Bijna twee decennia lang Cornell-wetenschappers hebben processen ontwikkeld voor het gebruik van polymeren om anorganische nanodeeltjes zelf te assembleren tot poreuze structuren die een revolutie teweeg kunnen brengen in de elektronica, energie en meer.

Dit proces is nu tot een ongekend niveau van precisie gedreven met behulp van metalen nanodeeltjes, en wordt ondersteund door een grondige analyse van de theoretische details achter waarom en hoe deze deeltjes met polymeren samenkomen. Een dergelijk diep begrip van de complexe wisselwerking tussen de chemie en de natuurkunde die complexe zelfassemblage aanstuurt, maakt de weg vrij voor deze nieuwe materialen om vele toepassingen binnen te gaan, van elektrokatalyse in brandstofcellen tot spanningsgeleiding in circuits.

Ulrich Wiesner, de Spencer T. Olin hoogleraar materialen Wetenschap en techniek, leidde wat waarschijnlijk de meest uitgebreide studie tot nu toe is van zelfassemblageprocessen van blokcopolymeer-nanodeeltjes. De studie werd online gepubliceerd op 21 februari in Natuurcommunicatie .

Van de buitenkant, het proces ziet er eenvoudig genoeg uit. Begin met platina- en gouddeeltjes die uit een voorloper groeien. Een chemische stof die een ligand wordt genoemd, bedekt de deeltjes en regelt nauwkeurig hun grootte. Voeg daarbij ontworpen moleculen die blokcopolymeren worden genoemd - lange ketens van twee of drie organische materialen. De polymeren combineren met de platina en gouden nanodeeltjes, die allemaal samenkomen in geordende, kubiek, driedimensionale structuren. Ets het polymeer weg, en wat overblijft zijn tientallen nanodeeltjes die poreuze 3D kubische netwerken vormen.

Elke stap – van de exacte structuur van de liganden, tot de synthese van de polymeren - vereist nauwkeurige chemie en gedetailleerd begrip van de rol van elk materiaal. De analyse van Nature Communications was gebaseerd op de expertise van medewerkers op het gebied van elektronentomografie, energiedispersieve microscopie en percolatietheorie. Bijvoorbeeld, medewerkers van het Japan Science and Technology Agency gebruikten elektronentomografie om de locatie van elk afzonderlijk deeltje in de monsters in kaart te brengen, die vervolgens kunnen worden vergeleken met theoretische voorspellingen. Het resultaat is een uitgebreide set ontwerpcriteria die zouden kunnen leiden tot het gereedmaken van deze deeltjesnetwerken voor grootschalige oplossingsverwerking.

"We kunnen deze materialen niet alleen maken, maar door middel van elektronentomografie in het bijzonder, we kunnen deze structuren analyseren op een diepte die nog niet eerder is gedaan, " zei Wiesner. "De vergelijking met de theorie stelt ons in staat om de fysieke mechanismen waardoor deze structuren worden gevormd volledig te begrijpen."

Waarom zoveel aandacht besteden aan deze zelf-geassembleerde nanodeeltjesnetwerken? Ze zijn gemaakt op een manier die in de natuur of met conventionele laboratoriummiddelen nooit zou gebeuren. Ze zijn uniform poreus met een groot oppervlak en, daarom, zijn zeer katalytisch en potentieel nuttig voor energietoepassingen.

Misschien wel het beste van alles, werken met polymeren betekent kostenbesparend, grootschalige verwerking kan een fluitje van een cent zijn.

Verschillende decennia van polymeerwetenschap hebben de wereld een efficiënte schaalbaarheid opgeleverd die onovertroffen is in de materialenwereld - denk aan de productie van plastic. Wiesner en collega's hebben het concept van zelf-geassembleerde metalen nanodeeltjes bewezen met behulp van op blokcopolymeer gebaseerde oplossingsverwerking die verder gaat dan het "glazen flesje in een laboratorium, ' zei Wiesner.

"Nu we begrijpen hoe het allemaal werkt, ons proces leent zich gemakkelijk voor grootschalige productie van dergelijke materialen, " hij zei.