Detta elektronmikrofotografi visar en självmonterad komposit där nanopartiklar av blysulfid har ordnat sig i ett hexagonalt rutnät. Kredit:Ting Xu, Lawrence Berkeley National Laboratory- UC Berkeley
(PhysOrg.com) -- Om löftet om nanoteknik ska uppfyllas, nanopartiklar måste kunna göra något av sig själva. Ett viktigt framsteg mot detta mål har uppnåtts av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory som har hittat ett enkelt och ändå kraftfullt robust sätt att få nanopartiklar att samlas i komplexa arrayer.
Genom att lägga till specifika typer av små molekyler till blandningar av nanopartiklar och polymerer, forskarna kan styra självmonteringen av nanopartiklarna till arrayer av en, två och till och med tre dimensioner utan kemisk modifiering av vare sig nanopartiklarna eller blocksampolymererna. Dessutom, applicering av yttre stimuli, såsom ljus och/eller värme, kan användas för att ytterligare styra sammansättningarna av nanopartiklar för ännu finare och mer komplexa strukturella detaljer.
"Vi har visat ett enkelt men mångsidigt tillvägagångssätt för att exakt kontrollera den rumsliga fördelningen av lättillgängliga nanopartiklar över flera längdskalor, allt från nano till makro, " säger Ting Xu, en polymerforskare som ledde detta projekt och som har gemensamma möten med Berkeley Labs Materials Sciences Division och University of California, Berkeleys institutioner för materialvetenskap och teknik, och kemi. "Vår teknik kan användas på en mängd olika nanopartiklar och bör öppna nya vägar för tillverkning av nanopartikelbaserade enheter inklusive högeffektiva system för generering och lagring av solenergi."
Xu är motsvarande författare på ett papper som beskriver detta arbete som har publicerats av tidskriften Naturmaterial . Uppsatsen har titeln:"Små molekyler riktade nanopartikelsammansättning mot stimuli-responsiva nanokompositer." Yue Zhao var medförfattare av denna tidning med henne, Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni, Thomas Schilling, Josef Luther, Benjamin Rancatore, Kazuyuki Matsunaga, Hiroshi Jinnai, Yue Wu, Daniel Poulsen, Jean Fréchet och Paul Alivisatos.
Konsten att bygga själv
Nanostora partiklar - bitar av materia några miljarddels meter stora, eller mer än hundra gånger mindre än dagens mikroteknologier - uppvisar mycket eftertraktade egenskaper som inte finns i makroskopiska material, inklusive optisk, elektronisk, magnetisk, etc. Nanoteknikens löfte är att utnyttjandet av dessa unika egenskaper i kommersiell skala skulle kunna ge sådana "gamechangers" som hållbara, ren och billig energi, och skapande på begäran av nya material med egenskaper som är skräddarsydda för att möta specifika behov. Att förverkliga detta löfte börjar med att nanopartiklar kan organisera sig i komplexa strukturer och hierarkiska mönster, liknande vad naturen rutinmässigt åstadkommer med proteiner.
"Exakt kontroll av den rumsliga organisationen av nanopartiklar och andra nanoskopiska byggstenar över flera längdskalor har varit en flaskhals i nedifrån-och-upp-genereringen av tekniskt viktiga material, " säger Xu. "De flesta av de metoder som har använts hittills har involverat ytmodifieringar."
Små som de är, nanopartiklar är i princip alla ytor så varje process som modifierar ytan på en nanopartikel kan djupt förändra egenskaperna hos den partikeln. Att exakt arrangera dessa nanopartiklar är avgörande för att skräddarsy de makroskopiska egenskaperna under nanopartikelmontering. Även om DNA har använts för att inducera självmontering av nanopartiklar med en hög grad av precision, detta tillvägagångssätt fungerar bara bra för organiserade arrayer som är begränsade i storlek; det är opraktiskt för storskalig tillverkning. Xu anser att ett bättre tillvägagångssätt är att använda blocksampolymerer - långa sekvenser eller "block" av en typ av monomermolekyl bundna till block av en annan typ av monomermolekyl.
"Blocksampolymerer kan lätt självmonteras till väldefinierade arrayer av nanostrukturer över makroskopiska avstånd, " säger hon. "De skulle vara en idealisk plattform för att styra sammansättningen av nanopartiklar förutom att blocksampolymerer och nanopartiklar inte är särskilt kompatibla med varandra ur en kemisynpunkt. En medlare krävs för att föra dem samman."
Xu och hennes grupp hittade en sådan "mediator" i form av små molekyler som kommer att förenas med nanopartiklar och sedan kan fästa sig själva och deras nanopartikelpartners på ytan av en blocksampolymer. För denna studie, Xu och hennes grupp använde två olika typer av små molekyler, ytaktiva ämnen (vätmedel) kallade "PDP" och "OPAP". Dessa små molekyler kan stimuleras av ljus (PDP) eller värme (OPAP) för att bryta sin anslutning till ytan av en blocksampolymer och flyttas till en annan plats längs polymerkedjan. På detta sätt, den rumsliga fördelningen av de små molekylmediatorerna och deras nanopartikelpartners kan styras exakt utan att behöva modifiera vare sig nanopartiklarna eller polymererna.
"Det fina med denna teknik är att den inte involverar någon sofistikerad kemi, " säger Xu. "Det är verkligen en plug and play-teknik, där du helt enkelt blandar nanopartiklarna med blocksampolymererna och sedan lägger till de små molekylerna du behöver."
För denna studie, Xu och hennes kollegor lade till små PDP- eller OPAP-molekyler till olika blandningar av nanopartiklar, sådan
som kadmiumselenid och blysulfid, blandas med en kommersiell blocksampolymer - polystyren-block-poly (4-vinylpyridin). Medan hon och hennes grupp arbetade med ljus och värme, hon säger andra stimuli, såsom pH, kan också användas för att ompositionera små molekyler och deras nanopartikelpartners längs blocksampolymerformationer. Strategiska substitutioner av olika typer av stimuluskänsliga små molekyler skulle kunna fungera som en mekanism för strukturell finjustering eller för att införliva specifika funktionella egenskaper i nanokompositer. Xu och hennes kollegor håller nu på att lägga till funktionalitet till sin självmonteringsteknik.
"Samla de rätta grundläggande komponenterna - nanopartiklar, polymerer och små molekyler - stimulera blandningen med en kombination av värme, ljus eller andra faktorer, och dessa komponenter kommer att monteras till sofistikerade strukturer eller mönster, " säger Xu. "Det är inte olikt hur naturen gör det."
Källa:Lawrence Berkeley National Laboratory (nyheter:webb)