Materiaalwetenschappers van Duke University hebben een nieuwe 'olie-en-azijn'-benadering ontwikkeld voor het ontwerpen van zelfassemblerende materialen van ongebruikelijke architecturen gemaakt van bolvormige nanodeeltjes. De resulterende structuren kunnen nuttig zijn voor toepassingen in de optica, plasmonica, elektronica en meertraps chemische katalyse.

De nieuwe aanpak verscheen op 25 maart online in het tijdschrift ACS Nano .

Aan hun eigen neigingen overgelaten, een systeem van gesuspendeerde bolvormige nanodeeltjes die zijn ontworpen om samen te klonteren, zal proberen hun contactpunten te maximaliseren door zichzelf zo strak mogelijk in te pakken. Dit resulteert in de vorming van willekeurige clusters of een driedimensionale, kristallijne structuur.

Maar materiaalwetenschappers willen vaak meer open structuren van lagere dimensies bouwen, zoals snaren of vellen, om te profiteren van bepaalde verschijnselen die kunnen optreden in de ruimten tussen verschillende soorten deeltjes. En ze zijn altijd op zoek naar slimme manieren om de afmetingen en plaatsing van die ruimtes en deeltjes nauwkeurig te regelen.

In de nieuwe studie Gaurav Arya, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke, stelt een methode voor die gebruik maakt van de lagen gevormd door vloeistoffen die, als een fles vinaigrette die te lang op de plank heeft gestaan, weigeren met elkaar te vermengen.

Wanneer sferische nanodeeltjes in zo'n systeem worden geplaatst, ze hebben de neiging om een ​​enkele laag te vormen op het grensvlak van de tegenover elkaar liggende vloeistoffen. Maar ze hoeven daar niet te blijven. Door "olie" of "azijn" moleculen aan de oppervlakken van de deeltjes te hechten, onderzoekers kunnen ze aan de ene kant van de scheidslijn meer laten zweven dan aan de andere kant.

"De deeltjes willen hun aantal contacten maximaliseren en bulkachtige structuren vormen, maar op het zelfde moment, het grensvlak van de verschillende vloeistoffen probeert ze in twee lagen te dwingen, "zei Arya. "Dus je hebt een strijd van krachten, en je kunt dat gebruiken om verschillende soorten unieke en interessante structuren te vormen."

Arya's idee is om precies te bepalen hoeveel elk bolvormig nanodeeltje door de ene of de andere vloeistof wordt afgestoten. En volgens zijn berekeningen, door deze eigenschap samen met andere eigenschappen, zoals de samenstelling en grootte van de nanodeeltjes, te veranderen, materiaalwetenschappers kunnen allerlei interessante vormen maken, van spichtige molecuulachtige structuren tot zigzagstructuren waar slechts twee nanodeeltjes elkaar tegelijk raken. Je zou je zelfs kunnen voorstellen dat verschillende lagen samenwerken om een ​​systeem van nanodeeltjes te ordenen.

In de proof-of-concept paper, de nanodeeltjes kunnen van alles zijn. Goud of halfgeleiders kunnen nuttig zijn voor plasmonische en elektrische apparaten, terwijl andere metalen elementen verschillende chemische reacties kunnen katalyseren. De tegenovergestelde substraten die de interface vormen, In de tussentijd, zijn gemodelleerd naar verschillende soorten polymeren die ook in dergelijke toepassingen kunnen worden gebruikt.

"Tot nu toe in deze krant, we hebben alleen de assemblagebenadering geïntroduceerd en het potentieel ervan aangetoond om deze exotische arrangementen te maken die je normaal niet zou krijgen, "zei Arya. "Er zijn zo veel meer dingen te doen. Voor een, we willen graag het volledige repertoire van mogelijke structuren en fasen verkennen die onderzoekers met dit concept kunnen maken. We werken ook nauw samen met experimentatoren om de volledige mogelijkheden van deze aanpak te testen."