Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van kettingen op nanometerschaal op basis van kleine sterachtige structuren die op een polymere ruggengraat zijn geregen. De techniek zou een nieuwe manier kunnen bieden om hybride organisch-anorganische shish kebab-structuren te produceren uit halfgeleidende, magnetisch, ferro-elektrische en andere materialen die nuttige eigenschappen op nanoschaal kunnen opleveren.

De onderzoekers hebben tot nu toe nano-halskettingen gemaakt met maximaal 55 nanoschijven. Het op een sjabloon gebaseerde proces laat amfifiele wormachtige diblokcopolymeren groeien door een levende polymerisatietechniek waarbij de polymere structuren dienen als nanoreactoren die lateraal verbindende nanokristallijne structuren vormen op basis van een verscheidenheid aan voorlopermaterialen. De nanoschijven hebben een gemiddelde diameter van ongeveer tien nanometer en een dikte van vier nanometer, en liggen ongeveer twee nanometer uit elkaar.

"Ons doel was om een ​​onconventionele, maar robuust, strategie voor het maken van een grote verscheidenheid aan organisch-anorganische hybride shish kebabs, " zei Zhiqun Lin, een professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Dit is een algemene techniek om deze ongewone structuren te maken. Nu we het hebben gedemonstreerd, we geloven dat er een bijna eindeloze lijst is van materialen die we kunnen gebruiken om deze nano-halskettingen te maken."

Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research en de National Science Foundation. De resultaten zouden op 27 maart in het tijdschrift worden gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang .

De eendimensionale nano-halskettingen kunnen optische, elektronisch, opto-elektronisch, sensing en magnetische toepassingen. De onderzoekers hebben tot nu toe structuren gemaakt van cadmiumselenide (CdSe), bariumtitanaat (BaTiO3) en ijzeroxide (Fe3O4), maar geloof dat veel andere materialen - waaronder goud - ook kunnen worden gebruikt.

De techniek begint met de vorming van inclusiecomplexen gemaakt van alfa-cyclodextrines, cyclische oligosachariden samengesteld uit zes glucose-eenheden. De alfa-cyclodextrines, die hol zijn in het midden, rijgen zichzelf op een polyethyleenglycol (PEG) ketting in een gevestigd zelfassemblageproces. De polymeerruggengraat waarop de alfa-cyclodextrines zijn geschroefd, wordt afgedekt door een groter stopmiddel om de kleine structuren vast te houden.

Elke alfa-cyclodextrine heeft 18 hydroxyl (OH) groepen die kunnen worden omgezet in broom (Br) groepen via een veresteringsproces. Vervolgens worden uit deze broomgroepen in oplossing diblokpolymeer-"nanoworm"-structuren gekweekt. Gevormd uit poly(acrylzuur)-blok polystyreen (PAA-b-PS), de wormachtige diblokcopolymeren zijn opgebouwd uit binnenste poly(acrylzuur) (PAA) blokken die hydrofiel zijn, en buitenste polystyreen (PS) blokken die hydrofoob zijn. Omdat er zoveel diblokken op elke alfa-cyclodextrine groeien, hun verdringing rekt de polymeerruggengraat uit.

Eindelijk, voorlopers van metaalionen worden bij voorkeur opgenomen in de ruimte die wordt ingenomen door binnenste PAA-blokken van wormachtige diblokcopolymeer-nanoreactoren, kristallen vormen. Deze kristallen verbinden de ooit gescheiden structuren, het creëren van de nano-halskettingen - die lijken op kleine duizendpoten.

"We waren verrast om deze nano-kebabs te zien groeien tot een enkele anorganische structuur met behulp van de wormachtige diblokcopolymeren als nanoreactoren, " zei Lin. "Onder transmissie-elektronenmicroscoopbeeldvorming, je ziet nanoschijfachtige kebabstructuren die periodiek op de uitgerekte polymeershish liggen."

Transmissie-elektronenmicroscoopbeelden laten duidelijk de nanoschijfachtige kebabs zien omdat ze zijn gemaakt van materialen met een hoge elektronendichtheid. Echter, de verbindende PEG-shish verschijnt niet omdat het een enkele keten is en de elektronendichtheid veel minder is.

De vorming van de structuren was aanvankelijk verrassend voor de onderzoeksgroep van Lin, die naar verwachting structuren zouden produceren die op nanostaafjes of nanodraden lijken. Maar simulaties gedaan door teamlid Yuci Xu van de Ningbo University in China bevestigden de vorming van de structuren die ze experimenteel observeerden. De simulaties maakten ook een voorspelling mogelijk van de structurele afmetingen die zouden worden geproduceerd.

"Op basis van de simulatie, we zouden het groeimechanisme van deze nano-kettingachtige structuur kunnen begrijpen, "zei Lin. "Deze nanoketting-opstelling wordt heel goed vastgelegd door de simulatie. De simulatie en experimenten komen goed overeen, waardoor we meer vertrouwen kregen dat we de structuren begrijpen."

Met hun groeitechniek gedemonstreerd, de onderzoekers willen nu de kleine structuren karakteriseren en mogelijke toepassingen vaststellen. Hoewel deze nog niet zijn onderzocht, Lin gelooft dat de structuren, die zijn gebaseerd op halfgeleidende materialen, kon, bijvoorbeeld, elektronische toepassingen hebben, met elektronen die door aangrenzende nanoschijven tunnelen.

"Het belang van deze aanpak is dat er geen beperking is op de materialen die je kunt maken, en geen beperking op de grootte en vorm van de structuren die u kunt ontwerpen, " zei hij. "Er zijn veel potentieel voordelige kenmerken die kunnen worden afgeleid van deze nanoreactorbenadering."

Er bestaan ​​andere technieken om nanokettingstructuren te vormen, maar geen enkele gebruikt een vergelijkbare sjabloon- en nanoreactor-aanpak, zei Lin.

Bij toekomstig werk, Lin's groep is van plan om de eigenschappen van de constructies die ze hebben gebouwd te onderzoeken. test andere potentiële materialen, en onderzoeken toepassingen die geschikt kunnen zijn. Hoewel de eigenschappen van individuele nanoschijven al eerder zijn bestudeerd, hun collectieve interacties kunnen enkele potentieel unieke eigenschappen bieden.

"Dit artikel vertegenwoordigt een intrigerende demonstratie van het vormen van hybride organisch-anorganische shish kebabs op nanometerschaal, " zei Lin. "We willen graag meer weten over de unieke eigenschappen die ze kunnen hebben, en mogelijke toepassingen verkennen."