Att bygga nanomaterial med egenskaper som spänner över bara miljarddels meter kräver extraordinär precision. Att skala upp den konstruktionen samtidigt som komplexiteten ökar utgör ett betydande hinder för den utbredda användningen av sådana nanokonstruerade material.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett sätt att effektivt skapa skalbara, flerlager, multimönstrade nanoskalastrukturer med oöverträffad komplexitet.

Brookhaven-teamet utnyttjade självmontering, där material spontant snäpper ihop för att bilda den önskade strukturen. Men de introducerade ett betydande steg i materiell intelligens, eftersom varje självmonterat lager nu styr konfigurationen av ytterligare lager.

Resultaten, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , erbjuda ett nytt paradigm för självmontering i nanoskala, potentiellt avancerad nanoteknik som används för medicin, energiproduktion, och andra applikationer.

"Det är något fantastiskt och givande med att skapa strukturer som ingen någonsin har sett förut, " sa studiemedförfattare Kevin Yager, en forskare vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Vi kallar den här responsiva skiktningsliknande byggnaden för ett torn, men där varje tegelsten är intelligent och innehåller instruktioner för efterföljande tegelstenar."

Tekniken var pionjär helt på CFN, en DOE Office of Science User Facility.

"Knepet var att kemiskt "försegla" varje lager för att göra det robust nog att de ytterligare lagren inte stör det, " sa huvudförfattaren Atikur Rahman, en Brookhaven Lab postdoc under studien och nu biträdande professor vid Indian Institute of Science Education and Research, Pune. "Detta gav oss oöverträffad kontroll. Vi kan nu stapla vilken sekvens av självorganiserade lager som helst för att skapa allt mer intrikata 3D-strukturer."

Vägledande konversationer i nanoskala

Andra nanotillverkningsmetoder - som litografi - kan skapa exakta nanostrukturer, men den spontana beställningen av självmontering gör det snabbare och enklare. Ytterligare, responsiv skiktning driver den effektiviteten i nya riktningar, möjliggör, till exempel, strukturer med inre kanaler eller fickor som skulle vara ytterst svåra att göra på något annat sätt.

"Självmontering är billigt och skalbart eftersom det drivs av inneboende interaktioner, ", sade studiemedförfattaren och CFN-forskaren Gregory Doerk. "Vi undviker de komplexa verktyg som traditionellt används för att skapa exakta nanostrukturer."

CFN-samarbetet använde tunna filmer av blocksampolymerkedjor (BCP)-kedjor av två distinkta molekyler kopplade samman. Genom väletablerade tekniker, forskarna sprider BCP-filmer över ett substrat, applicerad värme, och såg materialet självmontera till en föreskriven konfiguration. Föreställ dig att sprida LEGO över en bakplåt, stoppa in den i ugnen, och sedan se det dyka upp med varje del elegant knäppt ihop i perfekt ordning.

Dock, dessa material är konventionellt tvådimensionella, och att bara stapla dem skulle ge en oordnad röra. Så Brookhaven Labs forskare utvecklade ett sätt att få självmonterade lager att diskret "prata" med varandra.

Teamet infunderade varje lager med en ånga av oorganiska molekyler för att försegla strukturen - lite som att applicera nanoskala schellack för att bevara ett precis monterat pussel.

"Vi justerade ånginfiltrationssteget så att varje lagers struktur uppvisar kontrollerade ytkonturer, ", sa Rahman. "Efterföljande lager känns och reagerar sedan på denna subtila topografi."

Medförfattare Pawel Majewski lade till, "Väsentligen, vi öppnar upp en 'konversation' mellan lagren. Ytmönstren driver ett slags topografisk överhörning, och varje lager fungerar som en mall för nästa."

Exotiska konfigurationer

Som ofta förekommer inom grundforskning, denna överhörning var ett oväntat fenomen.

"Vi blev förvånade när vi först såg mallbeställning från ett lager till nästa, sa Rahman. "Vi visste direkt att vi var tvungna att uttömmande testa alla möjliga kombinationer av filmlager och utforska teknikens potential."

Samarbetet visade bildandet av ett brett spektrum av nanostrukturer, inklusive många konfigurationer som aldrig tidigare observerats. Vissa innehöll ihåliga kamrar, runda pinnar, stavar, och slingrande former.

"Detta var verkligen en herkulisk insats från Atikurs sida, "Sade Yager. "Proverna i flera lager täckte ett häpnadsväckande utbud av kombinationer."

Kartläggning av aldrig tidigare skådade strukturer

Forskarna använde svepelektronmikroskopi (SEM) för att undersöka funktionerna i nanoskala, få tvärsnittsdetaljer av de framväxande strukturerna. En fokuserad elektronstråle bombarderade provet, studsar av ytegenskaper innan de detekteras för att möjliggöra rekonstruktion av en bild som visar den exakta konfigurationen.

De kompletterade detta med röntgenspridning vid Brookhavens National Synchrotron Light Source II - en annan DOE Office of Science User Facility. Den penetrerande spridningstekniken gjorde det möjligt för forskarna att undersöka den inre strukturen.

"CFN sammanför en unik koncentration av färdigheter, intressen, och teknik, " sa CFN:s direktör och medförfattare Charles Black. "I en anläggning, vi har människor som är intresserade av att skapa, konvertera, och mätstrukturer – det är så vi kan få den här typen av oväntade och mycket samarbetsvilliga genombrott."

Detta grundläggande genombrott breddar avsevärt mångfalden och komplexiteten hos strukturer som kan göras med självmontering, och breddar på motsvarande sätt utbudet av potentiella tillämpningar. Till exempel, komplicerade tredimensionella nanostrukturer kan ge transformativa förbättringar i nanoporösa membran för vattenrening, biosensing, eller katalys.