De dagen van zelfassemblerende nanodeeltjes die uren nodig hadden om een ​​film over een microscopisch kleine wafel te vormen, zijn voorbij. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een techniek ontwikkeld waarmee zelfassemblerende nanodeeltjesarrays in één minuut een sterk geordende dunne film kunnen vormen over macroscopische afstanden.

Ting Xu, een polymeerwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, leidde een onderzoek waarin supramoleculen op basis van blokcopolymeren werden gecombineerd met gouden nanodeeltjes om nanocomposieten te creëren die onder oplosmiddelgloeien snel zelf-geassembleerd werden tot hiërarchisch gestructureerde dunne films die een gebied van enkele vierkante centimeters beslaan. De techniek is compatibel met de huidige nanofabricageprocessen en heeft het potentieel om nieuwe families van optische coatings te genereren voor toepassingen in een groot aantal gebieden, waaronder zonne-energie, nano-elektronica en computergeheugenopslag. Deze techniek zou zelfs nieuwe wegen kunnen openen voor de fabricage van metamaterialen, kunstmatige nanoconstructen die opmerkelijke optische eigenschappen bezitten.

"Onze techniek kan snel verbazingwekkende nanodeeltjes-assemblages genereren over gebieden zo groot als een siliciumwafel, " zegt Xu, die ook een gezamenlijke aanstelling heeft met de Departments of Materials Sciences and Engineering van de University of California (UC) Berkeley, en Chemie. "Je kunt het zien als pannenkoekenbeslag dat je op een bakplaat kunt smeren, wacht een minuut en je hebt een pannenkoek klaar om te eten."

Xu is de corresponderende auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt beschreven in Natuurcommunicatie getiteld "Snelle fabricage van hiërarchisch gestructureerde supramoleculaire nanocomposiet dunne films in één minuut." Co-auteurs zijn Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang en Cheng Sun.

Nanodeeltjes functioneren als kunstmatige atomen met unieke optische, elektrische en mechanische eigenschappen. Als nanodeeltjes kunnen worden geïnduceerd om zichzelf te assembleren tot complexe structuren en hiërarchische patronen, vergelijkbaar met wat de natuur doet met eiwitten, het zou massaproductie mogelijk maken van apparaten die duizend keer kleiner zijn dan die in de huidige microtechnologie worden gebruikt.

Xu en haar onderzoeksgroep zijn gestaag op weg naar dit uiteindelijke doel. Meest recentelijk lag hun focus op het gebruik van op blokcopolymeer gebaseerde supramoleculaire oplossingen om de zelfassemblage van nanodeeltjesarrays 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.

"Op blokcopolymeer gebaseerde 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 bieden een ideaal structureel raamwerk voor de zelfassemblage van nanodeeltjesarrays."

In de supramoleculaire techniek bedacht door Xu en haar collega's, arrays van gouden nanodeeltjes werden opgenomen in oplossingen van supramoleculen om films te vormen die ongeveer 200 nanometer dik waren. Door gloeien met oplosmiddel, met chloroform als oplosmiddel, de nanodeeltjesarrays georganiseerd in driedimensionale cilindrische microdomeinen die waren verpakt in vervormde hexagonale roosters in parallelle oriëntatie met het oppervlak. Deze weergave van hiërarchische structurele controle bij zelfassemblage van nanodeeltjes was indrukwekkend, maar was slechts de helft van het spel.

"Om compatibel te zijn met nanoproductieprocessen, het fabricageproces voor zelfassemblage moet ook binnen enkele minuten worden voltooid om degradatie van de eigenschappen van nanodeeltjes als gevolg van blootstelling aan de verwerkingsomgeving tot een minimum te beperken, ' zegt Xu.

Zij en haar groep analyseerden systematisch de thermodynamica en kinetiek van zelfassemblage in hun supramoleculaire dunne nanocomposietfilms bij blootstelling aan oplosmiddeldamp. Ze ontdekten dat door een enkele parameter te optimaliseren, de hoeveelheid oplosmiddel, assemblagekinetiek kan precies worden aangepast om hiërarchisch gestructureerde dunne films in één minuut te produceren.

"Door onze op blokcopolymeer gebaseerde supramoleculen te construeren uit kleine moleculen die niet-covalent zijn gehecht aan polymeerzijketens, we veranderden het energielandschap zodat het oplosmiddelgehalte de belangrijkste factor werd, " zegt Xu. "Dit stelde ons in staat om de nanodeeltjes-arrays snel te ordenen met de toevoeging van slechts een zeer kleine hoeveelheid oplosmiddel, ongeveer 30 procent van de fractie van een 200 nanometer dikke film."

De optische eigenschappen van nanocomposiet dunne films zijn afhankelijk van de eigenschappen van individuele nanodeeltjes en van goed gedefinieerde afstanden tussen deeltjes in verschillende richtingen. Aangezien de afmetingen van de gouden nanodeeltjes-arrays minstens één orde van grootte kleiner zijn dan de golflengten van zichtbaar licht, de supramoleculaire techniek van Xu en haar collega's heeft een sterk potentieel om te worden gebruikt voor het maken van metamaterialen. Deze kunstmatige materialen hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen omdat hun elektromagnetische eigenschappen onbereikbaar zijn in natuurlijke materialen. Bijvoorbeeld, een metamateriaal kan een negatieve brekingsindex hebben, het vermogen om licht naar achteren te buigen, in tegenstelling tot alle materialen die in de natuur worden gevonden, die het licht naar voren buigen.

"Onze gouden nanocomposiet dunne films vertonen een sterke golflengte-afhankelijke optische anisotropie die kan worden aangepast door eenvoudigweg de oplosmiddelbehandeling te variëren, " zegt Xu. "Dit biedt een levensvatbaar alternatief voor lithografie voor het maken van metamaterialen."

Terwijl Xu en haar collega's gouden nanodeeltjes in hun films gebruikten, de supramoleculaire benadering is ook compatibel met nanodeeltjes van andere chemische samenstellingen.

"We zouden in staat moeten zijn een bibliotheek van nanodeeltjesassemblages te creëren die zijn ontworpen voor lichtmanipulatie en andere eigenschappen, "Xu zegt, "met behulp van een techniek die compatibel is met de meest gebruikte nanofabricageprocessen van vandaag, inclusief bladcoating, inkjet printen en dynamische zone annealing."