(PhysOrg.com) -- Als de belofte van nanotechnologie moet worden vervuld, nanodeeltjes zullen iets van zichzelf moeten kunnen maken. Een belangrijke stap in de richting van dit doel is bereikt door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, die een eenvoudige en toch krachtig robuuste manier hebben gevonden om nanodeeltjes ertoe te brengen zichzelf in complexe arrays te assembleren.

Door specifieke soorten kleine moleculen toe te voegen aan mengsels van nanodeeltjes en polymeren, de onderzoekers zijn in staat om de zelfassemblage van de nanodeeltjes in arrays van één, twee en zelfs drie dimensies zonder chemische modificatie van de nanodeeltjes of de blokcopolymeren. In aanvulling, de toepassing van externe prikkels, zoals licht en/of warmte, kan worden gebruikt om de assemblages van nanodeeltjes verder te sturen voor nog fijnere en complexere structurele details.

"We hebben een eenvoudige maar veelzijdige benadering aangetoond om de ruimtelijke verdeling van gemakkelijk beschikbare nanodeeltjes over meerdere lengteschalen nauwkeurig te regelen, variërend van nano tot macro, " zegt Ting Xu, een polymeerwetenschapper die dit project leidde en die gezamenlijke afspraken heeft met Berkeley Lab's Materials Sciences Division en de University of California, Berkeley's afdelingen materiaalwetenschappen en engineering, en Chemie. "Onze techniek kan worden gebruikt op een breed scala aan nanodeeltjes en zou nieuwe wegen moeten openen voor de fabricage van op nanodeeltjes gebaseerde apparaten, waaronder zeer efficiënte systemen voor de opwekking en opslag van zonne-energie."

Xu is de corresponderende auteur van een artikel dat dit werk beschrijft en dat is gepubliceerd door het tijdschrift Natuurmaterialen . Het artikel is getiteld:"Small molecule-directed nanoparticle assembly to stimuli-responsive nanocomposites." De co-auteur van dit artikel was Yue Zhao, Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni, Thomas Schilling, Jozef Luther, Benjamin Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniël Poulsen, Jean Frechet en Paul Alivisatos.

De kunst van zelfmontage

Nanodeeltjes - stukjes materie van enkele miljardsten van een meter groot, of meer dan honderd keer kleiner dan de dingen van de hedendaagse microtechnologieën - vertonen felbegeerde eigenschappen die niet worden gevonden in macroscopische materialen, inclusief optische, elektronisch, magnetisch, enz. De belofte van nanotechnologie is dat het exploiteren van deze unieke eigenschappen op commerciële schaal zulke "game-changers" als duurzaam, schone en goedkope energie, en de creatie op aanvraag van nieuwe materialen met eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke behoeften. Het realiseren van deze belofte begint met het kunnen organiseren van nanodeeltjes in complexe structuren en hiërarchische patronen, vergelijkbaar met wat de natuur routinematig bereikt met eiwitten.

"Precieze controle van de ruimtelijke organisatie van nanodeeltjes en andere nanoscopische bouwstenen over meerdere lengteschalen is een knelpunt geweest in de bottom-up generatie van technologisch belangrijke materialen, ", zegt Xu. "De meeste benaderingen die tot nu toe zijn gebruikt, hebben betrekking op oppervlaktemodificaties."

Klein als ze zijn, nanodeeltjes zijn in wezen allemaal oppervlakte, dus elk proces dat het oppervlak van een nanodeeltje wijzigt, kan de eigenschappen van dat deeltje ingrijpend veranderen. Het precies rangschikken van deze nanodeeltjes is van cruciaal belang voor het afstemmen van de macroscopische eigenschappen tijdens de assemblage van nanodeeltjes. Hoewel DNA is gebruikt om zelfassemblage van nanodeeltjes met een hoge mate van precisie te induceren, deze aanpak werkt alleen goed voor georganiseerde arrays die beperkt zijn in grootte; het is onpraktisch voor fabricage op grote schaal. Xu gelooft dat een betere benadering is om blokcopolymeren te gebruiken - lange sequenties of "blokken" van één type monomeermolecuul gebonden aan blokken van een ander type monomeermolecuul.

"Blokcopolymeren assembleren gemakkelijk zelf tot goed gedefinieerde arrays van nanostructuren over macroscopische afstanden, " zegt ze. "Ze zouden een ideaal platform zijn om de assemblage van nanodeeltjes te sturen, behalve dat blokcopolymeren en nanodeeltjes vanuit chemisch oogpunt niet bijzonder compatibel met elkaar zijn. Er is een bemiddelaar nodig om ze bij elkaar te brengen."

Xu en haar groep vonden zo'n "bemiddelaar" in de vorm van kleine moleculen die zich verbinden met nanodeeltjes en vervolgens in staat zijn zichzelf en hun nanodeeltjespartners te hechten aan het oppervlak van een blokcopolymeer. Voor deze studie is Xu en haar groep gebruikten twee verschillende soorten kleine moleculen, oppervlakteactieve stoffen (bevochtigingsmiddelen) genaamd "PDP" en "OPAP". Deze kleine moleculen kunnen worden gestimuleerd door licht (PDP) of warmte (OPAP) om hun verbinding met het oppervlak van een blokcopolymeer te verbreken en naar een andere locatie langs de polymeerketen te worden verplaatst. Op deze manier, de ruimtelijke verdeling van de mediatoren van kleine moleculen en hun partners in nanodeeltjes kan nauwkeurig worden gestuurd zonder dat de nanodeeltjes of de polymeren hoeven te worden gewijzigd.

"Het mooie van deze techniek is dat er geen geavanceerde chemie aan te pas komt, " zegt Xu. "Het is echt een plug-and-play techniek, waarin je de nanodeeltjes gewoon mengt met de blokcopolymeren en vervolgens alle kleine moleculen toevoegt die je nodig hebt."

Voor deze studie is Xu en haar collega's voegden kleine PDP- of OPAP-moleculen toe aan verschillende mengsels van nanodeeltjes, zo een
als cadmiumselenide en loodsulfide, gemengd met een commercieel blokcopolymeer - polystyreen-blok-poly (4-vinylpyridine). Terwijl zij en haar groep met licht en warmte werkten, ze zegt andere prikkels, zoals pH, kunnen ook worden gebruikt om kleine moleculen en hun nanodeeltjespartners langs blokcopolymeerformaties te herpositioneren. Strategische substituties van verschillende soorten stimulus-responsieve kleine moleculen zouden kunnen dienen als een mechanisme voor structurele fijnafstemming of voor het opnemen van specifieke functionele eigenschappen in nanocomposieten. Xu en haar collega's zijn nu bezig met het toevoegen van functionaliteit aan hun zelfmontagetechniek.

"Breng de juiste basiscomponenten - nanodeeltjes, polymeren en kleine moleculen - stimuleer de mix met een combinatie van warmte, licht of andere factoren, en deze componenten zullen samenkomen in geavanceerde structuren of patronen, "zegt Xu. "Het is niet anders dan hoe de natuur het doet."

Bron:Lawrence Berkeley National Laboratory (nieuws:web)