Materialforskare vid Duke University har teoretiserat en ny "olja-och-vinäger" -metod för att konstruera självmonterande material av ovanliga arkitekturer gjorda av sfäriska nanopartiklar. De resulterande strukturerna kan visa sig vara användbara för applikationer inom optik, plasmonik, elektronik och kemisk katalys i flera steg.

Den nya metoden dök upp online den 25 mars i tidningen ACS Nano .

Lämna till sina egna tendenser, ett system av suspenderade sfäriska nanopartiklar som är utformade för att klumpa ihop sig kommer att försöka maximera sina kontaktpunkter genom att packa sig så tätt som möjligt. Detta resulterar i bildandet av antingen slumpmässiga kluster eller en tredimensionell, kristallin struktur.

Men materialforskare vill ofta bygga mer öppna strukturer med lägre dimensioner, som strängar eller ark, att dra nytta av vissa fenomen som kan uppstå i utrymmena mellan olika typer av partiklar. Och de letar alltid efter smarta sätt att exakt styra storlek och placering av dessa utrymmen och partiklar.

I den nya studien, Gaurav Arya, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke, föreslår en metod som drar fördel av de lager som bildas av vätskor som, som en flaska vinägrett kvar på hyllan för länge, vägrar blanda ihop.

När sfäriska nanopartiklar placeras i ett sådant system, de tenderar att bilda ett enda skikt vid gränsytan mellan de motstående vätskorna. Men de behöver inte stanna där. Genom att fästa "olja" eller "vinäger" -molekyler på partiklarnas ytor, forskare kan få dem att flyta mer på ena sidan av skiljelinjen än den andra.

"Partiklarna vill maximera sitt antal kontakter och bilda bulkliknande strukturer, men samtidigt, gränssnittet mellan de olika vätskorna försöker tvinga dem till två lager, "sa Arya." Så du har en tävling av krafter, och du kan använda det för att bilda olika sorters unika och intressanta strukturer. "

Aryas idé är att exakt styra mängden som varje sfärisk nanopartikel avvisas av en eller annan vätska. Och enligt hans beräkningar, genom att ändra denna egenskap tillsammans med andra såsom nanopartiklarnas sammansättning och storlek, materialforskare kan göra alla möjliga intressanta former, från spindelmolekylliknande strukturer till sicksackstrukturer där endast två nanopartiklar rör vid varandra. Man kan till och med föreställa sig flera olika lager som arbetar tillsammans för att ordna ett system av nanopartiklar.

I proof-of-concept-papper, nanopartiklarna kan vara gjorda av vad som helst. Guld eller halvledare kan vara användbara för plasmoniska och elektriska enheter, medan andra metalliska element kan katalysera olika kemiska reaktioner. De motsatta substraten som bildar gränssnittet, under tiden, modelleras efter olika typer av polymerer som också kan användas i sådana applikationer.

"Än så länge i denna artikel, vi har bara introducerat monteringsmetoden och visat dess potential att skapa dessa exotiska arrangemang som du normalt inte skulle få, "sa Arya." Det finns så många fler saker att göra härnäst. För en, vi skulle vilja utforska hela repertoaren av möjliga strukturer och faser som forskare kan göra med detta koncept. Vi har också ett nära samarbete med experimenterade för att testa den här metodens fulla kapacitet. "