Forskare har utvecklat en ny teknik för att tillverka halsband i nanometerskala baserat på små stjärnliknande strukturer gängade på en polymer ryggrad. Tekniken skulle kunna ge ett nytt sätt att producera hybrida organisk-oorganiska shish kebab-strukturer från halvledande, magnetisk, ferroelektriska och andra material som kan ge användbara egenskaper i nanoskala.

Forskarna har hittills gjort nanohalsband med upp till 55 nanodiskar. Den mallbaserade processen odlar amfifila maskliknande diblocksampolymerer genom en levande polymerisationsteknik där de polymera strukturerna fungerar som nanoreaktorer som bildar lateralt förbindande nanokristallina strukturer baserade på en mängd olika prekursormaterial. Nanodiskarna är i genomsnitt cirka tio nanometer i diameter och fyra nanometer i tjocklek, och är ungefär två nanometer från varandra.

"Vårt mål var att utveckla en okonventionell, ändå robust, strategi för att göra ett stort utbud av ekologisk-oorganisk hybrid shish kebab, sade Zhiqun Lin, professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Detta är en allmän teknik för att göra dessa ovanliga strukturer. Nu när vi har visat det, vi tror att det finns en nästan oändlig lista över material vi kan använda för att tillverka dessa nanohalsband."

Forskningen stöddes av Air Force Office of Scientific Research och National Science Foundation. Resultaten var planerade att publiceras den 27 mars i tidskriften Vetenskapens framsteg .

De endimensionella nanohalsbanden kan ha optisk, elektronisk, optoelektroniska, avkännings- och magnetiska tillämpningar. Forskarna har hittills tagit fram strukturer från kadmiumselenid (CdSe), bariumtitanat (BaTiO3) och järnoxid (Fe3O4), men tror att många andra material - inklusive guld - också skulle kunna användas.

Tekniken börjar med bildandet av inklusionskomplex gjorda av alfa-cyklodextriner, cykliska oligosackarider som består av sex glukosenheter. alfa-cyklodextrinerna, som är ihåliga i mitten, trä sig på en polyetylenglykol (PEG) kedja i en etablerad självmonteringsprocess. Polymerryggraden på vilken alfa-cyklodextrinerna är gängade är täckt av ett större proppmedel för att behålla de små strukturerna.

Varje alfa-cyklodextrin har 18 hydroxyl (OH) grupper som kan omvandlas till brom (Br) grupper genom en förestringsprocess. Diblockpolymer "nanomask"-strukturer odlas sedan från dessa bromgrupper i lösning. Framställd av poly(akrylsyra)-blockpolystyren (PAA-b-PS), de maskliknande diblocksampolymererna består av inre poly(akrylsyra) (PAA)-block som är hydrofila, och yttre polystyrenblock (PS) som är hydrofoba. Eftersom så många diblock växer på varje alfa-cyklodextrin, deras trängsel sträcker polymerryggraden.

Till sist, metalljonprekursorer införlivas företrädesvis i utrymmet som upptas av inre PAA-block av maskliknande disegmentsampolymer nanoreaktorer, bildar kristaller. Dessa kristaller förbinder de en gång separata strukturerna, skapar nanohalsbanden - som liknar små tusenfotingar.

"Vi blev förvånade över att se dessa nano-kebab odlas till en enda oorganisk struktur med de maskliknande diblocksampolymererna som nanoreaktorer, " sa Lin. "Under transmission elektronmikroskop avbildning, du ser nanodiskliknande kebabstrukturer periodvis placerade på den sträckta polymerskivan."

Transmissionselektronmikroskopbilder visar tydligt de nanodiskliknande kebaberna eftersom de består av material med hög elektrondensitet. Dock, den anslutande PEG-shishen dyker inte upp eftersom det är en enda kedja och dess elektrontäthet är mycket mindre.

Bildandet av strukturerna var till en början överraskande för Lins forskargrupp, som förväntas producera strukturer som liknar nanorods eller nanotrådar. Men simuleringar gjorda av teammedlemmen Yuci Xu vid Ningbo University i Kina bekräftade bildandet av de strukturer som de observerade experimentellt. Simuleringarna möjliggjorde också förutsägelse av de strukturella dimensioner som skulle produceras.

"Baserat på simuleringen, vi kunde förstå tillväxtmekanismen för denna nanohalsbandsliknande struktur, ", sa Lin. "Detta arrangemang av nanohalsband fångas mycket av simuleringen. Simuleringen och experimenten stämmer väl överens, vilket ökade vår tilltro till att vi förstår strukturerna."

Med deras tillväxtteknik demonstrerad, forskarna vill nu karakterisera de små strukturerna och etablera potentiella tillämpningar. Även om dessa ännu inte har studerats, Lin tror att strukturerna, som är baserade på halvledande material, skulle kunna, till exempel, har elektroniska ansökningar, med elektroner som tunnlar genom intilliggande nanoskivor.

" Betydelsen av detta tillvägagångssätt är att det inte finns någon begränsning för vilka material du kan göra, och ingen begränsning på storleken och formen på de strukturer du kan designa, ", sa han. "Det finns många potentiellt fördelaktiga egenskaper som kan härledas från denna nanoreaktormetod."

Det finns andra tekniker för att bilda nanohalsbandsstrukturer, men ingen använder en liknande mall och nanoreaktormetod, sa Lin.

I framtida arbete, Lins grupp planerar att undersöka egenskaperna hos de strukturer de har byggt, testa andra potentiella material, och granska ansökningar som kan vara lämpliga. Medan egenskaperna hos individuella nanodiskar har studerats tidigare, deras kollektiva interaktioner kan ge några potentiellt unika egenskaper.

"Det här dokumentet representerar en spännande demonstration av att bilda hybrid organisk-oorganisk shish kebab på nanometerskala, " sa Lin. "Vi är angelägna om att lära oss mer om de unika egenskaper som de kan ha, och utforska potentiella tillämpningar."