Collaborazione di chimici, fisici e scienziati dei materiali dell'Università della Pennsylvania hanno creato un metodo semplice ed economico per far crescere rapidamente membrane su scala centimetrica di superreticoli binari di nanocristalli, o BNSL, cristallizzando una miscela di nanocristalli su una superficie liquida.

Lo studio dimostra un modo nuovo e spontaneo di coltivare membrane BNSL ordinate a lungo raggio con un controllo rigoroso delle dimensioni dei nanocristalli, forma e concentrazione combinando due tipi di nanocristalli e assemblandoli durante una fase di essiccazione sulla superficie di un liquido in condizioni normali.

Il metodo supera diversi limiti delle strategie di assemblaggio esistenti e produce grandi, membrane autoportanti che possono essere trasferite su qualsiasi substrato desiderato come wafer di silicio, vetrini e supporti in plastica, consentendo l'introduzione dei film nanocristallini in qualsiasi fase del processo di fabbricazione del dispositivo.

Il team ha dimostrato il potenziale per l'integrazione di questi nuovi materiali coltivando membrane superreticolo su scala millimetrica contenenti nanocristalli di ossido di ferro di due diverse dimensioni e incorporando le membrane in dispositivi magnetoresistivi. Le misurazioni hanno mostrato che la magnetoresistenza del dispositivo risultante era dipendente dalla struttura del BNSL e quindi controllabile.

Le proprietà fisiche intrinseche di questi nanocristalli - blocchi di costruzione cristallini di dimensioni nanometriche - offrono una svolta moderna agli studi sull'assemblaggio interfacciale che risalgono al fondatore della Penn Benjamin Franklin e ai suoi studi sulla diffusione del petrolio sull'acqua negli anni 1770.

I film di nanocristalli mono e multicomponente sono già oggetto di intense ricerche da parte dei ricercatori come fattori abilitanti di nuove tecnologie ottiche che vanno dalle celle solari a basso costo, diodi emettitori di luce e fotorivelatori e anche in sistemi elettronici che includono transistor ad effetto di campo e generatori e dispositivi di raffreddamento termoelettrici a stato solido e tecnologie magnetiche che includono materiali di registrazione magnetici e sensori magnetici e persino come pellicole elettrocatalitiche e fotocatalitiche su misura.

Il co-assemblaggio di due tipi di nanocristalli in BNSL fornisce un basso costo, percorso modulare per programmare l'autoassemblaggio di materiali con combinazioni di proprietà controllate con precisione. I progressi in questi complessi assemblaggi interfacciali e i miglioramenti nel trasferimento di membrane di nanocristalli monocomponenti negli ultimi anni hanno accresciuto l'aspettativa che questo controllo potesse essere esteso a sistemi molto più complessi.

Questo studio Penn stabilisce un percorso verso membrane BNSL autoportanti di ampia area con la capacità aggiuntiva di laminarle su qualsiasi substrato arbitrario.

"Fondamentalmente, la crescita di BNSL su una superficie liquida farà luce sui meccanismi dell'assemblaggio di nanocristalli multicomponente, che sono fondamentali per i nuovi concetti nella nanoproduzione basata sull'autoassemblaggio, " ha detto Christopher B. Murray, il professore di chimica e scienza dei materiali e ingegneria della Richard Perry University a Penn.

La ricerca, finanziato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e dal National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Centers Award, è pubblicato in questa settimana Natura .

Le strategie esistenti per la crescita di BNSL comportano un processo più complesso di evaporazione di una soluzione di due nanocristalli su un substrato solido a temperatura e pressione accuratamente regolate che influenzano la formazione di BNSL. Il metodo soffre di diversi limiti, in particolare una scelta limitata di substrato, nucleazione di micrometri irregolari, isole isolate di BNSL sui substrati e incapacità di trasferirli una volta formati.

"Dato che questa nuova strategia di assemblaggio è generale per diverse combinazioni di nanocristalli, prevediamo che con questo metodo verranno coltivate anche membrane di BNSL quasicristallini e superreticoli nanocristallini ternari, ampliando notevolmente i sistemi che possono essere esplorati", ha detto Murray. "Il nostro sogno è programmare l'organizzazione dei materiali su tutte le scale di lunghezza da nanometri a millimetri, combinando le proprietà fisiche desiderabili di più sistemi su scala nanometrica. Fondamentalmente ci concentriamo sull'identificazione, comprendere e ottimizzare nuove interazioni sinergiche nei nanomateriali e sfruttare queste proprietà emergenti in nuovi dispositivi e sistemi."