В США разработали новую структуру: Самособирающиеся наностержни



Относительно быстрый, простой и недорогой метод для производства наностержней – палочковидных полупроводниковых нанокристаллов – их возможность самостоятельно собираться в одно-, двух-и даже трехмерные макроскопические структуры была разработана группой исследователей совместно с U.S. Department of Energy (DOE)’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Эта техника должна обеспечивать более эффективное использование наностержней в солнечных батареях, магнитных запоминающих устройствах и датчиках. Она также должна помочь повысить электрические и механические свойства наностержневых-полимерных композитов.

Во главе проекта – Ting Xu, ученая, которая руководит совместной работой Лаборатории науки о материалах Беркли и университета Калифорнии и Факультетами Материаловедения, инженерным и химическим( Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and the University of California (UC) Berkeley’s Departments of Materials Sciences and Engineering, and Chemistry). Xu и ее исследовательская группа использовали блоки сополимеров – длинных последовательностей или «блоков» из одного типа мономера связаных с блоками другого типа мономеров – в качестве базы для самоорганизации наностержней в сложные структуры и иерархические модели. Блоки сополимеров заведомо обладают способностью самостоятельно собираться в четко определенные массивы наноразмерных структур на макроскопическом уровне.
«Мы создали простой и универсальный метод для контроля ориентации наностержней в блоках сополимеров,» говорит Xu. «Путем изменения морфологии блоков сополимеров и химической природы наностержней, мы можем обеспечить контролируемую самоорганизацию самих наностержней и нанокомпозитов на основе наностержней, что является принципиальным для их использования в производстве оптических и электронных устройств».

Xu является автором соответствующего документа, который был опубликован в журнале Nano Letters под названием Direct Nanorod Assembly Using Block Copolymer-Based Supramolecules в соавторстве сумаги были Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni и Peter Ercius.

Наностержни – это частицы, размерами в тысячу раз меньшие, чем основные материалы микротехнологий сегодняшнего дня – показывают весьма важные оптические, электронные и другие свойства, которыми не обладают макроскопические материалы. Однако, чтобы в полной мере реализовать свой огромный технологический потенциал, наностержни должны быть в состоянии собраться в сложные структуры и иерархические модели, представляющие собой нечто похожее натуральные белковые структуры.



а) электронный микроскоп показывает конструкцию из наностержней из сульфида кадмия (б) выровненных параллельно доменам

Xu и ее исследовательская группа впервые использовала блоки сополимеров в качестве базовых элементов для самоорганизации в 2009 году, работая со сферическими наночастицами, широко известными как квантовые точки. В этом исследовании, они направляли квантовые точки на блоки сополимеров с помощью «посредника» в виде «адгезивных» молекул меньшего размера. В последней разработке, Xu и ее группа снова использовали «клей» из молекул, но на этот раз в качестве посредника между наностержнями и основой из блоков сополимеров. Основа – это супрамолекула – группа молекул, которые выступают в качестве одной молекулы и способны выполнять определенный набор функций.
«Супрамолекулы базы блока сополимеров самоорганизуются и могут образовывать широкий спектр форм, чьи размеры могут обычно достигать нескольких десятков нанометров,» поясняет Xu. «Поскольку их размер сопоставим с наночастицами, микродомены из супрамолекул обеспечивают идеальную структурную основу для совместного собирания наностержней».

Xu и ее группа формируют из наностержней и супрамолекул сферические, цилиндрические и пластинчатые микродомены. В процессе сушки энергия подводится к системе благодаря взаимодействию между лигандами наностержней и полимеров, энтропии, связанной с деформацией полимерной цепи при соединении наностержней, а также взаимодействию между отдельными наностержнями. Xu и ее группа отметили, что эти энергетические взаимодействия определяют размещение и распределение наностержней, а также общую морфологию композитов на основе наностержней. Эти энергетические потоки могут быть легко контролируемы путем изменения надмолекулярной морфологии, которая достигается просто с помощью присоединения различных типов малых молекул на боковые цепи блоков сополимеров.
«Мы можем легко достичь широкого спектра возможных сборок наностержней, в том числе, например, массивы наностержней расположены вдоль цилиндрических микродоменов из блоков сополимеров, или непрерывные наностержневые сети и наностержневые кластеры», говорит Xu. «Поскольку макроскопические структуры из микродоменов блоков сополимеров могут быть получены в обычных и тонких пленках путем применения внешних полей, наша методика должна открыть надежный путь к управлению макроскопическим выравниванием наностержней».

Эта новая технология позволяет создавать упорядоченные массивы наностержней, которые макроскопически выравниваются в зависимости от расстояния между отдельными стержнями. Такая морфология лежит в основе производства плазмоников – материалов, которые весьма перспективны для построения сверхбыстрых компьютеров, ультрамощных оптических микроскопов, и даже создания плащей-невидимок. Это также перспективная техника самосборки частиц, которая позволит производить непрерывную сеть наностержней, позиционируемых на наноразмерных расстояниях. Такие сети могут повысить макроскопические свойства нанокомпозитов, в том числе электропроводность и прочность материала.



Собранные наностержни на томографическом изображении

Xu полагает, что большая часть успеха этих исследований заключается в исключительных возможностях лабораторий и сотрудников Национального центра по электронной микроскопии (NCEM), в Лаборатории Беркли, в котором находятся самые мощные в мире электронные микроскопы.
«Для изучения трехмерных сборок из наностержней, нам необходима была томография с высоким разрешением, что создало проблемы не только для сбора данных и их визуализации ", говорит Xu. "Опыт и мастерство Peter Ercius из NCEM были бесценны для нас.»

Большая часть этой работы была сделана на 200kV NCEM-овском монохроматизированном UT Tecnai микроскопе, приборе, предназначенном для создания оптимально высокого разрешения и в просвечивающем, и в сканирующем режимах работы микроскопа.

Xu и ее группа в настоящее время заняты исследованием самоорганизации полупроводниковых нанокристаллов, которые могут принимать форму куба или тетрапода, оба из которых имеют значительный потенциал для применения в фотоэлектрике и других областях.
«Мы также хотели бы исследовать самоорганизацию наночастиц в комбинации различных форм», делится Xu.

Данное исследование производится при поддержке DOE Office of Science.

Источник

«Счастье дается только знающим. Чем больше знает человек, тем резче, тем сильнее он видит поэзию земли там, где ее никогда не найдет человек, обладающий скудными знаниями»

Константин Паустовский

Файлы

Введение в математическую философию

Глобальное будущее 2045. Конвергентные технологии (НБИКС) и трансгуманистическая эволюция

Интеллектуальные уловки

Основы первой медицинской помощи