Wetenschap
Brookhaven Lab-wetenschapper Kevin Yager (links) en postdoctoraal onderzoeker Pawel Majewski met het nieuwe Laser Zone Annealing-instrument bij het Center for Functional Nanomaterials.
Materialen op nanoschaal hebben buitengewone, miljardste van een meter kwaliteiten die alles transformeren, van energieopwekking tot gegevensopslag. Maar hoewel een nanogestructureerde zonnecel fantastisch efficiënt kan zijn, die precisie is notoir moeilijk te bereiken op industriële schaal. De oplossing kan zelfmontage zijn, of het trainen van moleculen om zichzelf samen te voegen tot goed presterende configuraties.
Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een op laser gebaseerde techniek ontwikkeld om zelfassemblage op nanoschaal met ongekend gemak en efficiëntie uit te voeren.
"We ontwerpen materialen die zichzelf bouwen, " zei Kevin Yager, een wetenschapper bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). "Onder de juiste omstandigheden moleculen zullen van nature in een perfecte configuratie klikken. De uitdaging is om deze nanomaterialen de kick te geven die ze nodig hebben:hoe heter ze zijn, hoe sneller ze zich verplaatsen en zich in de gewenste formatie nestelen. We gebruikten lasers om de hitte op te krikken."
Yager en Brookhaven Lab postdoctoraal onderzoeker Pawel Majewski bouwden een unieke machine die een gerichte laserlijn over een monster veegt om intense en onmiddellijke temperatuurpieken te genereren. Deze nieuwe techniek, genaamd Laser Zone Annealing (LZA), drijft zelfmontage aan met snelheden van meer dan 1, 000 keer sneller dan traditionele industriële ovens. De resultaten worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano .
"We hebben in minder dan een seconde extreem uniforme zelf-geassembleerde constructies gemaakt, " zei Majewski. "Buiten de buitengewone snelheid, onze laser verminderde ook de defecten en degradaties die aanwezig zijn in ovenverwarmde materialen. Die combinatie maakt LZA perfect om kleinschalige laboratoriumdoorbraken naar de industrie te brengen."
De wetenschappers maakten de materialen klaar en bouwden het LZA-instrument bij de CFN. Vervolgens analyseerden ze monsters met behulp van geavanceerde elektronenmicroscopie bij CFN en röntgenverstrooiing bij Brookhaven's nu gepensioneerde National Synchrotron Light Source (NSLS) - beide DOE Office of Science User Facilities.
"Het was enorm verheugend om te zien dat onze voorspellingen nauwkeurig waren - de enorme thermische gradiënten leidden tot een overeenkomstige enorme versnelling!" zei Yager.
Ovens versus lasers
Stel je voor dat je een complexe cake bereidt, maar in plaats van het in de oven te bakken, een spervuur van lasers verwarmt het in een oogwenk tot in de perfectie. Verder dan dat, de juiste kookomstandigheden zorgen ervoor dat de ingrediënten zich vermengen tot een perfect gerecht. Dit recept op nanoschaal bereikt iets dat even buitengewoon en veel impactvoller is.
De onderzoekers richtten zich op zogenaamde blokcopolymeren, moleculen die twee gekoppelde blokken met verschillende chemische structuren en eigenschappen bevatten. Deze blokken hebben de neiging elkaar af te stoten, die de spontane vorming van complexe en starre structuren op nanoschaal kan aansturen.
Illustratie van het Lazer Zone Annealing-instrument dat de precieze laser (groen) toont die het niet-geassembleerde polymeer (paars) raakt. De extreme thermische gradiënten die worden geproduceerd door de laser die over het monster veegt, veroorzaken een snelle en onberispelijke zelfassemblage.
"De prijs van hun uitstekende mechanische eigenschappen is de langzame kinetiek van hun zelfassemblage, "Zei Majewski. "Ze hebben energie en tijd nodig om mogelijkheden te verkennen totdat ze de juiste configuratie hebben gevonden."
Bij traditionele zelfassemblage van blokcopolymeer, materialen worden verwarmd in een vacuüm gesloten oven. Het monster wordt meestal 24 uur of langer "gebakken" om voldoende kinetische energie te leveren zodat de moleculen op hun plaats kunnen klikken - veel te lang voor commerciële levensvatbaarheid. De lange blootstelling aan hoge hitte veroorzaakt ook onvermijdelijke thermische degradatie, scheuren en onvolkomenheden in het monster achterlaten.
Het LZA-proces, echter, biedt scherpe warmtepieken om de polymeren snel te exciteren zonder de aanhoudende energie die het materiaal beschadigt.
"Binnen milliseconden, het hele monster is mooi uitgelijnd, " zei Yager. "Terwijl de laser over het materiaal veegt, de gelokaliseerde thermische pieken verwijderen in feite defecten in de nanogestructureerde film. LZA is niet alleen sneller, het levert superieure resultaten op."
LZA genereert temperaturen van meer dan 500 graden Celsius, maar de thermische gradiënten - temperatuurvariaties gekoppeld aan richting en locatie in een materiaal - kunnen meer dan 4 bereiken, 000 graden per millimeter. Hoewel wetenschappers weten dat hogere temperaturen de zelfassemblage kunnen versnellen, dit is het eerste bewijs van dramatische verbetering door extreme gradiënten.
Helemaal opnieuw gebouwd
"Jaren geleden, we hebben een subtiele hint waargenomen dat thermische gradiënten de zelfassemblage zouden kunnen verbeteren, " zei Yager. "Ik raakte geobsedeerd door het idee om steeds extremere hellingen te creëren, wat uiteindelijk leidde tot het bouwen van deze laseropstelling, en het pionieren van een nieuwe techniek."
De onderzoekers hadden een hoge concentratie aan technische expertise en faciliteiten van wereldklasse nodig om de LZA van voorstel naar uitvoering te brengen.
"Alleen bij de CFN konden we deze techniek zo snel ontwikkelen, "Zei Majewski. "We kunnen snelle prototypen van instrumenten en monstervoorbereiding doen met de on-site cleanroom, machine winkel, en polymeerverwerkingslaboratorium. Vervolgens combineerden we CFN-elektronenmicroscopie met röntgenonderzoek bij NSLS voor een onverslaanbare evaluatie van de LZA in actie."
Yager toegevoegd, "De mogelijkheid om nieuwe monsters te maken bij de CFN en vervolgens de straat over te steken om ze binnen enkele seconden bij NSLS te karakteriseren, was de sleutel tot deze ontdekking. De synergie tussen deze twee faciliteiten heeft ons in staat gesteld om snel te itereren naar een geoptimaliseerd ontwerp."
De wetenschappers ontwikkelden ook een nieuwe microschaal-oppervlaktethermometrietechniek, smeltmarkeringsanalyse genaamd, om de exacte warmte te volgen die door de laserpulsen wordt gegenereerd en het instrument dienovereenkomstig af te stemmen.
"We hebben aanvankelijk een paar films gebrand voordat we de juiste bedrijfsomstandigheden leerden, "Zei Majewski. "Het was echt opwindend om te zien hoe de eerste monsters werden gerasterd door de laser en vervolgens NSLS gebruikten om te ontdekken wat er precies gebeurde."
Toekomst van de techniek
De LZA is de eerste machine in zijn soort ter wereld, maar het betekent een dramatische stap voorwaarts in het opschalen van zorgvuldig ontworpen nanotechnologie. De laser kan zelfs worden gebruikt om structuren over het oppervlak te "tekenen", wat betekent dat de nanostructuren kunnen assembleren in goed gedefinieerde patronen. Deze ongeëvenaarde synthesecontrole opent de deur naar complexe toepassingen, inclusief elektronica.
"Er is echt geen limiet aan de grootte van een monster dat deze techniek aankan, " zei Yager. "In feite, je zou het in een roll-to-roll-modus kunnen uitvoeren - een van de toonaangevende productietechnologieën."
De wetenschappers zijn van plan om de nieuwe techniek verder te ontwikkelen om meerlaagse structuren te creëren die onmiddellijke gevolgen kunnen hebben voor antireflectiecoatings, verbeterde zonnecellen, en geavanceerde elektronica.
In veel opzichten verschillen planten niet erg van mensen. Als je een plant en een persoon in hun basiselementen zou afbreken, zou je merken dat beide meer koolstof, waterstof en zuurstof bevatten dan w
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com