Het bouwen van nanomaterialen met eigenschappen die slechts een miljardste van een meter beslaan, vereist buitengewone precisie. Het opschalen van die constructie terwijl de complexiteit toeneemt, vormt een aanzienlijke hindernis voor het wijdverbreide gebruik van dergelijke nano-engineered materialen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een manier ontwikkeld om efficiënt schaalbare, meerlagig, structuren op nanoschaal met meerdere patronen en een ongekende complexiteit.

Het Brookhaven-team maakte gebruik van zelfassemblage, waar materialen spontaan in elkaar klikken om de gewenste structuur te vormen. Maar ze introduceerden een aanzienlijke sprong in materiële intelligentie, omdat elke zelf-geassembleerde laag nu de configuratie van extra lagen begeleidt.

De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , een nieuw paradigma bieden voor zelfassemblage op nanoschaal, mogelijk voortschrijdende nanotechnologie die wordt gebruikt voor medicijnen, energieopwekking, en andere toepassingen.

"Er is iets geweldigs en lonends aan het maken van structuren die niemand ooit eerder heeft gezien, " zei co-auteur Kevin Yager, een wetenschapper bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). "We noemen dit responsieve gelaagdheid-achtige bouwen een toren, maar waar elke steen intelligent is en instructies bevat voor volgende stenen."

De techniek werd volledig gepionierd bij de CFN, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"De truc was om elke laag chemisch te 'verzegelen' om het robuust genoeg te maken zodat de extra lagen het niet verstoren, " zei hoofdauteur Atikur Rahman, een Brookhaven Lab-postdoc tijdens de studie en nu een assistent-professor aan het Indian Institute of Science Education and Research, Poona. "Dit gaf ons ongekende controle. We kunnen nu elke reeks zelfgeorganiseerde lagen stapelen om steeds ingewikkelder 3D-structuren te creëren."

Begeleiden van gesprekken op nanoschaal

Andere nanofabricagemethoden, zoals lithografie, kunnen nauwkeurige nanostructuren creëren, maar de spontane ordening van zelfassemblage maakt het sneller en gemakkelijker. Verder, responsieve gelaagdheid duwt die efficiëntie in nieuwe richtingen, inschakelen, bijvoorbeeld, structuren met interne kanalen of zakken die buitengewoon moeilijk te maken zouden zijn op een andere manier.

"Zelfassemblage is goedkoop en schaalbaar omdat het wordt aangedreven door intrinsieke interacties, " zei co-auteur en CFN-wetenschapper Gregory Doerk. "We vermijden de complexe gereedschappen die traditioneel worden gebruikt om nauwkeurige nanostructuren te maken."

De CFN-samenwerking maakte gebruik van dunne films van blokcopolymeren (BCP)-ketens van twee verschillende moleculen die aan elkaar waren gekoppeld. Door beproefde technieken, de wetenschappers verspreidden BCP-films over een substraat, toegepaste warmte, en zag hoe het materiaal zichzelf in een voorgeschreven configuratie assembleerde. Stel je voor dat je LEGO's over een bakplaat verspreidt, in de oven steken, en dan het zien verschijnen met elk stuk elegant in perfecte volgorde in elkaar geklikt.

Echter, deze materialen zijn conventioneel tweedimensionaal, en eenvoudigweg stapelen zou een ongeordende puinhoop opleveren. Dus de wetenschappers van Brookhaven Lab ontwikkelden een manier om zelf-geassembleerde lagen discreet met elkaar te laten 'praten'.

Het team doordrenkte elke laag met een damp van anorganische moleculen om de structuur af te dichten - een beetje zoals het aanbrengen van schellak op nanoschaal om een ​​zojuist samengestelde puzzel te behouden.

"We hebben de dampinfiltratiestap zo afgestemd dat de structuur van elke laag gecontroleerde oppervlaktecontouren vertoont, "Zei Rahman. "Daaropvolgende lagen voelen en reageren op deze subtiele topografie."

Co-auteur Pawel Majewski heeft toegevoegd, "Eigenlijk, we openen een 'gesprek' tussen lagen. De oppervlaktepatronen zorgen voor een soort topografische overspraak, en elke laag fungeert als een sjabloon voor de volgende."

Exotische configuraties

Zoals vaak gebeurt in fundamenteel onderzoek, deze overspraak was een onverwacht fenomeen.

"We waren stomverbaasd toen we voor het eerst een sjablonenordening van de ene laag naar de volgende zagen, zei Rahmaan. "We wisten meteen dat we alle mogelijke combinaties van filmlagen uitputtend moesten testen en het potentieel van de techniek moesten verkennen."

De samenwerking toonde de vorming aan van een breed scala aan nanostructuren, waaronder veel configuraties die nog nooit eerder zijn waargenomen. Sommige bevatten holle kamers, ronde pinnen, staven, en kronkelende vormen.

"Dit was echt een enorme inspanning van de kant van Atikur, " zei Yager. "De meerlagige monsters bestreken een duizelingwekkend aantal combinaties."

Nooit eerder vertoonde structuren in kaart brengen

De wetenschappers gebruikten scanning-elektronenmicroscopie (SEM) om de kenmerken op nanoschaal te onderzoeken, het verkrijgen van transversale details van de opkomende structuren. Een gerichte elektronenstraal bombardeerde het monster, weerkaatsen van oppervlaktekenmerken voordat ze worden gedetecteerd om reconstructie van een afbeelding mogelijk te maken die de exacte configuratie weergeeft.

Ze vulden dit aan met röntgenverstrooiing in Brookhaven's National Synchrotron Light Source II, een andere DOE Office of Science User Facility. Dankzij de penetrerende verstrooiingstechniek konden de onderzoekers de interne structuur onderzoeken.

"CFN brengt een unieke concentratie van vaardigheden samen, interesses, en technologie, " zei CFN-directeur en co-auteur Charles Black. "In één faciliteit, we hebben mensen die geïnteresseerd zijn in het creëren, omzetten, en het meten van structuren - zo kunnen we dit soort onverwachte en zeer collaboratieve doorbraken hebben."

Deze fundamentele doorbraak verbreedt aanzienlijk de diversiteit en complexiteit van structuren die kunnen worden gemaakt met zelfassemblage, en dienovereenkomstig het scala aan mogelijke toepassingen verbreedt. Bijvoorbeeld, ingewikkelde driedimensionale nanostructuren kunnen transformatieve verbeteringen opleveren in nanoporeuze membranen voor waterzuivering, bio-waarneming, of katalyse.