SEM-afbeelding van een schaakbordpatroon gecreëerd door zelfassemblage van de nanokubussen. Schaalbalk = 500 nm, inzet = 100 nm. Krediet: Wang et al.
Onderzoekers hebben kubussen van nanoformaat ontwikkeld die spontaan een tweedimensionaal schaakbordpatroon vormen wanneer ze op het wateroppervlak vallen. Het werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatiepresenteert een eenvoudige benadering om complexe nanostructuren te creëren via een techniek die zelfassemblage wordt genoemd.
“Het is een coole manier om materialen zichzelf te laten bouwen”, zegt co-senior auteur Andrea Tao, professor aan de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering aan de Universiteit van Californië in San Diego. “Je hoeft niet naar een nanofabricagelaboratorium te gaan en al deze complexe en nauwkeurige manipulaties uit te voeren.”
Elke nanokubus bestaat uit een zilverkristal met een mengsel van hydrofobe (olieachtige) en hydrofiele (waterminnende) moleculen aan het oppervlak. Wanneer een suspensie van deze nanokubussen op een wateroppervlak wordt geïntroduceerd, rangschikken ze zichzelf zo dat ze elkaar raken op de hoekranden. Deze opstelling creëert een afwisselend patroon van massieve kubussen en lege ruimtes, wat resulteert in een schaakbordpatroon.
Het zelfassemblageproces wordt aangedreven door de oppervlaktechemie van de nanokubussen. Een hoge dichtheid aan hydrofobe moleculen op het oppervlak brengt de kubussen bij elkaar om hun interactie met water te minimaliseren. Ondertussen veroorzaken de lange ketens van hydrofiele moleculen voldoende afstoting om holtes tussen de kubussen te creëren, waardoor het schaakbordpatroon ontstaat.
Om de structuur te fabriceren, brachten onderzoekers druppels van de nanokubussuspensie aan op een petrischaaltje met water. Het resulterende dambord kan eenvoudig worden overgebracht naar een substraat door het substraat in het water te dompelen en het langzaam terug te trekken, waardoor de nanostructuur het kan bedekken.
Deze studie komt voort uit een samenwerking tussen meerdere onderzoeksgroepen die deel uitmaken van het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). Het werk bevatte een synergetische combinatie van computationele en experimentele technieken. “We hebben een continue feedbacklus opgebouwd tussen onze berekeningen en experimenten”, zegt Tao.
“We hebben computersimulaties gebruikt om ons te helpen de materialen op nanoschaal te ontwerpen en te voorspellen hoe ze zich zullen gedragen. We hebben onze experimentele resultaten in het laboratorium ook gebruikt om de simulaties te valideren, te verfijnen en een beter model te bouwen.”
Bij het ontwerpen van het materiaal kozen onderzoekers voor nanokubussen van zilverkristallen vanwege de expertise van het Tao-lab op het gebied van hun synthese. Het bepalen van de optimale oppervlaktechemie vereiste uitgebreide computationele experimenten, die werden geleid door Gaurav Arya, een professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalwetenschappen aan de Duke University en co-senior auteur van het onderzoek.
De simulaties identificeerden de beste moleculen die zich aan de nanokubussen konden hechten en voorspelden hoe de kubussen zouden interageren en zich op het wateroppervlak zouden assembleren. De simulaties werden iteratief verfijnd met behulp van experimentele gegevens verkregen door het laboratorium van Tao. Elektronenmicroscopie uitgevoerd door het laboratorium van co-auteur Alex Frañó, een professor aan de afdeling natuurkunde van UC San Diego, bevestigde de vorming van de gewenste schaakbordstructuren.
Tao voorziet toepassingen voor het nanokubus-schaakbord in optische detectie. “Zo’n nanostructuur kan licht op interessante manieren manipuleren”, legde ze uit. “De ruimtes tussen de kubussen, vooral in de buurt van de hoekranden waar de kubussen met elkaar verbonden zijn, kunnen fungeren als kleine hotspots die licht concentreren of vasthouden. Dat zou nuttig kunnen zijn voor het maken van nieuwe soorten optische elementen zoals filters op nanoschaal of golfgeleiders.”
De onderzoekers zijn van plan de optische eigenschappen van het dambord in toekomstige studies te onderzoeken.
Meer informatie:
Yufei Wang et al., Zelfassemblage van nanokristallen schaakbordpatronen via niet-specifieke interacties, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47572-2
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Aangeboden door de Universiteit van Californië – San Diego
