(PhysOrg.com) -- Een relatief snelle, eenvoudige en goedkope techniek om nanostaafjes - staafvormige halfgeleider nanokristallen - zelf te assembleren tot één, twee- en zelfs driedimensionale macroscopische structuren zijn ontwikkeld door een team van onderzoekers met het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Deze techniek moet een effectiever gebruik van nanostaafjes in zonnecellen mogelijk maken, magnetische opslagapparaten en sensoren. Het zou ook moeten helpen de elektrische en mechanische eigenschappen van nanorod-polymeercomposieten te verbeteren.

Het leiden van dit project was Ting Xu, een polymeerwetenschapper die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Departments of Materials Sciences and Engineering van de University of California (UC) Berkeley, en Chemie. Xu en haar onderzoeksgroep gebruikten blokcopolymeren - lange reeksen of "blokken" van het ene type monomeer gebonden aan blokken van een ander type monomeer - als een platform om de zelfassemblage van nanostaafjes in complexe structuren en hiërarchische patronen te begeleiden. Blokcopolymeren hebben een aangeboren vermogen om zichzelf over macroscopische afstanden te assembleren tot goed gedefinieerde arrays van structuren van nanoformaat.

"Onze techniek is een eenvoudige en veelzijdige techniek voor het regelen van de oriëntatie van nanostaafjes in blokcopolymeren, " zegt Xu. "Door de morfologie van de blokcopolymeren en de chemische aard van de nanostaafjes te variëren, we kunnen de gecontroleerde zelfassemblage in nanostaafjes en op nanostaafjes gebaseerde nanocomposieten bieden die van cruciaal belang is voor hun gebruik bij de fabricage van optische en elektronische apparaten."

Xu is de corresponderende auteur van een artikel dat dit onderzoek beschrijft en dat in het tijdschrift is gepubliceerd Nano-letters onder de titel "Directe Nanorod-assemblage met behulp van op blokcopolymeer gebaseerde supramoleculen." Co-auteur van het artikel waren Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni en Peter Ercius.

Nanostaafjes – materiedeeltjes die duizend keer kleiner zijn dan het materiaal van de hedendaagse microtechnologieën – vertonen felbegeerde optische, elektronische en andere eigenschappen die niet worden gevonden in macroscopische materialen. Om hun enorme technologische belofte volledig te realiseren, echter, nanostaafjes moeten zichzelf kunnen assembleren tot complexe structuren en hiërarchische patronen, vergelijkbaar met wat de natuur routinematig bereikt met eiwitten.

Xu en haar onderzoeksgroep schakelden voor het eerst blokcopolymeren in als bondgenoten in deze zelfassemblage-inspanning in 2009, werken met de bolvormige nanodeeltjes die algemeen bekend staan ​​als kwantumdots. In die studie, ze sloegen kwantumstippen om copolymeren te blokkeren via een "bemiddelaar" van kleine hechtende moleculen. In deze nieuwste ontwikkeling Xu en haar groep maakten opnieuw gebruik van adhesieve moleculen, maar dit keer om te bemiddelen tussen de nanostaafjes en supramoleculen van blokcopolymeren. Een supramolecuul is een groep moleculen die fungeren als een enkel molecuul dat in staat is een specifieke reeks functies uit te voeren.

"Blokcopolymeer supramoleculen assembleren zichzelf en vormen een breed scala aan morfologieën met microdomeinen die typisch enkele tot tientallen nanometers groot zijn, " zegt Xu. "Omdat hun grootte vergelijkbaar is met die van nanodeeltjes, de microdomeinen van supramoleculen van blokcopolymeer bieden een ideaal structureel raamwerk voor de co-assemblage van nanostaafjes."

Xu en haar groep nemen nanostaafjes op in oplossingen van supramoleculen van blokcopolymeer die bolvormige, cilindrische en lamellaire microdomeinen. Tijdens het droogproces wordt energie aan het systeem toegevoegd door de interacties tussen nanorod-liganden en polymeren, de entropie geassocieerd met vervorming van de polymeerketen na opname van nanostaafjes, en de interacties tussen individuele nanostaafjes. Xu en haar groep merkten op dat deze energetische bijdragen de plaatsing en verdeling van de nanostaafjes bepalen, evenals de algemene morfologie van de nanostaaf-blokcopolymeercomposieten. Deze energetische bijdragen kunnen eenvoudig worden afgestemd door de supramoleculaire morfologie te variëren, wat eenvoudig wordt bereikt door verschillende soorten kleine moleculen aan de zijketens van de blokcopolymeren te hechten.

"We hebben gemakkelijk toegang tot een brede bibliotheek van nanostaafjes, waaronder arrays van nanostaafjes die parallel zijn uitgelijnd met cilindrische microdomeinen van blokcopolymeer, continue nanorod-netwerken, en nanostaafjesclusters, " zegt Xu. "Omdat de macroscopische uitlijning van blokcopolymeermicrodomeinen in bulk en in dunne films kan worden verkregen door de toepassing van externe velden, onze techniek zou een haalbare route moeten openen om de macroscopische uitlijning van nanostaafjes te manipuleren."

Deze nieuwe techniek kan geordende arrays van nanostaafjes produceren die macroscopisch zijn uitgelijnd met afstembare afstanden tussen individuele staafjes - een morfologie die zich leent voor de productie van plasmonica, dat zijn materialen die veelbelovend zijn voor supersnelle computers, ultrakrachtige optische microscopen, en zelfs het maken van onzichtbaarheidstapijten. Het is ook een eenvoudige zelfassemblagetechniek voor nanodeeltjes die een continu netwerk van nanostaafjes met nanoscopische scheidingsafstanden kan produceren. Dergelijke netwerken kunnen de macroscopische eigenschappen van nanocomposieten verbeteren, inclusief elektrische geleidbaarheid en materiaalsterkte.

Xu schrijft een groot deel van het succes van dit onderzoek toe aan de uitzonderlijke capaciteiten en het personeel van het National Center for Electron Microscopy (NCEM), een DOE nationale gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab, die de thuisbasis is van 's werelds krachtigste elektronenmicroscopen.

"Voor de studie van driedimensionale nanostaafassemblages, we moesten tomografie met hoge resolutie implementeren en dit vormde een uitdaging, niet alleen voor het verzamelen van de beeldgegevens, maar ook voor het verwerken ervan, " zegt Xu. "De expertise en vaardigheid van Peter Ercius van NCEM was van onschatbare waarde."

Xu en haar groep onderzoeken nu de zelfassemblage van halfgeleider nanokristallen die de vorm aannemen van kubussen of tetrapoden, beide hebben belangrijke potentiële toepassingen voor fotovoltaïsche en andere technologieën.

"We willen ook de zelfassemblage van nanodeeltjes in combinaties van verschillende vormen onderzoeken, ' zegt Xu.