Samenwerking door chemici, natuurkundigen en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een eenvoudige en goedkope methode ontwikkeld om snel membranen van binaire nanokristallen superroosters op centimeterschaal te laten groeien. of BNSL's, door een mengsel van nanokristallen te kristalliseren op een vloeibaar oppervlak.

De studie demonstreert een nieuwe en spontane manier om op lange afstand geordende BNSL-membranen te laten groeien met rigoureuze controle van de nanokristalgrootte, vorm en concentratie door twee soorten nanokristallen te combineren en onder normale omstandigheden tijdens een droogfase aan het oppervlak van een vloeistof te assembleren.

De methode overwint verschillende beperkingen van de bestaande assemblagestrategieën en produceert grote, vrijstaande membranen die op elke gewenste ondergrond kunnen worden aangebracht zoals siliconenwafels, objectglaasjes en plastic substraten, waardoor de nanokristallijne films in elk stadium van het fabricageproces van het apparaat kunnen worden geïntroduceerd.

Het team toonde het potentieel aan om deze nieuwe materialen te integreren door superroostermembranen op millimeterschaal te laten groeien die ijzeroxide-nanokristallen van twee verschillende groottes bevatten en de membranen op te nemen in magnetoresistieve apparaten. Metingen toonden aan dat de magnetoweerstand van het resulterende apparaat afhankelijk was van de structuur van de BNSL en dus controleerbaar was.

De fysieke eigenschappen die inherent zijn aan deze nanokristallen - kristallijne bouwstenen ter grootte van een nanometer - bieden een moderne draai aan de studies van grensvlakassemblage die zo ver teruggaan als Penn-oprichter Benjamin Franklin en zijn studies van olieverspreiding op water in de jaren 1770.

Nanokristalfilms met één of meerdere componenten worden al intensief onderzocht door onderzoekers als katalysatoren voor nieuwe optische technologieën, variërend van goedkope zonnecellen, lichtemitterende diodes en fotodetectoren en ook in elektronische systemen die veldeffecttransistors en solid-state thermo-elektrische koelers en generatoren en magnetische technologieën omvatten die magnetische opnamematerialen en magnetische sensoren omvatten en zelfs als op maat gemaakte elektrokatalytische en fotokatalytische films.

Co-assemblage van twee soorten nanokristallen in BNSL's zorgt voor een goedkope, modulaire route om de zelfassemblage van materialen te programmeren met een nauwkeurig gecontroleerde combinatie van eigenschappen. Vooruitgang in deze complexe grensvlakassemblages en verbeteringen in de overdracht van nanokristalmembranen uit één component in de afgelopen jaren hebben de verwachting doen toenemen dat deze controle zou kunnen worden uitgebreid tot veel complexere systemen.

Deze Penn-studie legt een route vast naar vrijstaande BNSLs-membranen met groot oppervlak met de toegevoegde mogelijkheid om ze op elk willekeurig substraat te lamineren.

"Fundamenteel, het kweken van BNSL's op een vloeibaar oppervlak zal licht werpen op de mechanismen van nanokristalassemblage met meerdere componenten, die cruciaal zijn voor nieuwe concepten in op zelfassemblage gebaseerde nanofabricage, " zei Christopher B. Murray, de Richard Perry University Professor of Chemistry and Material Science and Engineering aan Penn.

Het onderzoek, gefinancierd door het US Army Research Office en een National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Centers Award, is gepubliceerd in de . van deze week Natuur .

Bestaande strategieën voor het kweken van BNSL's omvatten een complexer proces van verdamping van een oplossing van twee nanokristallen op een vast substraat onder zorgvuldig gereguleerde temperatuur en druk die de vorming van BNSL beïnvloeden. De methode heeft verschillende beperkingen, met name een beperkte keuze aan substraat, nucleatie van onregelmatige micrometer-sized, geïsoleerde eilanden van BNSL's op de substraten en een onvermogen om ze eenmaal gevormd over te dragen.

"Gezien het feit dat deze nieuwe assemblagestrategie algemeen is voor verschillende nanokristalcombinaties, we verwachten dat membranen van quasikristallijne BNSL's en ternaire nanokristallen superroosters ook door deze methode zullen worden gekweekt, de systemen die kunnen worden verkend enorm uitbreiden", zei Murray. "Onze droom is om de organisatie van materialen op alle lengteschalen van nanometers tot millimeters te programmeren, waarbij de gewenste fysieke eigenschappen van meerdere nanoschaalsystemen worden gecombineerd. We zijn in wezen gericht op het identificeren, het begrijpen en optimaliseren van nieuwe synergetische interacties in nanomaterialen en bij het benutten van deze opkomende eigenschappen in nieuwe apparaten en systemen."