Meer diepgang in nanomaterialen: nieuwe 3D-beeldvormingstool bereikt de hoogste resolutie tot nu toe

Van het ontwerpen van nieuwe biomaterialen tot nieuwe fotonische apparaten, nieuwe materialen die zijn gebouwd via een proces dat bottom-up nanofabricage of zelfassemblage wordt genoemd, openen wegen naar nieuwe technologieën met eigenschappen die op nanoschaal zijn afgestemd. Om het potentieel van deze nieuwe materialen volledig te ontsluiten, moeten onderzoekers echter in hun kleine creaties “kijken” zodat ze het ontwerp en de fabricage kunnen controleren om de gewenste eigenschappen van het materiaal mogelijk te maken.

Dit was een complexe uitdaging die onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Columbia University voor het eerst hebben overwonnen, door de binnenkant van een nieuw materiaal af te beelden dat zelf is samengesteld uit nanodeeltjes met een resolutie van zeven nanometer, ongeveer 1 / 100.000 van de breedte van een mensenhaar. In een nieuw artikel gepubliceerd op 7 april 2022, in Wetenschapdemonstreren de onderzoekers de kracht van hun nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek met hoge resolutie om de binnenstructuur van het nanomateriaal te onthullen.

Het team ontwierp het nieuwe nanomateriaal met behulp van DNA als programmeerbaar constructiemateriaal, waardoor ze nieuwe technische materialen kunnen maken voor katalyse, optica en extreme omgevingen. Tijdens het creatieproces van deze materialen verschuiven de verschillende bouwstenen gemaakt van DNA en nanodeeltjes vanzelf op hun plaats op basis van een gedefinieerde “blauwdruk” – een sjabloon genoemd – ontworpen door de onderzoekers. Om deze kleine structuren met röntgenstralen in beeld te brengen en te exploiteren, moesten ze ze echter omzetten in anorganische materialen die bestand zijn tegen röntgenstralen en tegelijkertijd nuttige functionaliteit bieden. Voor het eerst konden de onderzoekers de details zien, inclusief de onvolkomenheden in hun nieuw gerangschikte nanomaterialen.

“Hoewel onze op DNA gebaseerde assemblage van nanomaterialen een enorme mate van controle biedt om de gewenste eigenschappen te verfijnen, vormen ze geen perfecte structuren die volledig overeenkomen met de blauwdruk. Dus zonder gedetailleerde 3D-beeldvorming met resolutie van één deeltje, het is onmogelijk om te begrijpen hoe je effectieve zelf-geassembleerde systemen kunt ontwerpen, hoe je het assemblageproces kunt afstemmen en in welke mate de prestaties van een materiaal worden beïnvloed door onvolkomenheden”, zegt corresponderende auteur Oleg Gang, wetenschapper bij Brookhaven’s Center for Functional Nanomaterials (CFN) en een professor in chemische technologie en toegepaste fysica en materiaalwetenschappen aan Columbia Engineering.

Als een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit biedt de CFN een breed scala aan hulpmiddelen voor het maken en onderzoeken van nieuwe nanomaterialen. Het was in de laboratoria van de CFN en bij Columbia Engineering waar Gang en zijn team voor het eerst nieuwe nanostructuren bouwden en bestudeerden. Met behulp van zowel op DNA gebaseerde assemblage als een nieuw fabricagehulpmiddel op nanoschaal als nauwkeurige sjablonen met anorganische materialen die DNA en nanodeeltjes kunnen coaten, konden de onderzoekers een nieuw type complexe 3D-architectuur demonstreren.

“Toen ik vijf jaar geleden bij het onderzoeksteam kwam, hadden we het oppervlak van onze assemblages heel goed bestudeerd, maar het oppervlak is slechts huiddiep. Als je niet verder kunt gaan, zul je nooit zien dat er een bloedsysteem of botten zijn Daar de assemblage in onze materialen hun prestaties stimuleert, wilden we dieper gaan om erachter te komen hoe het werkte “, zegt Aaron Noam Michelson, eerste auteur van de studie die een Ph.D. student bij Gang en is nu postdoc bij de CFN.

En dieper ging het team, in samenwerking met de onderzoekers van de Hard X-ray Nanoprobe (HXN) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in Brookhaven Lab. Met NSLS-II kunnen onderzoekers materialen bestuderen met een resolutie op nanoschaal en een uitstekende gevoeligheid door ultrahelder licht te leveren, variërend van infrarood tot harde röntgenstralen.

“Bij NSLS-II hebben we veel tools die kunnen worden gebruikt om meer over een materiaal te leren, afhankelijk van waar je in geïnteresseerd bent. Wat HXN interessant maakte voor Oleg en zijn werk, was dat je de werkelijke ruimtelijke relaties tussen objecten binnen de structuur op nanoschaal. Maar toen we voor het eerst over dit onderzoek spraken, was het ‘inzien’ van deze kleine structuren al aan de limiet van wat de bundellijn kon doen, “zei Hanfei Yan, ook een corresponderende auteur van de studie en een beamline-wetenschapper bij HXN.

Om deze uitdaging aan te gaan, bespraken de onderzoekers de verschillende hindernissen die ze moesten overwinnen. Bij de CFN en Columbia moest het team uitzoeken hoe ze de structuren konden bouwen met de gewenste organisatie en hoe ze deze konden omzetten in een anorganische replica die bestand is tegen krachtige röntgenstralen, terwijl de onderzoekers bij NSLS-II de beamline door de resolutie, data-acquisitie en vele andere technische details te verbeteren.

“Ik denk dat de beste manier om onze vooruitgang te beschrijven in termen van prestaties is. Toen we voor het eerst probeerden gegevens te verzamelen bij HXN, kostte het ons drie dagen en kregen we een deel van een dataset. De tweede keer dat we dit deden, kostte het ons twee dagen, en we kregen het grootste deel van een hele dataset, maar onze steekproef werd vernietigd in het proces. Bij de derde keer duurde het iets meer dan 24 uur, en we kregen een volledige dataset. Elk van deze stappen duurde ongeveer zes maanden uit elkaar”, aldus Michelson.

Yan voegde toe: “Nu kunnen we het in één dag afmaken. De techniek is volwassen genoeg dat we het ook aanbieden aan andere gebruikers die onze bundellijn zouden willen gebruiken om hun monster te onderzoeken. Het bekijken van monsters op deze schaal is interessant voor velden zoals zoals micro-elektronica en batterijonderzoek.”

Het team maakte op twee manieren gebruik van de mogelijkheden van de beamline. Ze maten niet alleen het fasecontrast van de röntgenstralen die door de monsters gaan, maar ze verzamelden ook de röntgenfluorescentie – het uitgestraalde licht – van het monster. Door het fasecontrast te meten, konden de onderzoekers de voorgrond beter onderscheiden van de achtergrond van hun monster.

“Het meten van de data was slechts het halve werk; nu moesten we de data vertalen naar zinvolle informatie over orde en imperfectie van zelf-geassembleerde systemen. We wilden begrijpen wat voor soort defecten er in deze systemen kunnen voorkomen en wat de oorzaak is. Totdat op dit punt was deze informatie alleen beschikbaar door middel van berekeningen. Nu kunnen we dit echt experimenteel zien, wat super opwindend is en letterlijk een eye-opener voor de toekomstige ontwikkeling van complex ontworpen nanomaterialen, “zei Gang.

Samen ontwikkelden de onderzoekers nieuwe softwaretools om de grote hoeveelheid gegevens te ontwarren in brokken die konden worden verwerkt en begrepen. Een grote uitdaging was het valideren van de resolutie die ze bereikten. Het iteratieve proces dat uiteindelijk leidde tot de baanbrekende nieuwe resolutie strekte zich uit over een aantal maanden voordat het team de resolutie had geverifieerd door middel van zowel standaardanalyse als machine learning-benaderingen.

“Het heeft mijn hele doctoraat gekost om hier te komen, maar persoonlijk voel ik me zeer verheugd dat ik deel uitmaak van deze samenwerking. Ik was in staat om bij elke stap betrokken te raken, van het maken van de monsters tot het uitvoeren van de bundellijn. Alle nieuwe vaardigheden Ik heb geleerd dat deze reis nuttig zal zijn voor alles wat voor ons ligt”, aldus Michelson.

Ook al heeft het team deze indrukwekkende mijlpaal bereikt, ze zijn nog lang niet klaar. Ze hebben al hun zinnen gezet op de volgende stappen om de grenzen van het mogelijke verder te verleggen.

“Nu we het data-analyseproces hebben doorlopen, zijn we van plan dit onderdeel gemakkelijker en sneller te maken voor toekomstige projecten, vooral wanneer verdere verbeteringen aan de bundellijn ons in staat stellen om nog sneller gegevens te verzamelen. De analyse is momenteel het knelpunt bij het doen van tomografie met hoge resolutie werk bij HXN,” zei Yan.

Gang voegde toe: “Naast het blijven verbeteren van de prestaties van de bundellijn, zijn we ook van plan om deze nieuwe techniek te gebruiken om dieper in de relaties tussen defecten en eigenschappen van onze materialen te duiken. We zijn van plan om complexere nanomaterialen te ontwerpen met behulp van DNA-zelfassemblage die kan worden bestudeerd met HXN. Op deze manier kunnen we zien hoe goed de structuur intern is gebouwd en dit aansluiten op het proces van de assemblage. We ontwikkelen een nieuw bottom-up fabricageplatform dat we niet zouden kunnen voorstellen zonder deze nieuwe vermogen.”

Door dit verband tussen materiaaleigenschappen en het assemblageproces te begrijpen, hopen de onderzoekers de weg vrij te maken voor het verfijnen van deze materialen voor toekomstige toepassingen in ontworpen nanomaterialen voor batterijen en katalyse, voor lichtmanipulatie en voor gewenste mechanische reacties.