Nere på nanoskalan, där föremål sträcker sig över bara miljarddels meter, storleken och formen på ett material kan ofta ha överraskande och kraftfulla elektroniska och optiska effekter. Att bygga större material som behåller subtila nanoskaliga egenskaper är en pågående utmaning som formar otaliga framväxande teknologier.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har utvecklat en ny teknik för att snabbt skapa nanostrukturerade rutnät för funktionella material med oöverträffad mångsidighet.

"Vi kan tillverka flerskiktsnät sammansatta av olika material i praktiskt taget vilken geometrisk konfiguration som helst, " sa studiemedförfattaren och Brookhaven Lab-forskaren Kevin Yager. "Genom att snabbt och oberoende kontrollera nanoskalastrukturen och sammansättningen, vi kan skräddarsy prestandan för dessa material. Avgörande, processen kan lätt anpassas för storskaliga applikationer."

Resultaten – publicerade online den 23 juni i tidskriften Naturkommunikation — skulle kunna förändra tillverkningen av högteknologiska beläggningar för antireflekterande ytor, förbättrade solceller, och pekskärmselektronik.

Forskarna syntetiserade materialen vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) och karakteriserade arkitekturerna i nanoskala med hjälp av elektronmikroskopi vid CFN och röntgenspridning vid National Synchrotron Light Source – båda DOE Office of Science User Facilities.

Den nya tekniken bygger på polymer självmontering, där molekyler är designade för att spontant samlas till önskade strukturer. Självmontering kräver en explosion av värme för att få molekylerna att snäppa in i rätt konfigurationer. Här, en intensivt het laser svepte över provet för att omvandla oordnade polymerblock till exakta arrangemang på bara några sekunder.

"Självmonterade strukturer tenderar att automatiskt följa molekylära preferenser, göra anpassade arkitekturer utmanande, " sa huvudförfattaren Pawel Majewski, en postdoktor vid Brookhaven. "Vår laserteknik tvingar materialen att monteras på ett speciellt sätt. Vi kan sedan bygga strukturer lager för lager, konstruera galler sammansatta av kvadrater, romber, trianglar, och andra former."

Lasermonterade nanotrådar

För det första steget i nätkonstruktion, teamet utnyttjade sin senaste uppfinning av laserzonglödgning (LZA) för att producera de extremt lokaliserade termiska spikarna som behövs för att driva ultrasnabb självmontering.

För att ytterligare utnyttja kraften och precisionen hos LZA, forskarna applicerade en värmekänslig elastisk beläggning ovanpå den omonterade polymerfilmen. Den svepande laserns värme får det elastiska lagret att expandera - som krymplindning omvänt - vilket drar och riktar in de snabbt bildade nanoskala cylindrarna.

"Slutresultatet är att på mindre än en sekund, vi kan skapa mycket anpassade partier av nano-cylindrar, " sa studiemedförfattare Charles Black, som leder gruppen Electronic Nanomaterials på CFN. "Denna ordning kvarstår över makroskopiska områden och skulle vara svår att uppnå med någon annan metod."

För att göra dessa tvådimensionella rutnät funktionella, forskarna omvandlade polymerbasen till andra material.

En metod gick ut på att ta nano-cylinderskiktet och doppa det i en lösning innehållande metallsalter. Dessa molekyler glom sedan på den självmonterade polymeren, omvandla den till ett metalliskt nät. Ett brett utbud av reaktiva eller ledande metaller kan användas, inklusive platina, guld, och palladium.

De använde också en teknik som kallas ångavsättning, där ett förångat material infiltrerar polymernano-cylindrarna och omvandlar dem till funktionella nanotrådar.

Lager-för-lager galler

Den första färdiga nanotrådsuppsättningen fungerar som grunden för hela gittret. Ytterligare lager, var och en följer varianter av samma process, staplas sedan för att producera skräddarsydda, kors och tvärs konfigurationer—som kedjelänksstängsel 10, 000 gånger tunnare än ett människohår.

"Riktning av lasern som sveper över varje omonterat lager bestämmer orienteringen av nanotrådsraderna, " sa Yager. "Vi ändrar laserriktningen på varje lager, och sättet som raderna skär varandra och överlappar formar rutnätet. Vi applicerar sedan funktionsmaterialen efter att varje lager bildats. Det är ett exceptionellt snabbt och enkelt sätt att producera så exakta konfigurationer."

Studiemedförfattare Atikur Rahman, en CFN-postdoktor, Lagt till, "Vi kan stapla metaller på isolatorer, för, inbädda olika funktionella egenskaper och interaktioner inom en gitterstruktur.

"Storleken och sammansättningen av nätet gör en enorm skillnad, " fortsatte Rahman. "Till exempel, ett enda lager av platinanano-trådar leder elektricitet i endast en riktning, men ett tvålagersnät leder jämnt i alla riktningar."

LZA är tillräckligt exakt och kraftfull för att övervinna interaktioner med gränssnitt, gör att den kan driva självmontering av polymer även ovanpå komplexa underliggande lager. Denna mångsidighet möjliggör användning av en mängd olika material i olika nanoskalakonfigurationer.

"We can generate nearly any two-dimensional lattice shape, and thus have a lot of freedom in fabricating multi-component nanostructures, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."