Nano opschalen voor duurzame productie met zelfassemblerende nanosheets

Een nieuwe zelfassemblerende nanosheet zou de ontwikkeling van functionele en duurzame nanomaterialen voor elektronica, energieopslag, gezondheid en veiligheid, en meer, radicaal kunnen versnellen.

Ontwikkeld door een team onder leiding van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), zou het nieuwe zelfassemblerende nanosheet de houdbaarheid van consumentenproducten aanzienlijk kunnen verlengen. En omdat het nieuwe materiaal recyclebaar is, kan het ook een duurzame productieaanpak mogelijk maken die verpakkingen voor eenmalig gebruik en elektronica uit de stortplaatsen houdt.

Het team is het eerste team dat met succes een multifunctioneel, hoogwaardig barrièremateriaal heeft ontwikkeld op basis van zelfassemblerende nanosheets. De doorbraak was binnen gerapporteerd Natuur.

“Ons werk overwint een al lang bestaande hindernis in de nanowetenschap: het opschalen van de synthese van nanomaterialen tot bruikbare materialen voor productie en commerciële toepassingen”, zegt Ting Xu, de hoofdonderzoeker die het onderzoek leidde. “Het is echt spannend, want dit is al tientallen jaren in de maak.”

Xu is senior wetenschapper bij de afdeling Materials Sciences van Berkeley Lab en hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en -techniek aan UC Berkeley.

Een uitdaging bij het oogsten van nanowetenschap om functionele materialen te creëren is dat veel kleine stukjes bij elkaar moeten komen, zodat het nanomateriaal groot genoeg kan worden om bruikbaar te zijn. Hoewel het stapelen van nanosheets een van de eenvoudigste manieren is om nanomaterialen tot een product te laten groeien, zijn ‘stapeldefecten’ (openingen tussen de nanosheets) onvermijdelijk als er met bestaande nanosheets of nanoplaatjes wordt gewerkt.

“Als je visualiseert dat je een 3D-structuur bouwt uit dunne, vlakke tegels, heb je lagen ter hoogte van de structuur, maar heb je ook gaten in elke laag waar twee tegels samenkomen”, zegt eerste auteur Emma Vargo, een voormalige afgestudeerd student-onderzoeker in de Xu-groep en nu een postdoctoraal onderzoeker bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. “Het is verleidelijk om het aantal gaten te verkleinen door de tegels groter te maken, maar ze worden moeilijker om mee te werken”, zei Vargo.

Het nieuwe nanobladmateriaal overwint het probleem van stapeldefecten door de serieel gestapelde plaatbenadering helemaal over te slaan. In plaats daarvan mengde het team mengsels van materialen waarvan bekend is dat ze zichzelf in kleine deeltjes assembleren met afwisselende lagen van de samenstellende materialen, gesuspendeerd in een oplosmiddel. Om het systeem te ontwerpen, gebruikten de onderzoekers complexe mengsels van nanodeeltjes, kleine moleculen en op blokcopolymeren gebaseerde supramoleculen, die allemaal in de handel verkrijgbaar zijn.

Experimenten bij de Spallation Neutron Source van het Oak Ridge National Laboratory hielpen de onderzoekers de vroege, grove stadia van de zelfassemblage van de mengsels te begrijpen.

Terwijl het oplosmiddel verdampt, vloeien de kleine deeltjes samen en organiseren zich spontaan grove lagen, om vervolgens te stollen tot dichte nanoplaten. Op deze manier worden de geordende lagen gelijktijdig gevormd in plaats van dat ze afzonderlijk in een serieel proces worden gestapeld. De kleine stukjes hoeven slechts korte afstanden te verplaatsen om georganiseerd te worden en gaten te dichten, waardoor de problemen van het verplaatsen van grotere “tegels” en de onvermijdelijke gaten daartussen worden vermeden.

Uit een eerder onderzoek onder leiding van Xu wisten de onderzoekers dat het combineren van nanocomposietmengsels met meerdere ‘bouwstenen’ van verschillende groottes en chemie, waaronder complexe polymeren en nanodeeltjes, zich niet alleen zou aanpassen aan onzuiverheden, maar ook de entropie van een systeem zou ontsluiten, de inherente wanorde in het systeem. mengsels van materialen die de groep van Xu gebruikte om de bouwstenen van het materiaal te distribueren.

De nieuwe studie bouwt voort op dit eerdere werk. De onderzoekers voorspelden dat het complexe mengsel dat voor de huidige studie werd gebruikt twee ideale eigenschappen zou hebben: naast een hoge entropie om de zelfassemblage van een stapel van honderden gelijktijdig gevormde nanosheets aan te drijven, verwachtten ze ook dat het nieuwe nanosheet-systeem zou zijn minimaal beïnvloed door verschillende oppervlaktechemie. Hierdoor, zo redeneerden ze, zou hetzelfde mengsel een beschermende barrière kunnen vormen op verschillende oppervlakken, zoals het glazen scherm van een elektronisch apparaat of een polyester masker.

Demonstreert het gemak van zelfassemblage en de hoge prestaties van een nieuwe 2D-nanoplaat

Om de prestaties van het materiaal als barrièrecoating in verschillende toepassingen te testen, riepen de onderzoekers de hulp in van enkele van de beste onderzoeksfaciliteiten van het land.

Tijdens experimenten bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory brachten de onderzoekers in kaart hoe elke component samenkomt, en kwantificeerden ze hun mobiliteiten en de manier waarop elke component beweegt om een ​​functioneel materiaal te laten groeien.

Op basis van deze kwantitatieve onderzoeken vervaardigden de onderzoekers barrièrecoatings door een verdunde oplossing van polymeren, organische kleine moleculen en nanodeeltjes op verschillende substraten aan te brengen: een teflonbeker en -membraan, polyesterfilm, dikke en dunne siliciumfilms, glas en zelfs een prototype. van een micro-elektronisch apparaat – en vervolgens de snelheid van filmvorming regelen.

Transmissie-elektronenmicroscoopexperimenten bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab laten zien dat tegen de tijd dat het oplosmiddel was verdampt, een zeer geordende gelaagde structuur van meer dan 200 gestapelde nanosheets met een zeer lage defectdichtheid zelf op de substraten was gemonteerd. De onderzoekers maakten elke nanosheet ook 100 nanometer dik met weinig gaten en gaten, wat het materiaal bijzonder effectief maakt in het voorkomen van de doorgang van waterdamp, vluchtige organische stoffen en elektronen, zei Vargo.

Andere experimenten bij de Molecular Foundry toonden aan dat het materiaal een groot potentieel heeft als diëlektricum, een isolerend ‘elektronenbarrière’-materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt in condensatoren voor energieopslag en computertoepassingen.

In samenwerking met onderzoekers in de Energy Technologies Area van Berkeley Lab hebben Xu en zijn team aangetoond dat wanneer het materiaal wordt gebruikt om poreuze Teflon-membranen te coaten (een veelgebruikt materiaal dat wordt gebruikt om beschermende gezichtsmaskers te maken), het zeer effectief is in het filteren van vluchtige organische stoffen die kunnen de luchtkwaliteit binnenshuis in gevaar brengen.

In een laatste experiment in het Xu-laboratorium toonden de onderzoekers aan dat het materiaal opnieuw kan worden opgelost en opnieuw kan worden gegoten om een ​​nieuwe barrièrecoating te produceren.

Nu ze met succes hebben aangetoond hoe ze eenvoudig een veelzijdig, functioneel materiaal voor verschillende industriële toepassingen kunnen synthetiseren uit één enkel nanomateriaal, zijn de onderzoekers van plan de recycleerbaarheid van het materiaal te verfijnen en kleurafstembaarheid (momenteel verkrijgbaar in het blauw) aan het repertoire toe te voegen.