Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California (UC) Berkeley hebben de eerste zelfassemblage van nanodeeltjes tot apparaatklare materialen geleid. Door een relatief gemakkelijke en goedkope techniek gebaseerd op het mengen van nanodeeltjes met blokcopolymeer supramoleculen, de onderzoekers maakten meerdere lagen dunne films van zeer geordende één-, twee- en driedimensionale arrays van gouden nanodeeltjes. Dunne films zoals deze hebben potentiële toepassingen voor een breed scala aan velden, inclusief computergeheugenopslag, energie oogsten, energie opslag, teledetectie, katalyse, lichtmanagement en het opkomende nieuwe veld van plasmonica.

"We hebben een eenvoudige maar veelzijdige supramoleculaire benadering gedemonstreerd om de 3D-ruimtelijke organisatie van nanodeeltjes te controleren met precisie van één deeltje over macroscopische afstanden in dunne films, " zegt polymeerwetenschapper Ting Xu, die dit onderzoek leidde. "Terwijl de dunne gouden films die we maakten wafelformaat waren, de techniek kan gemakkelijk veel grotere films produceren, en het kan worden gebruikt op nanodeeltjes van veel andere materialen dan goud."

Xu heeft gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab's Materials Sciences Division en UC Berkeley's Departments of Materials Sciences and Engineering, en Chemie. Zij is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Nano-letters getiteld "Nanodeeltjesassemblages in dunne films van supramoleculaire nanocomposieten." Co-auteur van het papier waren Joseph Kao, Peter Bai, Vivian Chuang, Zhang Jiang en Peter Ercius.

Nanodeeltjes kunnen worden gezien als kunstmatige atomen met unieke optische, elektrische en mechanische eigenschappen. Als nanodeeltjes kunnen worden overgehaald om zichzelf routinematig te assembleren tot complexe structuren en hiërarchische patronen, vergelijkbaar met wat de natuur doet met eiwitten, apparaten die duizend keer kleiner zijn dan die van de huidige microtechnologieën, zouden in massaproductie kunnen worden genomen.

Xu en haar onderzoeksgroep hebben het afgelopen decennium vooruitgang geboekt in de richting van dit doel. In een onderzoek eerder dit jaar, ze waren in staat om staafvormige halfgeleider nanokristallen te induceren om zichzelf te assembleren tot één, twee- en zelfs driedimensionale macroscopische structuren. Met deze nieuwste toepassing van hun methoden om films te verdunnen, ze zijn in het rijk van materiële vormen terechtgekomen die nodig zijn voor de fabricage van apparaten en zijn zeer geschikt voor schaalbare nanofabricage.

"Dit is de eerste keer dat 2D-nanodeeltjesassemblage, vergelijkbaar met die verkregen met behulp van DNA-linkers en gecontroleerde oplosmiddelverdamping, kan duidelijk worden bereikt in meerdere lagen in op supramolecuul gebaseerde dunne nanocomposietfilms, " zegt Xu. "Onze supramoleculaire benadering vereist geen chemische modificatie van een van de componenten in het composietsysteem en, naast het bieden van een manier om op nanodeeltjes gebaseerde apparaten te bouwen, zou ook een krachtig platform moeten bieden voor het bestuderen van correlaties tussen structuur en eigenschappen van nanodeeltjes."

De door Xu en haar collega's ontwikkelde techniek maakt gebruik van oplossingen van blokcopolymeer-supramoleculen om de zelfassemblage van nanodeeltjes te sturen. Een supramolecuul is een groep moleculen die fungeren als een enkel molecuul dat in staat is een specifieke reeks functies uit te voeren. Blokcopolymeren zijn lange sequenties of "blokken" van één type monomeer gebonden aan blokken van een ander type monomeer die een aangeboren vermogen hebben om zichzelf te assembleren tot goed gedefinieerde arrays van structuren van nanogrootte over macroscopische afstanden.

"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-zelfassemblage van nanodeeltjes."

In deze laatste studie Xu en haar collega's verwerkten gouden nanodeeltjes in oplossingen van blokcopolymeer-supramoleculen om films te vormen die in dikte varieerden van 100 tot 200 nanometer. De nanocomposietfilms bevatten microdomeinen in een van de twee gemeenschappelijke morfologieën - lamellair of cilindrisch. Voor de lamellaire microdomeinen, de nanodeeltjes vormden hexagonaal verpakte 2D-platen die in meerdere lagen evenwijdig aan het oppervlak werden gestapeld. Voor de cilindrische microdomeinen, de nanodeeltjes vormden 1-D-ketens (enkele deeltjesbreedte) die werden verpakt in vervormde hexagonale roosters in parallelle oriëntatie met het oppervlak.

"Bij opname van nanodeeltjes, de blokcopolymeer supramoleculen ondergaan conformationele veranderingen, resulterend in entropie die de plaatsing en distributie van de nanodeeltjes bepaalt, evenals de algemene morfologie van de nanocomposiet dunne films, " zegt Xu. "Onze resultaten geven aan dat het mogelijk zou moeten zijn om zeer geordende roosters van nanodeeltjes te genereren binnen blokcopolymeermicrodomeinen en 3D hiërarchische assemblages van nanodeeltjes te verkrijgen met nauwkeurige structurele controle."

De afstand tussen de deeltjes tussen gouden nanodeeltjes in de 1-D-ketens en de 2-D-platen was 8 tot 10 nanometer, wat intrigerende mogelijkheden oproept met betrekking tot plasmonica, het fenomeen waarbij een lichtstraal wordt opgesloten in ultra-kleine ruimtes. Plasmonische technologie is veelbelovend voor supersnelle computers en optische microscopie, onder andere toepassingen. Echter, een grote uitdaging voor de ontwikkeling van plasmonica was de moeilijkheid om metamaterialen te fabriceren met nanodeeltjes van edele metalen zoals goud.

"Onze gouden dunne films vertonen een sterke plasmonische koppeling langs de interdeeltjesafstand in respectievelijk de 1-D-ketens en 2-D-platen, " zegt Xu. "We zouden deze films daarom moeten kunnen gebruiken om unieke plasmonische eigenschappen te onderzoeken voor elektronische en fotonische apparaten van de volgende generatie. Onze supramoleculaire techniek kan ook worden gebruikt om plasmonische metamaterialen te fabriceren."