Sjabloonpatronen op atomaire schaal helpen nanodeeltjes nieuwe vormen aan te nemen en nieuwe trucjes te leren

Geïnspireerd door de stencils van een kunstenaar hebben onderzoekers precisiepatronen op atomair niveau ontwikkeld op oppervlakken van nanodeeltjes, waardoor ze gouden nanodeeltjes kunnen “verven” met polymeren om ze een reeks nieuwe vormen en functies te geven.

De ‘fragmentarische nanodeeltjes’ ontwikkeld door onderzoekers en medewerkers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign aan de Universiteit van Michigan en Penn State University kunnen in grote batches worden gemaakt, gebruikt voor een verscheidenheid aan elektronische, optische of biomedische toepassingen, of gebruikt als bouwstenen voor nieuwe complexe materialen en metamaterialen.

Onder leiding van Qian Chen, een hoogleraar materiaalkunde en techniek uit Illinois, rapporteren de onderzoekers hun bevindingen bevindingen in het journaal Natuur.

“Een van de heilige gralen op het gebied van nanomaterialen is het maken van complexe, functionele structuren uit bouwstenen op nanoschaal. Maar het is uiterst moeilijk om de richting en organisatie van elk nanodeeltje te controleren, vooral als het gaat om materialen die verder gaan dan eenvoudige, dichte verpakking”, zegt Chen.

“Toen kregen we dit idee van de natuur: eiwitten hebben verschillende oppervlaktedomeinen, en door hun interactie kunnen ze alle ingewikkelde machines maken die we in de biologie zien. Dus nemen we die strategie over, met plekken of verschillende domeinen op het oppervlak van de nanodeeltjes.”

Het probleem van het bevestigen van de patches in een gecontroleerd ontwerp of op grote schaal bleek echter een uitdaging. Terwijl hij als afgestudeerde student in het laboratorium van Chen met het probleem worstelde, volgde Ahyoung Kim, de co-eerste auteur van het artikel, een kunstles. In de klas leerde ze een stenciltechniek waarbij een masker werd gebruikt om een ​​complex ontwerp op een gebogen stuk aardewerk te schilderen. Ze realiseerde zich dat een dergelijke techniek ook op nanodeeltjesoppervlakken zou kunnen werken.

“We weten dat halogenide-atomen, zoals jodide, chloride of bromide, adsorberen aan metalen. We weten ook dat verschillende facetten van een metalen nanodeeltje verschillende adsorptieaffiniteiten hebben. We kunnen dus sommige oppervlakken van een gouden nanodeeltje bedekken met slechts één laag jodide, en andere met een organische primer. Dan kunnen we het polymeer erin brengen, en het blijft gewoon aan de facetten plakken met de organische primer. De jodide maskeert de andere facetten”, zegt Kim, die nu postdoctoraal onderzoeker is aan het California Institute of Technology.

De groep van Chen werkte samen met de groep van Penn State-professor Kristen Fichthorn om de competitieve bindingsdynamiek van jodide en organische primer aan gefacetteerde gouden nanodeeltjes te onderzoeken en maskeringsontwerpen te ontwikkelen.

“Ionische adsorptie is een klassieke vraag in de oppervlaktewetenschap”, zei Fichthorn. “We berekenden op atomair niveau de energetisch geprefereerde configuraties van jodide en organische primer op verschillende goudfacetten en voorspelden een fasediagram voor het optreden van atomaire stenciling.”

Vervolgens werkten de onderzoekers samen met de groep van professor Sharon Glotzer uit Michigan om een ​​bibliotheek te creëren van welke soorten fragmentarische deeltjes en assemblages de stenciltechniek zou kunnen opleveren. Ze gebruikten computersimulaties om te voorspellen hoe de polymeren zich binnen de stencilpatronen zouden rangschikken, en vervolgens hoe de resulterende fragmentarische deeltjes zich in grotere kristalstructuren zouden rangschikken. De groep van Chen valideerde de simulaties experimenteel en maakte meer dan twintig verschillende fragmentarische nanodeeltjes.

“Met een computersimulatie kunnen we de enorme ontwerpruimte van mogelijke fragmentarische deeltjespatronen sneller verkennen dan experimenten kunnen. Door samen te werken met experimentatoren en hun gegevens te gebruiken om ons computermodel te helpen ontwerpen en valideren, kunnen we samen veel meer ontdekken dan alleen met experimenten of simulaties, “zei Glotzer.

“Atomic stenciling maakt de synthese mogelijk van batches fragmentarische deeltjes met veel ingewikkelder patronen dan mogelijk is geweest in de afgelopen 25 jaar van nanowetenschappelijk onderzoek en zal het gemakkelijker maken om steeds geavanceerdere structuren uit nanodeeltjes zelf samen te stellen.”

Omdat de deeltjes meerdere functionele gebieden op hun oppervlak hebben, interageren ze op een manier die andere nanodeeltjes niet kunnen, en assembleren ze tot nieuwe structuren met potentieel voor metamaterialen – technische materialen met unieke licht- en geluidseigenschappen – zei Chansong Kim, afgestudeerd student uit Illinois, mede-eerste auteur van het artikel. Bovendien zou de maskeertechniek kunnen worden toegepast op veel andere soorten nanodeeltjes en functionele groepen, niet alleen op goud en polymeer, zei hij.

“Je kunt verschillende materialen gebruiken voor de nanodeeltjes en verschillende soorten ionen als masker, zodat je een enorme diversiteit aan materialen kunt genereren”, zei Chansong Kim. “En we kunnen ze in grote batches maken. Wij geloven dat deze techniek, op basis van verschillende materiaalcombinaties, ook unieke materialen kan creëren met nieuwe eigenschappen en toepassingen. Het heeft onbeperkte mogelijkheden.”