Новый самособирающийся нанолист может радикально ускорить разработку функциональных и устойчивых наноматериалов для электроники, хранения энергии, здоровья и безопасности и многого другого.
Новый самособирающийся нанолист, разработанный командой под руководством Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), может значительно продлить срок годности потребительских товаров. А поскольку новый материал пригоден для вторичной переработки, он также может обеспечить устойчивый производственный подход, который позволит избежать попадания одноразовой упаковки и электроники на свалки.
Команда стала первой, кто успешно разработал многоцелевой высокоэффективный барьерный материал из самоорганизующихся нанолистов. О прорыве сообщили в журнале Nature .
«Наша работа преодолевает давнее препятствие в нанонауке — масштабирование синтеза наноматериалов в полезные материалы для производства и коммерческого применения », — сказал Тин Сюй, главный исследователь, возглавлявший исследование. «Это действительно интересно, потому что на создание этого проекта ушли десятилетия».
Сюй — старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессор химии, материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли.
Одна из проблем в использовании нанонауки для создания функциональных материалов заключается в том, что множество маленьких частей должны собраться вместе, чтобы наноматериал мог вырасти достаточно большим, чтобы стать полезным. Хотя укладка нанолистов является одним из самых простых способов выращивания наноматериалов в продукт, «дефекты укладки» — промежутки между нанолистами — неизбежны при работе с существующими нанолистами или нанопластинками.
«Если вы визуализируете построение 3D-структуры из тонких плоских плиток, у вас будут слои по высоте конструкции, но у вас также будут пробелы в каждом слое там, где встречаются две плитки», — сказала первый автор Эмма Варго, бывший аспирант-исследователь в группе Сюй, а теперь постдокторант в отделе материаловедения Лаборатории Беркли. «Заманчиво уменьшить количество промежутков, увеличив плитки, но с ними становится сложнее работать», — сказал Варго.
Новый нанолистовой материал решает проблему дефектов стопки, полностью отказываясь от подхода, основанного на последовательной укладке листов. Вместо этого команда смешала смеси материалов, которые, как известно, самособираются в мелкие частицы, с чередующимися слоями составляющих материалов, суспендированными в растворителе. Для разработки системы исследователи использовали сложные смеси наночастиц, малых молекул и супрамолекул на основе блок-сополимеров, все из которых коммерчески доступны.
Эксперименты в источнике расщепляющих нейтронов Национальной лаборатории Ок-Ридж помогли исследователям понять ранние, грубые стадии самосборки смесей.
По мере испарения растворителя мелкие частицы сливаются и самопроизвольно организуются, образуя грубые слои, а затем затвердевают в плотные нанолисты. Таким образом, упорядоченные слои формируются одновременно, а не складываются по отдельности в последовательном процессе. Маленьким кусочкам нужно перемещаться только на короткие расстояния, чтобы организоваться и закрыть зазоры, избегая проблем с перемещением больших «плиток» и неизбежных промежутков между ними.
Из предыдущего исследования, проведенного Сюем , исследователи знали, что объединение смесей нанокомпозитов, содержащих множество «строительных блоков» разных размеров и химического состава, включая сложные полимеры и наночастицы, не только адаптируется к примесям, но и раскрывает энтропию системы, присущий ей беспорядок. смеси материалов, которые группа Сюя использовала для распределения строительных блоков материала.
Новое исследование основано на этой более ранней работе. Исследователи предсказали, что сложная смесь, используемая в текущем исследовании, будет обладать двумя идеальными свойствами: помимо высокой энтропии, способствующей самосборке стопки из сотен нанолистов, образующихся одновременно, они также ожидали, что новая система нанолистов будет минимальное влияние различных химических свойств поверхности. Это, по их мнению, позволит одной и той же смеси образовывать защитный барьер на различных поверхностях, таких как стеклянный экран электронного устройства или полиэфирная маска.
Демонстрация простоты самостоятельной сборки и высокой производительности нового 2D-нанолиста.
Чтобы проверить эффективность материала в качестве барьерного покрытия в нескольких различных приложениях, исследователи заручились помощью некоторых из лучших исследовательских центров страны.
В ходе экспериментов в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории исследователи наметили, как каждый компонент объединяется, а также количественно оценили их подвижность и способ, которым каждый компонент перемещается для выращивания функционального материала.
На основе этих количественных исследований исследователи изготовили барьерные покрытия, нанося разбавленный раствор полимеров, органических малых молекул и наночастиц на различные подложки — тефлоновый стакан и мембрану, полиэфирную пленку, толстые и тонкие кремниевые пленки, стекло и даже прототип. микроэлектронного устройства, а затем контролировать скорость образования пленки.
Эксперименты с просвечивающим электронным микроскопом в Molecular Foundry лаборатории Беркли показывают, что к моменту испарения растворителя на подложках самоорганизовалась высокоупорядоченная слоистая структура из более чем 200 сложенных друг на друга нанолистов с очень низкой плотностью дефектов. Исследователи также сделали каждый нанолист толщиной 100 нанометров с небольшим количеством отверстий и зазоров, что делает материал особенно эффективным в предотвращении прохождения водяного пара, летучих органических соединений и электронов, сказал Варго.
Другие эксперименты в Молекулярном литейном заводе показали, что этот материал имеет большой потенциал в качестве диэлектрика, изолирующего материала с «электронным барьером», обычно используемого в конденсаторах для хранения энергии и вычислительных приложений.
В сотрудничестве с исследователями из отдела энергетических технологий лаборатории Беркли Сюй и его команда продемонстрировали, что когда материал используется для покрытия пористых тефлоновых мембран (обычный материал, используемый для изготовления защитных масок для лица), он очень эффективен при фильтрации летучих органических соединений, которые могут ухудшать качество воздуха в помещении.
В последнем эксперименте в лаборатории Сюй исследователи показали, что материал можно повторно растворить и переработать для получения нового барьерного покрытия.
Теперь, когда они успешно продемонстрировали, как легко синтезировать универсальный функциональный материал для различных промышленных применений из одного наноматериала, исследователи планируют точно настроить возможность вторичной переработки материала и добавить в его репертуар возможность настройки цвета (в настоящее время он доступен в синем цвете).
No comments:
Post a Comment