Dagarna med självmonterande nanopartiklar som tog timmar att bilda en film över en skiva i mikroskopisk storlek är över. Forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har utarbetat en teknik där självmonterande nanopartikelmatriser kan bilda en högordnad tunn film över makroskopiska avstånd på en minut.

Ting Xu, en polymervetare med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, ledde en studie där supramolekyler baserade på block-sampolymerer kombinerades med guldnanopartiklar för att skapa nanokompositer som under lösningsmedelsglödgning snabbt självmonterades till hierarkiskt strukturerade tunna filmer som spänner över ett område på flera kvadratcentimeter. Tekniken är kompatibel med nuvarande nanotillverkningsprocesser och har potential att generera nya familjer av optiska beläggningar för applikationer inom ett stort antal områden, inklusive solenergi, nanoelektronik och datorminneslagring. Denna teknik kan till och med öppna nya vägar för tillverkning av metamaterial, konstgjorda nanokonstruktioner som besitter anmärkningsvärda optiska egenskaper.

"Vår teknik kan snabbt generera fantastiska nanopartikelsammansättningar över områden så stora som en kiselwafer, säger Xu, som också har ett gemensamt möte med University of California (UC) Berkeleys institutioner för materialvetenskap och teknik, och kemi. "Du kan tänka på det som pannkakssmör som du kan breda ut över ett galler, vänta en minut och du har en pannkaka redo att äta."

Xu är motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning i Naturkommunikation med titeln "Snabb tillverkning av hierarkiskt strukturerade supramolekylära nanokompositfilmer på en minut." Medförfattare är Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang och Cheng Sun.

Nanopartiklar fungerar som konstgjorda atomer med unika optiska, elektriska och mekaniska egenskaper. Om nanopartiklar kan förmås att själv montera ihop till komplexa strukturer och hierarkiska mönster, ungefär som naturen gör med proteiner, det skulle möjliggöra massproduktion av enheter som är tusen gånger mindre än de som används i dagens mikroteknik.

Xu och hennes forskargrupp har stadigt avancerat mot detta slutmål. Senast har deras fokus varit på användningen av blocksampolymerbaserade supramolekylära lösningar för att styra självmonteringen av nanopartikelmatriser. 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 bunden till block av en annan typ av monomer som har en medfödd förmåga att självmontera till väldefinierade uppsättningar av nanostorlekar över makroskopiska avstånd.

"Blocksampolymerbaserade supramolekyler sätter sig 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 supramolekyler ger en idealisk strukturell ram för självmontering av nanopartikelmatriser."

I den supramolekylära tekniken som Xu och hennes kollegor tagit fram, arrayer av guldnanopartiklar införlivades i lösningar av supramolekyler för att bilda filmer som var cirka 200 nanometer tjocka. Genom lösningsmedelsglödgning, använda kloroform som lösningsmedel, nanopartikelmatriserna organiserade i tredimensionella cylindriska mikrodomäner som packades i förvrängda hexagonala gitter i parallell orientering med ytan. Denna uppvisning av hierarkisk strukturell kontroll i självmontering av nanopartiklar var imponerande men var bara halva spelet.

"För att vara kompatibel med nanotillverkningsprocesser, självmonterande tillverkningsprocessen måste också slutföras inom några minuter för att minimera eventuell försämring av nanopartikelegenskaper som orsakas av exponering för processmiljön, " säger Xu.

Hon och hennes grupp analyserade systematiskt termodynamiken och kinetiken för självmontering i deras supramolekylära nanokompositfilmer vid exponering för lösningsmedelsånga. De fann att genom att optimera en enda parameter, mängden lösningsmedel, monteringskinetik skulle kunna skräddarsys exakt för att producera hierarkiskt strukturerade tunna filmer på en enda minut.

"Genom att konstruera våra blocksampolymerbaserade supramolekyler från små molekyler som inte är kovalent bundna till polymersidokedjor, vi förändrade energilandskapet så att lösningsmedelsinnehållet blev den viktigaste faktorn, "Xu säger." Detta gjorde att vi kunde uppnå snabbbeställning av nanopartiklarna med tillsats av endast en mycket liten mängd lösningsmedel, cirka 30 procent av fraktionen av en 200 nanometer tjock film. "

De optiska egenskaperna för nanokomposit tunna filmer beror på egenskaperna hos enskilda nanopartiklar och på väldefinierade avstånd mellan partiklar längs olika riktningar. Med tanke på att dimensionerna på guldnanopartikelmatriserna är minst en storleksordning mindre än våglängderna för synligt ljus, den supramolekylära tekniken för Xu och hennes kollegor har stor potential att användas för att tillverka metamaterial. Dessa konstgjorda material har fått mycket uppmärksamhet de senaste åren eftersom deras elektromagnetiska egenskaper är ouppnåeliga i naturmaterial. Till exempel, ett metamaterial kan ha ett negativt brytningsindex, förmågan att böja ljus bakåt, till skillnad från alla material som finns i naturen, som böjer ljuset framåt.

"Våra guld-nanokomposit tunna filmer uppvisar stark våglängdsberoende optisk anisotropi som kan anpassas helt enkelt genom att variera lösningsmedelsbehandlingen, " säger Xu. "Detta utgör ett lönsamt alternativ till litografi för att göra metamaterial."

Medan Xu och hennes kollegor använde guldnanopartiklar i sina filmer, det supramolekylära tillvägagångssättet är också kompatibelt med nanopartiklar av andra kemiska sammansättningar.

"Vi borde kunna skapa ett bibliotek av nanopartikelsammansättningar konstruerade för ljusmanipulation och andra egenskaper, " Xu säger, "med hjälp av en teknik som är kompatibel med dagens mest använda nanotillverkningsprocesser, inklusive bladbeläggning, bläckstråleutskrift och dynamisk zonglödgning."