Wetenschappers ontwikkelen nanomaterialen met behulp van een bottom-up benadering

Wetenschappers van de Friedrich Schiller Universiteit Jena en de Friedrich Alexander Universiteit Erlangen-Neurenberg, beide Duitsland, hebben met succes nanomaterialen ontwikkeld met behulp van een zogenaamde bottom-up benadering. Zoals gerapporteerd in het journaal ACS Nanomaken ze gebruik van het feit dat kristallen tijdens kristallisatie vaak in een specifieke richting groeien. Deze resulterende nanostructuren zouden in verschillende technologische toepassingen kunnen worden gebruikt.

“Onze structuren kunnen worden omschreven als wormachtige staven met versieringen”, legt prof. Felix Schacher uit. “In deze staafjes zitten bolvormige nanodeeltjes; in ons geval was dit silica. In plaats van silica zouden echter ook geleidende nanodeeltjes of halfgeleiders kunnen worden gebruikt – of zelfs mengsels, die met onze methode selectief in de nanokristallen kunnen worden verdeeld”, zegt hij. voegt toe. Dienovereenkomstig is het scala aan mogelijke toepassingen in wetenschap en technologie breed, variërend van informatieverwerking tot katalyse.

Het formatieproces begrijpen en beheersen

“De primaire focus van dit werk was om de bereidingsmethode als zodanig te begrijpen”, legt de chemicus uit. Om nanostructuren te produceren, zo legt hij uit, zijn er twee verschillende benaderingen: grotere deeltjes worden vermalen tot nanometergrootte, of de structuren worden opgebouwd uit kleinere componenten.

“We wilden dit opbouwproces begrijpen en beheersen”, beschrijft Schacher. Hiervoor gebruikte het team individuele siliciumdioxidedeeltjes, bekend als silica, en geënte ketenachtige polymeermoleculen als een soort omhulsel.

“Je kunt het je voorstellen als haren op een bol”, legt de wetenschapper uit. Hij voegt eraan toe: “Deze haren zijn gemaakt van een materiaal genaamd ‘poly-(isopropyl-oxazoline).’ Deze stof kristalliseert bij verhitting. En dat is het idee van onze methode: kristallen groeien bijna nooit tegelijkertijd in alle richtingen, maar geven de voorkeur aan een bepaalde richting. Dit staat bekend als anisotropie. Zo konden we onze nanostructuren doelbewust laten groeien.”

Tijdens dit proces ontdekte het team een ​​intrigerend fenomeen. “Om het polymeer te laten kristalliseren zijn kleine hoeveelheden nodig die niet gebonden zijn aan een deeltjesoppervlak, maar vrij aanwezig zijn in de reactieoplossing en als een soort lijm werken. We kwamen erachter dat de benodigde hoeveelheden zo klein zijn dat ze nauwelijks detecteerbaar zijn. Maar ze zijn nodig”, voegt hij eraan toe.

Schacher is bijzonder enthousiast over de unieke samenwerking die dit onderzoek mogelijk heeft gemaakt. “Zonder de uitstekende samenwerking met prof. Michael Engel van de Universiteit van Erlangen zou dit werk niet tot stand zijn gekomen”, benadrukt de wetenschapper uit Jena.

“Met behulp van computersimulaties die gedrag op meerdere schaalniveaus in beeld brachten, konden we de complexe moleculaire processen die ten grondslag liggen aan de vorming van de nanostructuren op ingewikkelde wijze oplossen. Dit was een opwindende uitdaging”, voegt Engel toe.

Beide wetenschappers concluderen: ‘We hadden eerder dit jaar de kans om samen deel te nemen aan een programma van het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara. Tijdens deze workshop hebben we samen dit manuscript geschreven. was natuurlijk vooraf uitgevoerd – gedeeltelijk in het kader van het collaboratieve onderzoekscentrum TRR 234 ‘CataLight’, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting. Maar de inspirerende sfeer van de workshop gaf ons het nodige momentum om het werk te voltooien.’