Ett nytt självmonterande nanoark kan radikalt påskynda utvecklingen av funktionella och hållbara nanomaterial för elektronik, energilagring, hälsa och säkerhet med mera.
Utvecklat av ett team under ledning av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kan det nya självmonterande nanoarket avsevärt förlänga hållbarheten för konsumentprodukter. Och eftersom det nya materialet är återvinningsbart kan det också möjliggöra en hållbar tillverkningsmetod som håller engångsförpackningar och elektronik borta från deponier.
Teamet är det första att framgångsrikt utveckla ett mångsidigt, högpresterande barriärmaterial från självmonterande nanoark. Genombrottet rapporterades i Nature .
"Vårt arbete övervinner ett långvarigt hinder inom nanovetenskap - att skala upp nanomaterialsyntes till användbara material för tillverkning och kommersiella tillämpningar", säger Ting Xu, huvudutredaren som ledde studien. "Det är verkligen spännande eftersom det här har varit årtionden på väg."
Xu är seniorforskare på fakulteten vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.
En utmaning i att skörda nanovetenskap för att skapa funktionella material är att många små bitar måste gå ihop så att nanomaterialet kan växa sig tillräckligt stort för att vara användbart. Även om stapling av nanoark är ett av de enklaste sätten att odla nanomaterial till en produkt, är "staplingsdefekter" – luckor mellan nanoarken – oundvikliga när man arbetar med befintliga nanoark eller nanoplatelets.
"Om du visualiserar att bygga en 3D-struktur från tunna, platta plattor, kommer du att ha lager upp i höjd med strukturen, men du kommer också att ha luckor genom varje lager varhelst två plattor möts", säger första författaren Emma Vargo, en fd. doktorandforskare i Xu-gruppen och nu postdoktor vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Det är frestande att minska antalet luckor genom att göra brickorna större, men de blir svårare att arbeta med," sa Vargo.
Det nya nanoarkmaterialet övervinner problemet med staplingsdefekter genom att helt och hållet hoppa över metoden med seriestaplade ark. Istället blandade teamet blandningar av material som är kända för att självmontera till små partiklar med omväxlande lager av komponentmaterialen, suspenderade i ett lösningsmedel. För att designa systemet använde forskarna komplexa blandningar av nanopartiklar, små molekyler och blocksampolymerbaserade supramolekyler, som alla är kommersiellt tillgängliga.
Experiment vid Oak Ridge National Laboratorys Spallation Neutron Source hjälpte forskarna att förstå de tidiga, grova stadierna av blandningarnas självmontering.
När lösningsmedlet avdunstar, smälter de små partiklarna samman och organiserar sig spontant, grovt mallar lager och stelnar sedan till täta nanoark. På så sätt bildas de ordnade lagren samtidigt snarare än att staplas individuellt i en seriell process. De små bitarna behöver bara röra sig korta avstånd för att bli organiserade och stänga luckor, för att undvika problemen med att flytta större "plattor" och de oundvikliga luckorna mellan dem.
Från en tidigare studie ledd av Xu visste forskarna att en kombination av nanokompositblandningar som innehåller flera "byggstenar" av olika storlekar och kemi, inklusive komplexa polymerer och nanopartiklar, inte bara skulle anpassa sig till föroreningar utan också låsa upp ett systems entropi, den inneboende störningen i blandningar av material som Xus grupp utnyttjade för att distribuera materialets byggstenar.
Den nya studien bygger på detta tidigare arbete. Forskarna förutspådde att den komplexa blandningen som används för den aktuella studien skulle ha två idealiska egenskaper:Förutom att ha hög entropi för att driva självmonteringen av en stapel av hundratals nanoark som bildas samtidigt, förväntade de sig också att det nya nanosheetsystemet skulle vara påverkas minimalt av olika ytkemi. Detta, resonerade de, skulle tillåta samma blandning att bilda en skyddande barriär på olika ytor, såsom glasskärmen på en elektronisk enhet eller en polyestermask.
För att testa materialets prestanda som barriärbeläggning i flera olika applikationer tog forskarna hjälp av några av landets bästa forskningsanläggningar.
Under experiment vid Argonne National Laboratory's Advanced Photon Source kartlade forskarna hur varje komponent kommer samman och kvantifierade deras rörlighet och det sätt på vilket varje komponent rör sig för att odla ett funktionellt material.
Baserat på dessa kvantitativa studier tillverkade forskarna barriärbeläggningar genom att applicera en utspädd lösning av polymerer, organiska små molekyler och nanopartiklar på olika substrat - en teflonbägare och membran, polyesterfilm, tjocka och tunna kiselfilmer, glas och till och med en prototyp av en mikroelektronisk anordning—och sedan kontrollera hastigheten för filmbildning.
Transmissionselektronmikroskopexperiment vid Berkeley Labs Molecular Foundry visar att när lösningsmedlet hade avdunstat hade en högordnad skiktad struktur av mer än 200 staplade nanoark med mycket låg defektdensitet självmonterats på substraten. Forskarna gjorde också varje nanoark 100 nanometer tjockt med få hål och luckor, vilket gör materialet särskilt effektivt för att förhindra passage av vattenånga, flyktiga organiska föreningar och elektroner, sa Vargo.
Andra experiment vid Molecular Foundry visade att materialet har stor potential som ett dielektrikum, ett isolerande "elektronbarriär"-material som vanligtvis används i kondensatorer för energilagring och datortillämpningar.
I samarbete med forskare i Berkeley Labs Energy Technologies Area visade Xu och team att när materialet används för att belägga porösa teflonmembran (ett vanligt material som används för att göra skyddande ansiktsmasker), är det mycket effektivt för att filtrera bort flyktiga organiska föreningar som kan äventyra inomhusluftens kvalitet.
I ett sista experiment i Xu-labbet visade forskarna att materialet kan återupplösas och omgjutas för att producera en ny barriärbeläggning.
Nu när de framgångsrikt har visat hur man enkelt syntetiserar ett mångsidigt, funktionellt material för olika industriella tillämpningar från ett enda nanomaterial, planerar forskarna att finjustera materialets återvinningsbarhet och lägga till färgjustering (det finns för närvarande i blått) till repertoaren.
Mer information: Ting Xu, Funktionella kompositer genom programmering av entropidriven nanoarktillväxt, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06660-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06660-x
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
