Nanoescala 'conversas' criam estruturas complexas, multi-camadas

Nanoescala 'conversas' criam estruturas complexas, multicamadas


Construção de nanomateriais com características apenas bilionésimos de um metro de abrangência requer precisão extraordinária. Intensificação dessa construção enquanto complexidade crescente apresenta um obstáculo significativo para o uso generalizado de tais materiais nano-engenharia.

Agora, os cientistas no laboratório nacional de Brookhaven de os E.U. departamento de emergia dos desenvolveram uma forma eficientemente criar estruturas de nanoescala escalável, multicamadas, vários estampados com complexidade sem precedentes.

A equipe de Brookhaven explorada auto-montagem, onde materiais espontâneas se encaixam para formar a estrutura desejada. Mas eles introduziram um salto significativo em inteligência material, porque cada camada auto montada agora orienta a configuração de camadas adicionais.

Os resultados, publicados na revista Natureza comunicações, oferecem um novo paradigma para a nanoescala auto-montagem, potencialmente avançando nanotecnologia usada para medicina, geração de energia e outras aplicações.

"Há algo surpreendente e gratificante sobre a criação de estruturas ninguém viu antes," disse o co-autor do estudo Kevin Yager, uma cientista centro do laboratório Brookhaven para nanomateriais funcionais (CFN). "Estamos chamando este responsivo estratificação-como construir uma torre, mas onde cada tijolo é inteligente e contém instruções para tijolos subsequentes."

A técnica foi pioneira inteiramente para o CFN, um DOE escritório de ciência instalação.

"O truque foi quimicamente" Impermeabilização"cada camada para torná-lo robusto o suficiente para que as camadas adicionais não interrompem-lo," disse o autor principal Atikur Rahman, um pós-doutorado de laboratório Brookhaven durante o estudo e, agora, um professor assistente no Instituto indiano de Ciências da educação e pesquisa, Pune. "Isso nos concedeu um controle sem precedentes. Nós podemos agora pilha qualquer sequência de camadas auto-organizada para criar cada vez mais intricadas estruturas 3D."

Conversas de nanoescala orientadores


Outra nano-fabricação tais métodos como litografia pode criar precisos nano-estruturas, mas a ordem espontânea de auto-montagem torna mais rápido e mais fácil. Camadas adicionais, ágil, empurra que a eficiência em novas direções, permitindo, por exemplo, estruturas com canais internos ou bolsos que seriam extremamente difícil fazer por outros meios.

"Self-assembly é escalável e barato porque é conduzido por interações intrínsecas," disse o co-autor do estudo e cientista CFN Gregory Doerk. "Evitamos as ferramentas complexas que são tradicionalmente usadas para esculpir nano-estruturas precisas."

A colaboração do CFN usado filmes finos de copolímeros de bloco (BCP)-correntes de duas distintas moléculas ligadas entre si. Através de técnicas bem estabelecidas, os cientistas espalharam filmes BCP em um substrato aplicado calor e assistiram o material auto-montagem em uma configuração prescrita. Imagine espalhando LEGOs sobre uma assadeira, furando-o no forno e depois vê-lo emergir com cada peça elegantemente passou-se juntos em perfeita ordem.

No entanto, estes materiais são convencionalmente bidimensionais, e simplesmente empilhamento lhes renderia uma confusão desordenada. Então os cientistas do laboratório Brookhaven desenvolveram uma maneira de ter camadas Self montadas discretamente "conversar" com outro.

A equipe infundido cada camada com um vapor de moléculas inorgânicas para selar o estrutura, um pouco como aplicar goma laca nanoescala para preservar um quebra-cabeça montado-só.

"Estamos sintonizado a etapa de infiltração de vapor para que a estrutura de cada camada apresenta contornos de superfície controlados", disse reis. "Camadas subsequentes Então sentem e respondem a esta topografia sutil."

Co-autor Pawel Majewski adicionado, "essencialmente, abrimos uma 'conversa' entre camadas. Os testes padrões de superfície dirige um tipo do crosstalk topográfico, e cada camada age como um modelo para o próximo."

Configurações de exóticas


Como muitas vezes ocorre na investigação fundamental, esta interferência foi um fenómeno inesperado.

"Nós estávamos espantados quando vimos pela primeira vez com modelo de ordenação de uma camada para a próxima, Rahman disse." Sabíamos imediatamente que tínhamos exaustivamente testar todas as combinações possíveis de camadas de filme e explorar o potencial da técnica."

A colaboração demonstrou a formação de uma ampla gama de nano-estruturas-incluindo muitas configurações nunca antes observadas. Alguns continham câmaras ocas, pinos redondos, barras e formas sinuosas.

"Isso realmente foi um esforço hercúleo da Celeste", disse Yager. "As amostras de várias camadas cobertas uma impressionante gama de combinações".

Mapeamento de estruturas de nunca-antes-visto


Os cientistas usaram microscopia eletrônica de varredura (SEM) para sondar as características de nanoescala, ficando transversais detalhes das estruturas emergentes. Um feixe focalizado de elétrons bombardeados a amostra, saltando de características da superfície antes de ser detectado para permitir a reconstrução de uma imagem representando a configuração exata.

Eles isto complementado com espalhamento de raios-x no Nacional Synchrotron Light Source II do Brookhaven-outra DOE escritório de ciência usuário instalação. A técnica de espalhamento penetrativo permitiu aos pesquisadores sondar a estrutura interna.

"CFN reúne uma concentração única de habilidades, interesses e tecnologia," disse o diretor do CFN e co-autor Charles Black. "Em uma instalação, temos pessoas interessadas em criar, converter e estruturas de medição-que é como nós podemos ter esses tipos de descobertas inesperadas e altamente colaborativas."

Esta descoberta fundamental amplia substancialmente a diversidade e a complexidade das estruturas que podem ser feitas com self-assembly e correspondentemente, amplia a gama de aplicações potenciais. Por exemplo, intrincadas nanoestruturas tridimensionais podem produzir transformadoras melhorias nas membranas nano-poroso para purificação de água, bio-detecção ou catálise.

Referência de informação

The article is a translation of the content of this work: Nanoscale 'conversations' create complex, multi-layered structures

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