Il colore aggiunto in questa immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) mette in mostra il discreto, strati autoassemblati all'interno di queste nuove nanostrutture. Le barre azzurre sono circa 4 ciascuna, 000 volte più sottile di un singolo capello umano. Credito:Brookhaven National Laboratory
Costruire nanomateriali con caratteristiche di appena miliardesimi di metro richiede una precisione straordinaria. L'ampliamento di tale costruzione mentre aumenta la complessità presenta un ostacolo significativo all'uso diffuso di tali materiali nano-ingegnerizzati.
Ora, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un modo per creare in modo efficiente, scalabile, multistrato, strutture multi-modello su nanoscala con una complessità senza precedenti.
Il team di Brookhaven ha sfruttato l'autoassemblaggio, dove i materiali si incastrano spontaneamente per formare la struttura desiderata. Ma hanno introdotto un salto significativo nell'intelligenza materiale, perché ogni strato autoassemblato ora guida la configurazione di strati aggiuntivi.
I risultati, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , offrire un nuovo paradigma per l'autoassemblaggio su scala nanometrica, potenzialmente avanzando le nanotecnologie utilizzate per la medicina, generazione di energia, e altre applicazioni.
"C'è qualcosa di sorprendente e gratificante nel creare strutture che nessuno ha mai visto prima, ", ha affermato il coautore dello studio Kevin Yager, uno scienziato presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab. "Noi chiamiamo questa stratificazione reattiva come la costruzione di una torre, ma dove ogni mattone è intelligente e contiene istruzioni per i mattoni successivi."
La tecnica è stata sperimentata interamente al CFN, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.
"Il trucco era 'sigillare' chimicamente ogni strato per renderlo abbastanza robusto da non disturbarlo dagli strati aggiuntivi, " ha detto l'autore principale Atikur Rahman, un postdoc al Brookhaven Lab durante lo studio e ora assistente professore presso l'Indian Institute of Science Education and Research, Pune. "Questo ci ha garantito un controllo senza precedenti. Ora possiamo impilare qualsiasi sequenza di livelli auto-organizzati per creare strutture 3D sempre più complesse".
Guidare conversazioni su scala nanometrica
Altri metodi di nanofabbricazione, come la litografia, possono creare nanostrutture precise, ma l'ordine spontaneo dell'autoassemblaggio lo rende più veloce e più facile. Ulteriore, la stratificazione reattiva spinge quell'efficienza in nuove direzioni, abilitare, Per esempio, strutture con canali o tasche interne che sarebbero estremamente difficili da realizzare con qualsiasi altro mezzo.
"L'autoassemblaggio è poco costoso e scalabile perché è guidato da interazioni intrinseche, ", ha affermato il coautore dello studio e scienziato CFN Gregory Doerk. "Evitiamo gli strumenti complessi che vengono tradizionalmente utilizzati per scolpire nanostrutture precise".
La collaborazione CFN ha utilizzato film sottili di catene di copolimeri a blocchi (BCP) di due molecole distinte collegate tra loro. Attraverso tecniche consolidate, gli scienziati hanno distribuito film BCP su un substrato, calore applicato, e osservai il materiale autoassemblarsi in una configurazione prescritta. Immagina di spargere i LEGO su una teglia da forno, infilarlo nel forno, e poi vederlo emergere con ogni pezzo elegantemente incastrato insieme in perfetto ordine.
Però, questi materiali sono convenzionalmente bidimensionali, e semplicemente impilarli produrrebbe un disordine disordinato. Quindi gli scienziati del Brookhaven Lab hanno sviluppato un modo per far sì che gli strati autoassemblati "parlino" in modo discreto l'uno con l'altro.
Questa immagine mostra la gamma di morfologie multistrato ottenute attraverso questa nuova tecnica. La prima colonna mostra una sezione trasversale delle nuove nanostrutture 3-D catturate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). I rendering al computer nella seconda colonna evidenziano l'integrità e la diversità di ogni strato distinto, mentre la vista SEM dall'alto della terza colonna rivela i modelli complessi ottenuti attraverso la stratificazione "intelligente". Credito:Brookhaven National Laboratory
Il team ha infuso ogni strato con un vapore di molecole inorganiche per sigillare la struttura, un po' come applicare la gommalacca su scala nanometrica per preservare un puzzle appena assemblato.
"Abbiamo messo a punto la fase di infiltrazione del vapore in modo che la struttura di ogni strato mostri contorni di superficie controllati, " Rahman ha detto. "Gli strati successivi sentono e rispondono a questa sottile topografia".
Il coautore Pawel Majewski ha aggiunto, "Essenzialmente, apriamo una 'conversazione' tra i livelli. I modelli di superficie guidano una sorta di diafonia topografica, e ogni livello funge da modello per quello successivo."
Configurazioni esotiche
Come spesso accade nella ricerca fondamentale, questa diafonia era un fenomeno inaspettato.
"Siamo rimasti sorpresi quando abbiamo visto per la prima volta l'ordine dei modelli da un livello all'altro, ha detto Rahman. "Abbiamo capito subito che dovevamo testare in modo esaustivo tutte le possibili combinazioni di strati di pellicola ed esplorare il potenziale della tecnica".
La collaborazione ha dimostrato la formazione di un'ampia gamma di nanostrutture, comprese molte configurazioni mai osservate prima. Alcuni contenevano camere vuote, pioli rotondi, canne, e forme sinuose.
"Questo è stato davvero uno sforzo titanico da parte di Atikur, " Ha detto Yager. "I campioni multistrato hanno coperto una gamma impressionante di combinazioni".
I coautori dello studio Pawel Majewski e Kevin Yager stanno preparando film su nanoscala di materiali autoassemblanti. Credito:Brookhaven National Laboratory
Mappare strutture mai viste prima
Gli scienziati hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione (SEM) per sondare le caratteristiche su scala nanometrica, ottenere dettagli trasversali delle strutture emergenti. Un fascio di elettroni focalizzato ha bombardato il campione, rimbalzare sulle caratteristiche della superficie prima di essere rilevate per consentire la ricostruzione di un'immagine raffigurante l'esatta configurazione.
Hanno completato questo con la diffusione dei raggi X presso la National Synchrotron Light Source II di Brookhaven, un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. La tecnica di diffusione penetrativa ha permesso ai ricercatori di sondare la struttura interna.
"CFN riunisce un concentrato unico di competenze, interessi, e tecnologia, " ha affermato il direttore e coautore del CFN Charles Black. "In una struttura, abbiamo persone interessate a creare, conversione, e misurare le strutture:è così che possiamo avere questo tipo di scoperte impreviste e altamente collaborative".
Questa svolta fondamentale amplia sostanzialmente la diversità e la complessità delle strutture che possono essere realizzate con l'autoassemblaggio, e amplia di conseguenza la gamma di potenziali applicazioni. Per esempio, complesse nanostrutture tridimensionali potrebbero produrre miglioramenti trasformativi nelle membrane nanoporose per la purificazione dell'acqua, biorilevamento, o catalisi.
