Forskere udvikler nanoteknologi til at skabe nanopartikelmonolag i wafer-skala på få sekunder
Materialer i nanoskala præsenterer os for forbløffende kemiske og fysiske egenskaber, der hjælper med at materialisere applikationer såsom enkelt molekylær sansning og minimalt invasiv fototermisk terapi – som engang kun var teorier – til virkelighed.
Nanopartiklernes unikke egenskaber gør dem til lukrative materialer til en bred vifte af anvendelser både til forskning og industrielle formål. Det bliver dog vanskeligt at opnå sidstnævnte på grund af manglen på en teknik til hurtig og ensartet overførsel af et monolag af nanopartikler, hvilket er afgørende for fremstilling af enheder.
En mulig vej ud af dette dilemma er at vedtage elektrostatiske samlingsprocesser, hvor nanopartiklerne binder sig til en modsat ladet overflade, og når først et monolag er dannet, begrænser nanopartiklerne derefter yderligere samling ved at afvise andre tilsvarende ladede nanopartikler væk fra overfladen. Desværre kan denne proces være meget tidskrævende.
Mens kunstige metoder kæmper med disse ulemper, har undervandsadhæsionsprocesser, der findes i naturen, udviklet sig til unikke strategier til at overvinde dette problem.
I den forbindelse har et team af forskere fra Gwangju Institute of Science and Technology, ledet af ph.d. studerende Doeun Kim (førsteforfatter) og adjunkt Hyeon-Ho Jeong (tilsvarende forfatter) har udviklet en "musling-inspireret" one-shot nanopartikelsamlingsteknik, der transporterer materialer fra vand i mikroskopiske volumener til 2-tommer wafers på 10 sekunder, samtidig med at det muliggør 2D-montage i et lag med fremragende overfladedækning på omkring 40 %.
Deres arbejde blev udgivet i Advanced Materials og fremhævet som en frontispice.
"Vores nøgletilgang til at overvinde den eksisterende udfordring kom fra en observation af, hvordan muslinger når måloverfladen mod vand. Vi så, at muslinger samtidigt udstråler aminosyrer for at dissociere vandmolekyler på overfladen, hvilket muliggør hurtig vedhæftning af det kemiske klæbemiddel på måloverfladen. ," forklarer fru Kim og taler om motivationen bag den unikke naturinspirerede tilgang.
"Vi indså, at en analog situation, hvor vi introducerer overskydende protoner for at fjerne hydroxylgrupper fra måloverfladen, og dermed øger den elektrostatiske tiltrækningskraft mellem nanopartiklerne og overfladen og accelererer samlingsprocessen."
Forskerne konstruerede det elektrostatiske overfladepotentiale for både måloverfladen og nanopartiklerne, drevet af protondynamik. Dette førte til, at nanopartiklerne blev arresteret på måloverfladen ensartet inden for få sekunder.
For at teste effektiviteten af at introducere protonteknik i den elektrostatiske samlingsproces sammenlignede holdet monolagssamlingstiden med konventionelt anvendte teknikker. Resultaterne viste, at belægningshastigheden af den nye teknik var 100 til 1.000 gange hurtigere end tidligere rapporterede metoder. Årsagen bag denne accelererede diffusion og samling af nanopartikler var forbundet med protonernes evne til at fjerne uønskede hydroxylgrupper på målområdet.
Forskerne fandt endvidere ud af, at den ladningsfølsomme natur af den underliggende proces muliggør deterministisk "heling" af monolagsfilm og "pick-and-place" nanomønster på wafer-skalaen. Ydermere tillader den foreslåede teknik også fremstilling af fuldfarvereflekterende metasurface på waferniveau via plasmonisk arkitektur, hvilket åbner nye veje for produktion af fuldfarve-malerier og optiske krypteringsenheder.
Denne nye naturinspirerede proof-of-concept er et stort skridt mod en bred accept af funktionelle nanomaterialer i monolag.
"Vi forestiller os, at denne forskning vil fremskynde virkningen af funktionelle nanomaterialer på vores liv og fremme masseproduktionen af enkeltlagede film, og dermed lette en bred vifte af applikationer, lige fra fotoniske og elektroniske enheder til nye funktionelle materialer til energi- og miljøapplikationer ," slutter prof. Jeong.
Flere oplysninger: Doeun Kim et al., Proton-assisteret samling af kolloide nanopartikler til wafer-skala monolag på sekunder, Avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202313299
Journaloplysninger: Avanceret materiale
Leveret af Gwangju Institute of Science and Technology
Varme artikler
-
Iron nanorobots viser deres sande slagVed at kombinere laveffektmagnetiske felter, som omrører nanotråde, med laseropvarmning og medicinlevering, målceller kan dræbes effektivt. Kredit:KAUST Narkotika belagt med jern-nanotråde, der ka -
Forskere demonstrerer alsidighed af solid-state protein sensorDette transmissionselektronmikrofotografi viser en solid-state nanopore:Den hvide cirkel i midten af billedet. Den ellers ujævn udseende struktur skyldes den polykrystallinske natur af en guldfilm, -
Meget ledende germanium nanotråde lavet af en simpel, et-trins procesScannende elektronmikrografibillede af germanium nanotråde elektroaflejret på en indiumtinoxidelektrode fra vandig opløsning. Kredit:Jay Switzer For første gang, germanium nanotråde er blevet afle -
Eliminering af resistente bakterier med nanopartiklerForskerne har udviklet nanopartikler (røde), der kan dræbe resistente bakterier (gule), der er inkorporeret af kroppens celler (farvet elektronmikroskopibillede). Kredit:Empa Nye nanopartikler udv
- Sådan beregnes driftscyklusen for en Frequency
- Overlevelsesstrategi:Hvordan et enzym hjælper bakterier med at komme sig efter udsættelse for anti…
- Bådejere og lystfiskere var nødt til at hjælpe med at lave om på vandveje, der blev ændret af o…
- Attosecond kamera til nanostrukturer
- Fysikere introducerer ny mekanisme for elektronoptik i solid state-systemer
- Hvorfor køber folk brød og mælk, før en storm rammer?