新颖的方法来控制新型纳米结构自组装的使用简单的聚合物
科学家们在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室已经开发出一种新方法来指导各种新颖的纳米结构的自组装使用简单的聚合物为原料。亚博网站下载在电子显微镜下,这些纳米结构看起来像很小的乐高积木,包括微型中世纪城堡护墙和罗马渡槽。但是而不是建筑的微观领域,科学家们正在探索这些小说的形状如何影响材料的功能。
团队从布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心(CFN)描述了他们的新方法来控制自组装在刚发表的一篇论文亚博网站下载自然通讯。初步分析表明,不同形状有显著不同的导电性。自定义的工作有助于指导设计与定制的光学表面涂层,电子、和机械性能用于传感器、电池、过滤器等。
”这项工作打开了一扇通往各种可能的应用和机会来自学术界和工业界的科学家在CF与专家合作N,”凯文狙击兵说,领导项目和CFN电子纳米材料的组。亚博网站下载”科学家们感兴趣的研究光学涂层,或电极电池或太阳能电池设计可以告诉我们他们需要什么属性,我们可以从我们的图书馆的选择合适的结构形状的材料来满足他们的需求亚博网站下载。”
自动装配
特殊材料,研究小组在CFN依靠两个领域亚博网站下载的长期经验。首先是材料称为嵌段共聚物的自组装,包括各种形式的处理如何影响亚博网站下载这些分子的组织和重排。其次是一个名为渗透的方法合成,取代重新安排聚合物分子与金属或其他材料的形状功能——;而且容易使用扫描电子显微镜三维可视化。亚博网站下载
”自组装是一个非常美丽的方法,使结构捕杀”。”你设计的分子,分子自发地组织成所需的结构。”
在其最简单的形式,这个过程首先沉积薄膜的长链状分子嵌段共聚物到衬底。这些嵌段共聚物的两端是化学性质不同的,想要彼此分开,就像油和水。当你加热这些电影通过这一过程被称为退火,共聚物的两端重新安排尽可能远的移动而仍然被连接。这种自发重组链从而创建一个新的结构有两个化学截然不同的领域。科学家然后注入用金属或其他物质的一个域形状的复制品,和原始材料完全烧掉。结果:一块形状的金属或氧化物与尺寸测量只有十亿分之一米的土地可以用作半导体晶体管或传感器。
”这是一个强大的和可扩展的技术。你可以很容易地与这些材料封面大片亚博网站下载捕杀”。”但缺点是只有简单的形状,这个过程往往形式;扁片状层称为片晶或纳米级缸。”
科学家们试图超越这些简单安排不同的策略。有些人尝试用更复杂的分支聚合物。其他人使用精密加工方法来创建一个衬底与小文章或渠道,指导聚合物可以去的地方。但制造更复杂的材料和工具和模板指导nano-as亚博网站下载sembly可以是劳动密集型和昂贵的。
”我们试图表明有一个选择,你仍然可以使用简单、廉价的原料,但非常有趣,奇异的结构亚博网站下载捕杀”。
叠加和淬火
CFN方法依赖于沉淀嵌段共聚物薄膜层。
”我们的两个非常不同的结构和材料,自然想亚博网站下载要形式把它们重叠的捕杀”。通过改变层的顺序和厚度,化学成分,和一系列其他变量包括退火时间和温度,产生的科学家十几异国情调的纳米级结构,没有见过的。
”我们发现两种材料并不真正想要分层。亚博网站下载退火时,他们想要混合捕杀”。”混合是导致更有趣的新结构形式。”
如果允许进度完成退火,层最终将演变形成稳定的结构。但通过停止退火过程在不同时期和迅速冷却材料,淬火,“你可以退出瞬态结构和得到一些其他有趣的形状,“狙击兵说。
扫描电子显微镜图像显示,一些结构,如“栏杆”和“沟渠”,有复合功能来源于堆叠的顺序和重新配置偏好共聚物。其他人已经交错模式或薄片的洞,也不像开始材料的首选配置——;或任何其他自组装材料。亚博网站下载
通过详细研究探索富有想象力的组合现有材料和调查他们的“加工历史,”CFN科学家生成一组设计原则,解释和预测结构在一定的条件下会形成。亚博网站下载他们利用计算机分子动力学模拟来获得更深入的了解分子的行为。
”这些模拟让我们看到个人聚合物链会重新排列捕杀”。
应用前景
当然,科学家们思考如何这些独特的材料可能是有用的。亚博网站下载材料有洞可能工作作为过滤膜或催化;有parapet-like柱子上可能是一个传感器由于其巨大的表面积和电子连接,狙击兵。
第一个测试,包括在自然通讯纸,专注于导电性。形成一系列的新形状的聚合物后,研究小组利用渗透合成替代氧化锌的新形状的领域之一。当他们测量了不同形状的氧化锌纳米结构的导电性,他们发现了巨大的差异。
”同样的分子开始,我们将它们转化为氧化锌。唯一的区别,另一个是如何在本地连接到对方在纳米尺度上捕杀”。”结果产生巨大的差异在最终材料的电气性能。在传感器或电池的电极,这将是非常重要的。”
科学家们正在探索不同形状的力学性能。
”的下一个前沿是多功能性,“狙击兵说。”现在我们已经访问这些漂亮的结构,如何选择一个最大化一个属性和最大限度地减少另一个;或者最大化或最小化,如果这是我们想要的。”
”通过这种方法,我们有很多的控制捕杀”。”我们可以控制结构(使用这种新开发的方法),而且它是用什么材料做成的(使用我们的渗透综合专业知识)。我们期待着与CFN用户,这种方法可以领先。”
这项研究是由美国能源部科学办公室(BES)。亚博老虎机网登录实验工作是由塞巴斯蒂安·罗素,博士后CFN现在在行业工作。其他合作者包括正文Fukuto布鲁克海文实验室的国家同步光源II (NSLS-II);Bae Chang-Yong不结盟运动,三星时,Nikhil Tiwale和格里高利Doerk CFN;石溪大学和Ashwanth萨勃拉曼尼亚(单位)。CFN和NSLS-II能源部科学办公室用户设施。亚博老虎机网登录这项工作还利用计算资源管理的科学数据和计算中心,计算科学计划的一个组成部分,布鲁克海文实验室。亚博老虎机网登录
来源:https://www.bnl.gov/
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