I nära två decennier har Cornell-forskare har utvecklat processer för att använda polymerer för att själv montera oorganiska nanopartiklar till porösa strukturer som kan revolutionera elektronik, energi och mer.

Denna process har nu drivits till en oöverträffad precision med metallnanopartiklar, och stöds av noggrann analys av de teoretiska detaljerna bakom varför och hur dessa partiklar samlas med polymerer. En sådan djup förståelse för det komplexa samspelet mellan kemi och fysik som driver komplex självmontering banar väg för dessa nya material att komma in i många tillämpningar, från elektrokatalys i bränsleceller till spänningskonduktans i kretsar.

Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i material Vetenskap och teknik, ledde vad som förmodligen är den mest omfattande studien hittills av block-sampolymer nanopartiklar självmonteringsprocesser. Studien publicerades online den 21 februari Naturkommunikation .

Från utsidan, processen ser tillräckligt enkel ut. Börja med platina och guldpartiklar som växer från en föregångare. En kemikalie som kallas en ligand täcker partiklarna och kontrollerar exakt deras storlek. Lägg till dessa designade molekyler som kallas block -sampolymerer - långa kedjor av två eller tre organiska material. Polymererna kombineras med platina och guld nanopartiklar, som alla samlas till ordnade, kubisk, tredimensionella strukturer. Ets bort polymeren, och det som återstår är mängder av nanopartiklar som bildar porösa 3D-kubiska nätverk.

Varje steg - från ligandernas exakta struktur, till syntesen av polymererna - kräver exakt kemi och detaljerad förståelse för varje materials roll. Naturkommunikationsanalysen drog till sig expertis från samarbetspartners inom elektrontomografi, energidispersiv mikroskopi och perkolationsteori. Till exempel, medarbetare från Japan Science and Technology Agency använde elektron tomografi för att kartlägga varenda partikel i proverna, som sedan kan jämföras med teoretiska förutsägelser. Resultatet är en omfattande uppsättning designkriterier som kan leda till att dessa partikelnät förbereds för större lösningsbearbetning.

"Vi kan inte bara göra dessa material, men i synnerhet genom elektrontomografi, vi kan analysera dessa strukturer på ett djup som bara inte har gjorts tidigare, "Wiesner sa." Jämförelsen med teori gör att vi fullt ut kan förstå de fysiska mekanismer genom vilka dessa strukturer bildas. "

Varför ägna sådan uppmärksamhet åt dessa självmonterade nanopartikelnätverk? De är gjorda på ett sätt som aldrig skulle hända i naturen eller med konventionella laboratoriemetoder. De är jämnt porösa med hög ytarea och, därför, är mycket katalytiska och potentiellt användbara för energitillämpningar.

Kanske bäst av allt, att arbeta med polymerer innebär kostnadseffektivt, storskalig bearbetning kan vara ett ögonblick.

Flera decennier av polymervetenskap har gett världen effektiv skalbarhet oöverträffad i materialvärlden - tänk på plastproduktion. Wiesner och kollegor har bevisat konceptet med självmonterade metallnanopartiklar med hjälp av block-sampolymerbaserad lösningsbehandling som går utöver "glasflaskan i ett laboratorium, "Sa Wiesner.

"Nu när vi förstår hur allt fungerar, vår process lämpar sig lätt för större produktion av sådana material, " han sa.