstrerede hun, at et meget stort antal krystaller kan fremstilles ved siden af ​​hinanden i et mønster. "Disse eksperimenter er ikke trivielle," siger hun. "Du har brug for forskellige forhold og en mangefacetteret kontrol over tid og placering."

Det mest ejendommelige eksperiment var at trække en linje, fastslår forskerne. Selvom det måske ikke ser ud til at være noget spektakulært, siger Bistervels:"Dette demonstrerer, hvor meget kontrol vi har. At tæmme retningen, hvori krystallerne vokser, er en fantastisk præstation. Du styrer en proces på nanoskala og ser resultatet med det blotte øje. "

Kontrol af biomineralisering

Strukturerne er mere end blot et syn at se. Ved at lære, hvordan de kan bruge lys til at styre udviklingen af ​​strukturerne, har forskerne tilegnet sig vigtig viden om selvsamling. "Vi kan anvende metoderne til at manipulere lokale kemiske reaktioner på lignende selvsamlende systemer. Derudover ser vi muligheder for at bruge disse nye metoder til at få en bedre forståelse af biomineralisering i naturen, såsom dannelsen af ​​knogler," siger Noorduin.

I et andet projekt er det lykkedes gruppen Self-Organizing Matter at omdanne krystallerne til halvledere. Disse er vitale materialer til solceller, LED'er og computerchips. Noorduin forklarer:"Hvis vi kan producere halvledere af enhver ønsket form uden behov for et dyrt og komplekst renrum, så ville det give interessante muligheder. Et eksempel er fremstilling af elektroniske komponenter ved hjælp af selvmontering. Vi er derfor i gang med at undersøge hvordan vi kan kontrollere tredimensionelle strukturer, så vi efterfølgende kan producere mønstre." + Udforsk yderligere

Fra søpindsvinskelet til solcelle