Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley har styrt den första självmonteringen av nanopartiklar till enhetsfärdiga material. Genom en relativt enkel och billig teknik baserad på att blanda nanopartiklar med blocksampolymer supramolekyler, forskarna producerade flera lager av tunna filmer från välordnade en-, två- och tredimensionella arrayer av guldnanopartiklar. Tunna filmer som dessa har potentiella tillämpningar för ett brett spektrum av områden, inklusive datorminneslagring, energiskörd, energilagring, fjärranalys, katalys, ljushantering och det framväxande nya området för plasmonik.

"Vi har visat ett enkelt men mångsidigt supramolekylärt tillvägagångssätt för att styra den 3-D rumsliga organisationen av nanopartiklar med enkelpartikelprecision över makroskopiska avstånd i tunna filmer, " säger polymerforskaren Ting Xu, som ledde denna forskning. "Medan de tunna guldfilmerna vi gjorde var i oblatstorlek, tekniken kan lätt producera mycket större filmer, och det kan användas på nanopartiklar av många andra material förutom guld."

Xu har gemensamma utnämningar med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys avdelningar för materialvetenskap och teknik, och kemi. Hon är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i tidskriften Nanobokstäver med titeln "Nanopartikelsammansättningar i tunna filmer av supramolekylära nanokompositer." Medförfattare till tidningen var Joseph Kao, Peter Bai, Vivian Chuang, Zhang Jiang och Peter Ercius.

Nanopartiklar kan ses som konstgjorda atomer med unika optiska, elektriska och mekaniska egenskaper. Om nanopartiklar kan lockas till att rutinmässigt sätta ihop sig själva till komplexa strukturer och hierarkiska mönster, liknande vad naturen gör med proteiner, enheter som är tusen gånger mindre än dagens mikroteknologier skulle kunna massproduceras.

Xu och hennes forskargrupp har avancerat mot detta mål under det senaste decenniet. I en studie tidigare i år, de kunde få stavformade halvledarnanokristaller att själva montera ihop till en, två- och till och med tredimensionella makroskopiska strukturer. Med denna senaste tillämpning av deras metoder på tunna filmer, de har flyttat in i sfären av materialformer som krävs för tillverkning av enheter och är väl lämpade för skalbar nanotillverkning.

"Det här är första gången som 2-D nanopartikelsammansättning, liknande de som erhålls med hjälp av DNA-linkers och kontrollerad lösningsmedelsavdunstning, kan tydligt uppnås i flera lager i supramolekylbaserade nanokompositfilmer, " Xu säger. "Vår supramolekylära tillvägagångssätt kräver inte kemisk modifiering av någon av komponenterna i kompositsystemet och, förutom att tillhandahålla ett sätt att bygga nanopartikelbaserade enheter, bör också tillhandahålla en kraftfull plattform för att studera korrelationer mellan nanopartiklars struktur och egenskaper."

Tekniken som utvecklats av Xu och hennes kollegor använder lösningar av blocksampolymer supramolekyler för att styra självmonteringen av nanopartiklar. En supramolekyl är en grupp molekyler som fungerar som en enda molekyl som kan utföra en specifik uppsättning funktioner. Blocksampolymerer är långa sekvenser eller "block" av en typ av monomer bundna till block av en annan typ av monomer som har en medfödd förmåga att självmontera till väldefinierade arrayer av strukturer i nanostorlek över makroskopiska avstånd.

"Supramolekyler av blocksampolymer monteras själv och bildar ett brett utbud av morfologier som har mikrodomäner som vanligtvis är några till tiotals nanometer i storlek, " säger Xu. "Eftersom deras storlek är jämförbar med nanopartiklarnas storlek, mikrodomänerna av blocksampolymersupramolekyler ger ett idealiskt strukturellt ramverk för självmontering av nanopartiklar."

I denna senaste studie, Xu och hennes kollegor inkorporerade guldnanopartiklar i lösningar av blocksampolymer supramolekyler för att bilda filmer som varierade i tjocklek mellan 100 till 200 nanometer. Nanokompositfilmerna innehöll mikrodomäner i en av två vanliga morfologier - lamellär eller cylindrisk. För de lamellära mikrodomänerna, nanopartiklarna bildade hexagonalt packade 2D-ark som staplades i flera lager parallellt med ytan. För de cylindriska mikrodomänerna, nanopartiklarna bildade 1-D-kedjor (enkel partikelbredd) som packades in i förvrängda hexagonala gitter i parallell orientering med ytan.

"Vid inkorporering av nanopartiklar, blocksampolymerens supramolekyler upplever konformationsförändringar, resulterar i entropi som bestämmer placeringen och fördelningen av nanopartiklarna, såväl som den övergripande morfologin hos nanokompositfilmerna, " Xu säger. "Våra resultat indikerar att det borde vara möjligt att generera högordnade gitter av nanopartiklar inom blocksampolymer mikrodomäner och erhålla 3-D hierarkiska sammansättningar av nanopartiklar med exakt strukturell kontroll."

Interpartikelavståndet mellan guldnanopartiklar i 1-D-kedjorna och 2-D-arken var 8 till 10 nanometer, vilket ger spännande möjligheter när det gäller plasmonik, fenomenet genom vilket en ljusstråle begränsas i extremt trånga utrymmen. Plasmonisk teknologi lovar mycket för supersnabba datorer och optisk mikroskopi, bland andra applikationer. Dock, en stor utmaning för att utveckla plasmonik har varit svårigheten att tillverka metamaterial med nanopartiklar av ädelmetall som guld.

"Våra tunna guldfilmer visar stark plasmonisk koppling längs mellanpartikelavståndet i 1-D-kedjorna respektive 2-D-arken, " säger Xu. "Vi bör därför kunna använda dessa filmer för att undersöka unika plasmoniska egenskaper för nästa generations elektroniska och fotoniska enheter. Vår supramolekylära teknik kan också användas för att tillverka plasmoniska metamaterial."