Nanoskala material har extraordinära, miljarddels meter kvaliteter som omvandlar allt från energigenerering till datalagring. Men medan en nanostrukturerad solcell kan vara fantastiskt effektiv, att precision är notoriskt svår att uppnå i industriell skala. Lösningen kan vara självmontering, eller träna molekyler för att sy ihop sig själva till högpresterande konfigurationer.

Nu, Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har utvecklat en laserbaserad teknik för att utföra självmontering i nanoskala med oöverträffad enkelhet och effektivitet.

"Vi designar material som bygger sig själva, sa Kevin Yager, en forskare vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Under rätt förutsättningar, molekyler kommer naturligt att knäppa till en perfekt konfiguration. Utmaningen är att ge dessa nanomaterial den kick de behöver:ju hetare de är, desto snabbare rör sig de och sätter sig i den önskade formationen. Vi använde laser för att höja värmen."

Yager och Brookhaven Labs postdoktorala forskare Pawel Majewski byggde en unik maskin som sveper en fokuserad laserlinje över ett prov för att generera intensiva och momentana temperaturspikar. Denna nya teknik, kallas Laser Zone Annealing (LZA), driver självmontering med hastigheter mer än 1, 000 gånger snabbare än traditionella industriugnar. Resultaten beskrivs i tidskriften ACS Nano .

"Vi skapade extremt enhetliga självmonterade strukturer på mindre än en sekund, ", sa Majewski. "Bortom den extraordinära hastigheten, vår laser minskade även de defekter och nedbrytningar som finns i ugnsuppvärmda material. Den kombinationen gör LZA perfekt för att genomföra småskaliga laboratoriegenombrott till industrin."

Forskarna förberedde materialen och byggde LZA-instrumentet vid CFN. De analyserade sedan prover med hjälp av avancerad elektronmikroskopi vid CFN och röntgenspridning vid Brookhavens nu pensionerade National Synchrotron Light Source (NSLS) – båda DOE Office of Science User Facilities.

"Det var oerhört glädjande att se att våra förutsägelser var korrekta - de enorma termiska gradienterna ledde till en motsvarande enorm acceleration!" sa Yager.

Ugnar kontra laser

Föreställ dig att förbereda en komplex tårta, men istället för att baka den i ugnen, en störtflod av lasrar värmer den till perfektion på ett ögonblick. Bortom det, de rätta tillagningsförhållandena gör att ingredienserna blandas till en perfekt rätt. Detta recept i nanoskala uppnår något lika extraordinärt och mycket mer effektfullt.

Forskarna fokuserade på så kallade blocksampolymerer, molekyler som innehåller två länkade block med olika kemiska strukturer och egenskaper. Dessa block tenderar att stöta bort varandra, som kan driva den spontana bildningen av komplexa och stela strukturer i nanoskala.

"Priset för deras utmärkta mekaniska egenskaper är den långsamma kinetiken för deras självmontering, ", sa Majewski. "De behöver energi och tid för att utforska möjligheter tills de hittar rätt konfiguration."

I traditionell blocksampolymer självmontering, material värms upp i en vakuumförseglad ugn. Provet "bakas" vanligtvis under en period av 24 timmar eller längre för att ge tillräckligt med kinetisk energi för att molekylerna ska knäppa på plats - alldeles för länge för kommersiell livskraft. Den långa exponeringen för hög värme orsakar också oundviklig termisk nedbrytning, lämnar sprickor och defekter i hela provet.

LZA-processen, dock, erbjuder skarpa toppar av värme för att snabbt excitera polymererna utan den ihållande energin som skadar materialet.

"Inom millisekunder, hela provet är vackert justerat, " sa Yager. "När lasern sveper över materialet, de lokaliserade termiska spikarna tar faktiskt bort defekter i den nanostrukturerade filmen. LZA är inte bara snabbare, det ger överlägsna resultat."

LZA genererar temperaturer över 500 grader Celsius, men de termiska gradienterna – temperaturvariationer kopplade till riktning och plats i ett material – kan nå mer än 4, 000 grader per millimeter. Medan forskare vet att högre temperaturer kan påskynda självmontering, detta är det första beviset på dramatisk förbättring genom extrema gradienter.

Byggd från grunden

"För flera år sedan, vi observerade en subtil antydan om att termiska gradienter kunde förbättra självmontering, " sa Yager. "Jag blev besatt av idén att skapa mer och mer extrema gradienter, som i slutändan ledde till att den här laserinställningen byggdes, och banbrytande en ny teknik."

Forskarna behövde en hög koncentration av teknisk expertis och anläggningar i världsklass för att flytta LZA från förslag till utförande.

"Endast på CFN kunde vi utveckla den här tekniken så snabbt, ", sa Majewski. "Vi skulle kunna göra snabb instrumentprototyp och provberedning med renrummet på plats, Maskinaffär, och polymerbearbetningslabb. Vi kombinerade sedan CFN-elektronmikroskopi med röntgenstudier vid NSLS för en oslagbar utvärdering av LZA i aktion."

Lade till Yager, "Förmågan att göra nya prover på CFN och sedan gå tvärs över gatan för att karakterisera dem på några sekunder vid NSLS var nyckeln till denna upptäckt. Synergin mellan dessa två anläggningar är det som tillät oss att snabbt iterera till en optimerad design."

Forskarna utvecklade också en ny mikroskala yttermometriteknik som kallas smältmärkeanalys för att spåra den exakta värmen som genereras av laserpulserna och ställa in instrumentet därefter.

"Vi brände några filmer först innan vi lärde oss de rätta driftsförhållandena, ", sa Majewski. "Det var verkligen spännande att se de första proverna rastras av lasern och sedan använda NSLS för att upptäcka exakt vad som hände."

Teknikens framtid

LZA är den första maskinen i sitt slag i världen, men det signalerar ett dramatiskt steg framåt i att skala upp noggrant designad nanoteknik. Lasern kan till och med användas för att "rita" strukturer över ytan, vilket innebär att nanostrukturerna kan monteras i väldefinierade mönster. Denna oöverträffade synteskontroll öppnar dörren till komplexa applikationer, inklusive elektronik.

"Det finns egentligen ingen gräns för storleken på ett prov som den här tekniken kan hantera, " sa Yager. "Faktiskt, du kan köra den i ett rulla-till-rulle-läge – en av de ledande tillverkningsteknikerna."

Forskarna planerar att vidareutveckla den nya tekniken för att skapa flerskiktsstrukturer som kan ha omedelbar inverkan på anti-reflekterande beläggningar, förbättrade solceller, och avancerad elektronik.