Material i nanoskala ger oss häpnadsväckande kemiska och fysikaliska egenskaper som hjälper till att förverkliga tillämpningar som enskild molekylär avkänning och minimalt invasiv fototermisk terapi – som en gång bara var teorier – till verklighet.
De unika egenskaperna hos nanopartiklar gör dem till lukrativa material för ett brett spektrum av applikationer både för forskning och industriella ändamål. Men att uppnå det senare blir svårt på grund av avsaknaden av en teknik för snabb och enhetlig överföring av ett monolager av nanopartiklar, vilket är avgörande för tillverkning av enheter.
En möjlig väg ut ur detta dilemma är att anta elektrostatiska monteringsprocesser där nanopartiklarna fäster sig på en motsatt laddad yta, och när ett monolager har bildats begränsar nanopartiklarna sedan ytterligare montering genom att stöta bort andra liknande laddade nanopartiklar från ytan. Tyvärr kan denna process vara mycket tidskrävande.
Medan artificiella metoder kämpar med dessa nackdelar, har undervattensvidhäftningsprocesser som finns i naturen utvecklats till unika strategier för att övervinna detta problem.
I detta avseende har ett team av forskare från Gwangju Institute of Science and Technology, ledd av Ph.D. student Doeun Kim (första författare) och biträdande professor Hyeon-Ho Jeong (motsvarande författare), har utvecklat en "musselinspirerad" engångsteknik för nanopartikelsammansättning som transporterar material från vatten i mikroskopiska volymer till 2-tums wafers på 10 sekunder, samtidigt som det möjliggör 2D-montage i ett lager med utmärkt yttäckning på cirka 40 %.
Deras arbete publicerades i Advanced Materials och framhävd som en frontispice.
"Vår nyckelstrategi för att övervinna den befintliga utmaningen kom från en observation om hur musslor når målytan mot vatten. Vi såg att musslor samtidigt utstrålar aminosyror för att dissociera vattenmolekyler på ytan, vilket möjliggör snabb vidhäftning av det kemiska limmet på målytan. ", förklarar Kim och talar om motivationen bakom det unika naturinspirerade tillvägagångssättet.
"Vi insåg att en analog situation där vi introducerar överskott av protoner för att ta bort hydroxylgrupper från målytan, vilket ökar den elektrostatiska attraktionskraften mellan nanopartiklarna och ytan och påskyndar sammansättningsprocessen."
Forskarna konstruerade den elektrostatiska ytpotentialen för både målytan och nanopartiklarna, drivna av protondynamik. Detta ledde till att nanopartiklarna fastnade på målytan jämnt inom några sekunder.
För att testa effektiviteten av att introducera protonteknik i den elektrostatiska monteringsprocessen, jämförde teamet monolagermonteringstiden med konventionellt använda tekniker. Resultaten visade att beläggningshastigheten för den nya tekniken var 100 till 1 000 gånger snabbare än tidigare rapporterade metoder. Anledningen bakom denna accelererade diffusion och sammansättning av nanopartiklar var kopplad till protonernas förmåga att ta bort oönskade hydroxylgrupper på målområdet.
Forskarna fann vidare att den laddningskänsliga naturen hos den underliggande processen möjliggör deterministisk "läkning" av monolagerfilmer och "plock-and-place" nanomönster i wafer-skalan. Dessutom tillåter den föreslagna tekniken också tillverkning av reflekterande metasytor i fullfärg på wafer-nivå via plasmonisk arkitektur, vilket öppnar nya vägar för produktion av fullfärgsmålningar och optiska krypteringsenheter.
Detta nya naturinspirerade proof-of-concept är ett stort steg mot en bred acceptans av funktionella nanomaterial enskiktsmaterial.
"Vi föreställer oss att denna forskning kommer att påskynda inverkan av funktionella nanomaterial på våra liv och främja massproduktionen av enskiktsfilmer, vilket underlättar ett brett spektrum av applikationer, allt från fotoniska och elektroniska enheter till nya funktionella material för energi- och miljötillämpningar ", avslutar prof. Jeong.
Mer information: Doeun Kim et al, Protonassisterad sammansättning av kolloidala nanopartiklar till monolager i wafer-skala på sekunder, Avancerat material (2024). DOI:10.1002/adma.202313299
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Gwangju Institute of Science and Technology
