(PhysOrg.com) - En relativt snabb, enkel och billig teknik för att inducera nanoroder-stavformade halvledarnanokrystaller-att självmontera till en-, två- och till och med tredimensionella makroskopiska strukturer har utvecklats av ett team av forskare med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Denna teknik bör möjliggöra effektivare användning av nanoroder i solceller, magnetiska lagringsenheter och sensorer. Det bör också hjälpa till att öka de elektriska och mekaniska egenskaperna hos nanorod-polymerkompositer.

Ting Xu ledde detta projekt, en polymervetare som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och University of California (UC) Berkeleys institutioner för materialvetenskap och teknik, och kemi. Xu och hennes forskargrupp använde block -sampolymerer - långa sekvenser eller "block" av en typ av monomer bunden till block av en annan typ av monomer - som en plattform för att styra självmontering av nanoroder till komplexa strukturer och hierarkiska mönster. Blocksampolymerer har en medfödd förmåga att självmontera till väldefinierade uppsättningar av nanostorlekar över makroskopiska avstånd.

"Vår är en enkel och mångsidig teknik för att styra orienteringen av nanoroder i blocksampolymerer, "Xu säger." Genom att variera block -sampolymerernas morfologi och nanorodernas kemiska natur, vi kan tillhandahålla kontrollerad självmontering i nanoroder och nanorodbaserade nanokompositer som är avgörande för deras användning vid tillverkning av optiska och elektroniska enheter. "

Xu är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning som har publicerats i tidskriften Nano bokstäver under titeln "Direct Nanorod Assembly Using Block Copolymer-Based Supramolecules." Medförfattare av tidningen var Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni och Peter Ercius.

Nanoroder - materialpartiklar tusen gånger mindre än dagens mikroteknik - visar mycket eftertraktade optiska, elektroniska och andra egenskaper som inte finns i makroskopiska material. För att fullt ut förverkliga deras stora tekniska löfte, dock, nanoroder måste kunna sätta ihop sig till komplexa strukturer och hierarkiska mönster, liknande vad naturen rutinmässigt åstadkommer med proteiner.

Xu och hennes forskargrupp tog först block-sampolymerer som allierade i detta självmonteringsarbete 2009, arbeta med de sfäriska nanopartiklarna, allmänt kända som kvantprickar. I den studien, de surrade kvantprickar för att blockera sampolymerer via en "mediator" av små limmolekyler. I denna senaste utveckling, Xu och hennes grupp använde igen limmolekyler, men den här gången för att förmedla mellan nanoroderna och supramolekylerna i blocksampolymerer. En supramolekyl är en grupp molekyler som fungerar som en enda molekyl som kan utföra en specifik uppsättning funktioner.

"Block sampolymer supramolekyler självmonteras och bildar ett brett spektrum av morfologier som har mikrodomäner vanligtvis några till tiotals nanometer i storlek, "Xu säger." Eftersom deras storlek är jämförbar med nanopartiklar, mikrodomänen för block-sampolymer supramolekyler ger en idealisk strukturell ram för sammontering av nanoroder. "

Xu och hennes grupp införlivar nanoroder i lösningar av block -sampolymer supramolekyler som bildar sfäriska, cylindriska och lamellära mikrodomäner. Under torkningsprocessen bidrar energi till systemet från interaktionerna mellan nanorodligander och polymerer, entropin associerad med deformation av polymerkedja vid införlivande av nanorod, och samspelet mellan enskilda nanoroder. Xu och hennes grupp observerade att dessa energiska bidrag bestämmer placeringen och distributionen av nanoroderna, liksom den övergripande morfologin för nanorodblocksampolymerkompositerna. Dessa energiska bidrag kan enkelt ställas in genom att variera den supramolekylära morfologin, vilket uppnås helt enkelt genom att fästa olika typer av små molekyler till blockkopolymerernas sidokedjor.

"Vi har lätt tillgång till ett brett bibliotek med nanorodaggregat inklusive arranger av nanoroder som är parallella med blockcylindriska cylindriska mikrodomäner, kontinuerliga nanorodnätverk, och nanorodkluster, "Xu säger." Eftersom den makroskopiska inriktningen av block -sampolymermikrodomäner kan erhållas i bulk och i tunna filmer genom applicering av externa fält, vår teknik bör öppna upp en livskraftig väg för att manipulera de makroskopiska inriktningarna av nanoroder. "

Denna nya teknik kan producera ordnade matriser av nanoroder som är makroskopiskt anpassade till avstämbara avstånd mellan enskilda stavar - en morfologi som lämpar sig för produktion av plasmonik, som är material som håller stort löfte för supersnabba datorer, ultrakraftiga optiska mikroskop, och till och med skapandet av osynliga mattor. Det är också en enkel nanopartikel självmonteringsteknik som kan producera ett kontinuerligt nätverk av nanoroder med nanoskopiska separationsavstånd. Sådana nätverk kan förbättra de makroskopiska egenskaperna hos nanokompositer, inklusive elektrisk konduktivitet och materialstyrka.

Xu krediterar mycket av framgången med denna forskning till de exceptionella förmågorna och personalen vid National Center for Electron Microscopy (NCEM), en nationell användaranläggning från DOE på Berkeley Lab, som är hem för världens mest kraftfulla elektronmikroskop.

"För studier av tredimensionella nanorodaggregat, vi behövde implementera högupplöst tomografi och detta utgjorde en utmaning inte bara för att samla in bilddata utan också för att bearbeta den, "Xu säger." Expertisen och skickligheten hos NCEM:s Peter Ercius var ovärderlig. "

Xu och hennes grupp undersöker nu självmontering av halvledarnanokristaller som har formen av kuber eller tetrapoder, som båda har viktiga potentiella tillämpningar för solceller och annan teknik.

"Vi skulle också vilja undersöka självmontering av nanopartiklar i kombinationer av olika former, "Säger Xu.