Forskare från Friedrich Schiller University Jena och Friedrich Alexander University Erlangen-Nürnberg, båda Tyskland, har framgångsrikt utvecklat nanomaterial med hjälp av en så kallad bottom-up-metod. Som rapporterats i tidskriften ACS Nano , utnyttjar de det faktum att kristaller ofta växer i en specifik riktning under kristallisation. Dessa resulterande nanostrukturer skulle kunna användas i olika tekniska tillämpningar.
"Våra strukturer kan beskrivas som maskliknande stavar med dekorationer", förklarar prof. Felix Schacher. "Inbäddade i dessa stavar är sfäriska nanopartiklar; i vårt fall var detta kiseldioxid. Men istället för kiseldioxid kan ledande nanopartiklar eller halvledare också användas - eller till och med blandningar, som kan selektivt fördelas i nanokristallerna med vår metod," han lägger till. Följaktligen är utbudet av möjliga tillämpningar inom vetenskap och teknik brett, från informationsbehandling till katalys.
"Det primära fokus för detta arbete var att förstå beredningsmetoden som sådan", förklarar kemisten. För att producera nanostrukturer, utvecklar han, finns det två olika tillvägagångssätt:större partiklar mals ner till nanometerstorlek, eller så byggs strukturerna upp av mindre komponenter.
"Vi ville förstå och kontrollera denna uppbyggnadsprocess", beskriver Schacher. För detta använde teamet individuella kiseldioxidpartiklar, kända som kiseldioxid, och ympade kedjeliknande polymermolekyler som ett slags skal.
"Man skulle kunna föreställa sig det som hårstrån på en sfär", förklarar forskaren. Han tillägger, "Dessa hårstrån är gjorda av ett material som kallas 'poly-(isopropyl-oxazolin).' Detta ämne kristalliseras när det värms och det är idén med vår metod:kristaller växer nästan aldrig i alla riktningar samtidigt, men föredrar en viss riktning. Detta är känt som anisotropi
Under denna process upptäckte teamet ett spännande fenomen. "För att polymeren ska kristallisera krävs små mängder som inte är bundna till en partikelyta utan är fritt närvarande i reaktionslösningen och fungerar som ett slags lim. Vi fick reda på att de erforderliga mängderna är så små att de knappt går att detektera. . Men de behövs", tillägger han.
Schacher är särskilt exalterad över det unika samarbetet som gjorde denna forskning möjlig. "Utan det utmärkta samarbetet med prof. Michael Engel från universitetet i Erlangen hade detta arbete inte genomförts", betonar forskaren från Jena.
"Med hjälp av datorsimuleringar som skildrade beteende över flera skalor kunde vi på ett intrikat sätt lösa de komplexa molekylära processerna som ligger till grund för bildandet av nanostrukturerna. Detta var en spännande utmaning," tillägger Engel.
Båda forskarna avslutar, "Vi hade möjligheten att tillsammans delta i ett program från Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) vid University of California i Santa Barbara tidigare i år. Under denna workshop skrev vi tillsammans detta manuskript. De underliggande experimenten hade givetvis genomförts i förväg – delvis inom ramen för det samarbetsforskningscenter TRR 234 'CataLight' finansierat av den tyska forskningsstiftelsen Men den inspirerande atmosfären i workshopen gav oss den nödvändiga farten för att slutföra arbetet."
Mer information: Afshin Nabiyan et al, Self-Assembly of Core-Shell Hybrid Nanopartiklar genom riktningskristallisation av ympade polymerer, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c05461
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Friedrich-Schiller-Universität Jena
