Opskalering af nano til bæredygtig produktion med selvsamlende nanoark
Et nyt selvsamlende nanoark kan radikalt accelerere udviklingen af funktionelle og bæredygtige nanomaterialer til elektronik, energilagring, sundhed og sikkerhed og meget mere.
Udviklet af et team ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan det nye selvsamlende nanoark forlænge holdbarheden af forbrugerprodukter betydeligt. Og fordi det nye materiale er genanvendeligt, kan det også muliggøre en bæredygtig fremstillingstilgang, der holder engangsemballage og elektronik væk fra lossepladser.
Holdet er det første, der med succes har udviklet et multifunktionelt, højtydende barrieremateriale fra selvsamlende nanoark. Gennembruddet blev rapporteret i Nature .
"Vores arbejde overvinder en langvarig forhindring inden for nanovidenskab - opskalering af syntese af nanomaterialer til nyttige materialer til fremstilling og kommercielle applikationer," sagde Ting Xu, den primære efterforsker, der ledede undersøgelsen. "Det er virkelig spændende, fordi det her har været årtier undervejs."
Xu er seniorforsker på fakultetet i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i kemi og materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley.
En udfordring i at høste nanovidenskab for at skabe funktionelle materialer er, at mange små stykker skal samles, så nanomaterialet kan vokse sig stort nok til at være nyttigt. Selvom stabling af nanoark er en af de enkleste måder at dyrke nanomaterialer til et produkt på, er "stablingsfejl" - huller mellem nanoarkene - uundgåelige, når du arbejder med eksisterende nanoark eller nanoplader.
"Hvis du visualiserer at bygge en 3D-struktur ud fra tynde, flade fliser, vil du have lag i højden af strukturen, men du vil også have huller gennem hvert lag, hvor som helst to fliser mødes," sagde førsteforfatter Emma Vargo, en tidligere kandidatstuderende forsker i Xu-gruppen og nu postdoc i Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Det er fristende at reducere antallet af mellemrum ved at gøre fliserne større, men de bliver sværere at arbejde med," sagde Vargo.
Det nye nanoarkmateriale overvinder problemet med stablingsfejl ved at springe den serielle stablede ark-tilgang helt over. I stedet blandede holdet blandinger af materialer, der vides at samle sig selv til små partikler med skiftende lag af komponentmaterialerne, suspenderet i et opløsningsmiddel. Til at designe systemet brugte forskerne komplekse blandinger af nanopartikler, små molekyler og blok-copolymer-baserede supramolekyler, som alle er kommercielt tilgængelige.
Eksperimenter ved Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source hjalp forskerne med at forstå de tidlige, grove stadier af blandingernes selvsamling.
Når opløsningsmidlet fordamper, smelter de små partikler sammen og organiserer sig spontant, groft skabeloner af lag og størkner derefter til tætte nanoark. På denne måde dannes de ordnede lag samtidigt i stedet for at blive stablet individuelt i en seriel proces. De små stykker behøver kun at flytte sig korte afstande for at blive organiseret og lukke huller, så man undgår problemerne med at flytte større "fliser" og de uundgåelige mellemrum mellem dem.
Fra en tidligere undersøgelse ledet af Xu vidste forskerne, at en kombination af nanokompositblandinger indeholdende flere "byggesten" af forskellige størrelser og kemier, herunder komplekse polymerer og nanopartikler, ville ikke kun tilpasse sig urenheder, men også låse op for et systems entropi, den iboende lidelse i blandinger af materialer, som Xus gruppe udnyttede til at fordele materialets byggesten.
Den nye undersøgelse bygger på dette tidligere arbejde. Forskerne forudsagde, at den komplekse blanding, der blev brugt til den aktuelle undersøgelse, ville have to ideelle egenskaber:Ud over at have høj entropi til at drive selvsamlingen af en stak på hundredvis af nanoark dannet samtidigt, forventede de også, at det nye nanoark-system ville være minimalt påvirket af forskellige overfladekemier. Dette, mente de, ville tillade den samme blanding at danne en beskyttende barriere på forskellige overflader, såsom glasskærmen på en elektronisk enhed eller en polyestermaske.
Demonstrerer et nyt 2D nanoarks lette selvsamling og høje ydeevne
For at teste materialets ydeevne som barrierebelægning i flere forskellige anvendelser fik forskerne hjælp fra nogle af landets bedste forskningsfaciliteter.
Under eksperimenter ved Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source kortlagde forskerne, hvordan hver komponent kommer sammen, og kvantificerede deres mobiliteter og den måde, hvorpå hver komponent bevæger sig rundt for at dyrke et funktionelt materiale.
Baseret på disse kvantitative undersøgelser fremstillede forskerne barrierebelægninger ved at påføre en fortyndet opløsning af polymerer, organiske små molekyler og nanopartikler på forskellige substrater - et teflonbæger og membran, polyesterfilm, tykke og tynde siliciumfilm, glas og endda en prototype af en mikroelektronisk enhed - og derefter kontrollere hastigheden af filmdannelse.
Transmissionselektronmikroskopeksperimenter ved Berkeley Lab's Molecular Foundry viser, at da opløsningsmidlet var fordampet, var en højordnet lagdelt struktur af mere end 200 stablede nanoark med meget lav defekttæthed selvmonteret på substraterne. Forskerne lavede også hvert nanoark 100 nanometer tykt med få huller og mellemrum, hvilket gør materialet særligt effektivt til at forhindre passage af vanddamp, flygtige organiske forbindelser og elektroner, sagde Vargo.
Andre eksperimenter på Molecular Foundry viste, at materialet har et stort potentiale som et dielektrikum, et isolerende "elektronbarriere"-materiale, der almindeligvis anvendes i kondensatorer til energilagring og computeranvendelser.
I samarbejde med forskere i Berkeley Labs Energy Technologies Area demonstrerede Xu og teamet, at når materialet bruges til at belægge porøse teflonmembraner (et almindeligt materiale, der bruges til at fremstille beskyttende ansigtsmasker), er det yderst effektivt til at filtrere flygtige organiske forbindelser fra, der kan kompromittere indendørs luftkvalitet.
I et sidste eksperiment i Xu-laboratoriet viste forskerne, at materialet kan genopløses og omstøbes for at producere en frisk barrierebelægning.
Nu hvor de med succes har demonstreret, hvordan man nemt kan syntetisere et alsidigt, funktionelt materiale til forskellige industrielle anvendelser fra et enkelt nanomateriale, planlægger forskerne at finjustere materialets genanvendelighed og tilføje farvejustering (det kommer i øjeblikket i blåt) til dets repertoire.
Flere oplysninger: Ting Xu, Funktionelle kompositter ved at programmere entropi-drevet nanoarkvækst, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06660-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06660-x
Journaloplysninger: Natur
Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory
Varme artikler
-
Ny nanogenerator høster strøm fra rullende dækXudong Wang har udviklet en ny måde at høste energi fra rullende dæk på. Kredit:UW-Madison College of Engineering En gruppe ingeniører fra University of Wisconsin-Madison og en samarbejdspartner f -
Måling af absorptionskort og spektre af plasmoniske resonatorer med opløsning i nanoskalaSkematisk, der viser den fototermiske inducerede resonans (PTIR) teknik, som kombinerer den laterale opløsning af atomkraftmikroskopi (AFM) med den kemiske specificitet af IR-spektroskopi. En bølgelæn -
Dræber bakterier med nanopartiklerMakrofager i kultur. Kredit:Adam Taylor Forskere fra University of Southampton, der arbejder sammen med kolleger ved Defense Science and Technology Laboratory (Dstl), har udviklet en ny teknologi b -
Forskere bygger en transistor fra et molekyle og et par atomerScanning af tunnelmikroskopbillede af et phthalocyaninmolekyle centreret i en sekskant samlet fra tolv indiumatomer på en indiumarsenidoverflade. De positivt ladede atomer tilvejebringer den elektrost
- At lave bølger med metamaterialer
- Amerikanske teknologigiganter splittes om selskabsskat for at hjælpe hjemløse
- Sådan beregner du løfter og løftestang
- Sorte huller spiller skjul i radiogalakser med lav lysstyrke
- På ansigtsgenkendelse, Amerikanerne stoler på politiet frem for private firmaer
- Hvordan fremstilles rekombinant DNA?