Beneden op nanoschaal, waar objecten slechts miljardsten van een meter overspannen, de grootte en vorm van een materiaal kan vaak verrassende en krachtige elektronische en optische effecten hebben. Het bouwen van grotere materialen die subtiele nanoschaalkenmerken behouden, is een voortdurende uitdaging die vorm geeft aan talloze opkomende technologieën.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om snel nanogestructureerde rasters te maken voor functionele materialen met een ongekende veelzijdigheid.

"We kunnen meerlaagse roosters maken die zijn samengesteld uit verschillende materialen in vrijwel elke geometrische configuratie, "Zei co-auteur van de studie en Brookhaven Lab-wetenschapper Kevin Yager. "Door snel en onafhankelijk de structuur en samenstelling op nanoschaal te controleren, we kunnen de prestaties van deze materialen op maat maken. Cruciaal, het proces kan eenvoudig worden aangepast voor grootschalige toepassingen."

De resultaten – online gepubliceerd op 23 juni in het tijdschrift Natuurcommunicatie — de productie van hightech coatings voor antireflecterende oppervlakken zou kunnen transformeren, verbeterde zonnecellen, en touchscreen-elektronica.

De wetenschappers synthetiseerden de materialen in Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) en karakteriseerden de nanoschaalarchitecturen met behulp van elektronenmicroscopie bij CFN en röntgenverstrooiing bij de National Synchrotron Light Source - beide DOE Office of Science User Facilities.

De nieuwe techniek is gebaseerd op zelfassemblage van polymeren, waar moleculen zijn ontworpen om spontaan te assembleren tot gewenste structuren. Zelfassemblage vereist een uitbarsting van warmte om de moleculen in de juiste configuraties te laten klikken. Hier, een intens hete laser veegde over het monster om ongeordende polymeerblokken in slechts enkele seconden om te zetten in nauwkeurige arrangementen.

"Zelf-geassembleerde structuren hebben de neiging om automatisch moleculaire voorkeuren te volgen, het uitdagend maken van aangepaste architecturen, " zei hoofdauteur Pawel Majewski, een postdoctoraal onderzoeker bij Brookhaven. "Onze lasertechniek dwingt de materialen om op een bepaalde manier te assembleren. We kunnen dan lagen voor laag structuren bouwen, het construeren van roosters bestaande uit vierkanten, ruiten, driehoeken, en andere vormen."

Lasergeassembleerde nanodraden

Voor de eerste stap in de netconstructie, het team profiteerde van hun recente uitvinding van laser zone annealing (LZA) om de extreem gelokaliseerde thermische pieken te produceren die nodig zijn om ultrasnelle zelfassemblage aan te drijven.

Om de kracht en precisie van LZA verder te benutten, de onderzoekers brachten een warmtegevoelige elastische coating aan op de niet-geassembleerde polymeerfilm. De hitte van de zwaaiende laser zorgt ervoor dat de elastische laag uitzet - zoals krimpfolie in omgekeerde richting - waardoor de snel vormende cilinders op nanoschaal worden aangetrokken en uitgelijnd.

"Het eindresultaat is dat in minder dan een seconde, we kunnen sterk uitgelijnde batches nanocilinders maken, " zei co-auteur Charles Black, die de Electronic Nanomaterials-groep leidt bij CFN. "Deze volgorde blijft bestaan ​​​​over macroscopische gebieden en zou moeilijk te bereiken zijn met een andere methode."

Om deze tweedimensionale rasters functioneel te maken, de wetenschappers hebben de polymeerbasis omgezet in andere materialen.

Eén methode omvatte het nemen van de nanocilinderlaag en deze onderdompelen in een oplossing die metaalzouten bevat. Deze moleculen klonteren vervolgens op het zelf-geassembleerde polymeer, omzetten in een metalen gaas. Een breed scala aan reactieve of geleidende metalen kan worden gebruikt, inclusief platina, goud, en palladium.

Ze gebruikten ook een techniek genaamd dampafzetting, waar een verdampt materiaal de polymere nanocilinders infiltreert en ze omzet in functionele nanodraden.

Laag voor laag rooster

De eerste voltooide nanodraadarray fungeert als de basis van het volledige rooster. Extra lagen, elk volgt variaties op datzelfde proces, worden vervolgens gestapeld om op maat te produceren, kruisende configuraties, zoals kettingschakels 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

"De richting van de laser die over elke niet-geassembleerde laag veegt, bepaalt de oriëntatie van de nanodraadrijen, " zei Yager. "We verschuiven die laserrichting op elke laag, en de manier waarop de rijen elkaar kruisen en overlappen, vormt het raster. Vervolgens brengen we de functionele materialen aan nadat elke laag is gevormd. Het is een uitzonderlijk snelle en eenvoudige manier om zulke nauwkeurige configuraties te produceren."

Studie co-auteur Atikur Rahman, een CFN postdoctoraal onderzoeker, toegevoegd, "We kunnen metalen op isolatoren stapelen, te, het inbedden van verschillende functionele eigenschappen en interacties binnen één roosterstructuur.

"De grootte en de samenstelling van het gaas maken een enorm verschil, "Vervolgde Rahman. "Bijvoorbeeld, een enkele laag platina-nanodraden geleidt elektriciteit in slechts één richting, maar een tweelaags gaas geleidt gelijkmatig in alle richtingen."

LZA is nauwkeurig en krachtig genoeg om interface-interacties te overwinnen, waardoor het polymeer zelfassemblage kan aandrijven, zelfs op complexe onderliggende lagen. Deze veelzijdigheid maakt het gebruik van een grote verscheidenheid aan materialen in verschillende configuraties op nanoschaal mogelijk.

"We can generate nearly any two-dimensional lattice shape, and thus have a lot of freedom in fabricating multi-component nanostructures, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."