10. januar 2024
(Nanowerk Spotlight) Styring af lys på nanoskala har længe lokket forskere, der søger at udnytte et mærkeligt kvantemekanisk fænomen kaldet lokaliseret overfladeplasmonresonans (LSPR). Når lys interagerer med metallisk nanopartikler (NP'er) langt mindre end dens bølgelængde, sker der flere bemærkelsesværdige ting. Energi bliver komprimeret til nanometriske hotspots, elektroner danser kollektivt til resonansfrekvenser, og optiske felter intensiveres eksponentielt – hvilket åbner nye muligheder for lysbaserede teknologier.
Alligevel er fremskridt stadig bremset af mangel på metoder til at konstruere indviklede 3D NP-strukturer, der fuldt ud udnytter LSPR. Den vedvarende udfordring er at finde enkle, men skalerbare måder at stable NP'er lodret på og samtidig bevare finjusteret kontrol over komposition og arkitektur. Selvsamlingsteknikker kan spontant vokse NP-klynger, men traditionelle kemitilgange kæmper for at lave specialiserede geometrier eller placere partikler bevidst.
Metoder, der er afhængige af faststof-væske grænsefladegradienter, kan kun udnytte partikelselvsamling i en eller to dimensioner. Nyere skabelonstyrede 3D-printmetoder har med succes bygget centimeterhøje plasmoniske supergitter. Men de kæmper for at skabe små partier af tilpassede søjledesigns, der er nødvendige for iterativ nanoteknik.
Der er også en afvejning mellem mønsterkompleksitet og ensartethed i stor skala, da nanostrukturerne stadig vokser over et omfattende fordampningsområde snarere end en begrænset zone. Dette fører til praktiske udfordringer for effektivt at omsætte laboratoriebaseret innovation til specialiserede moduler og nanoenheder.
Rapportere deres resultater i Small ("Nanofontænepen til at skrive hybride Plasmoniske arkitekturer"), udviklede et tværfagligt team af ingeniører og videnskabsmænd fra Sydkorea en kreativ strategi til 3D-print af forskellige fritstående "kolloide søjler" lavet af skræddersyede NP-kombinationer. De bygger specialiserede fyldepenne, der balancerer kapillærstrømning og opløsningsmiddelfordampning for at styre den flydende selvsamling af NP-suspensioner - i det væsentlige vejleder den autonome organisering af stoffet gennem fysik.
Fyldepen-inspireret skrift på mikrometer skalaer. a) Skriveskema ved hjælp af en fyldepen. b) Ultrafin fyldepen til NP dispergeret blæk. Skalabjælken repræsenterer 5 µμm. c) Skema for punktlignende kolloid samling. d) Tekst i mikrometerstørrelse skrevet af den kolloide samling (venstre) og SEM-billede af en halv-donut-struktur (højre). Skalabjælkerne på venstre og højre billede repræsenterer henholdsvis 50 og 1 µm. e) Skema for 3D kolloid samling. f ) Diverse 3D kolloide samlinger (venstre) og pakning af NP (højre). Skalalinjen repræsenterer 10 µm (sort) og 1 µm (hvid). (Genoptrykt med tilladelse af Wiley-VCH Verlag)
Gennembruddet gør det muligt at justere optiske og strukturelle egenskaber af sub-mikron søjler præcist ved at blande partikelstørrelser og nanomaterialer. Som proof of concept demonstrerer forskerne fugtfølsomme NP/biomateriale-aktuatorer. Dette grundlæggende fremskridt etablerer en ekstremt alsidig og tilgængelig platform til at designe tilpasset plasmonic metamaterialer.
Denne billige, high-throughput løsningsbehandlingsteknik gør det muligt at justere optiske egenskaber ved at blande partikelstørrelser og materialer inden for en enkelt søjle. Forskerne fremviser potentielle applikationer såsom fugtfølsomme nanoaktuatorer. Fremskridtet etablerer en ekstremt alsidig platform til at fremstille skræddersyede 3D plasmoniske strukturer til nanofotonik, fotokatalyse og enheder i nanoskala.
Nøgleinnovationen ligger i at nedskalere og genskabe den grundlæggende mekanik i en blækpen. På makroskala er fyldepenne afhængige af, at vådt blæk kontinuerligt tilføres, mens opløsningsmidlet fordamper på papir. Forskerholdet designede et tilspidset mikrokapillærrør af glas, der efterligner denne skriveproces på mikroskopisk niveau.
Når den dyppes i kolloid NP-blæk, danner den smalle rørspids en fordampende kapillarbro, som kun er få mikrometer bred. Mens blækket samler sig selv ved denne lille grænseflade, kan forskere trække søjler op lige fra sekskantet pakkede kugler til spiralformede nanostrukturer. Ændring af partikelkoncentrationen i blækket eller blanding af to forskellige NP-løsninger muliggør præcis tuning af 3D-arkitekturer.
For eksempel øger kombinationen af 80 nm guld NP'er (AuNP'er) med mindre 20 nm AuNP'er markant den maksimale søjlehøjde. Dette sker, fordi den nanoporøse samling tillader kapillær stigning af væske i 3D-søjlen, hvilket øger fordampningsområdet for genopfyldning af blækstrømmen. Som et resultat er væksthastigheden ikke længere begrænset af diffusion fra den aftagende kapillarbro.
Holdets teoretiske analyse giver ligninger, der relaterer fabrikationsparametre som fugtighed og partikeltæthed til eksperimentelt målte søjleudvidelseshastigheder. Dette niveau af kvantitativ indsigt vil være uvurderlig for dem, der ønsker at tilpasse teknikken til specifikke applikationer.
Som et bevis på konceptet demonstrerede forskerne en række forskellige optiske afstemninger ved hjælp af NFP. Blanding af AuNP'er og sølv-NP'er gav selvsamlede halv-doughnut-former med jævnt fordelt sammensætning. Ændring af proportioner af små og store AuNP'er producerede søjle-nanostrukturer, der udviser kontrollerede lysabsorptionsegenskaber.
Holdet printede asymmetriske "Janus"-søjler ved hjælp af NP-blæk på den ene side og en funktionel biologisk blæk indeholdende stavlignende M13-bakteriofager på den anden. M13's følsomhed over for fugtgradienter inducerede reversible bøjningsbevægelser, hvilket i det væsentlige skabte miniature fugtdrevne aktuatorer ud af de to-sidede søjler.
Vertikal vækst af en binær kolloid klynge. a) Serie af optiske mikrofotografier, der viser den lodrette vækst af den binære kolloide klynge. Skalabjælken repræsenterer 50 µm. b) Tilgængelige væksthastigheder baseret på 80 nm AuNP-løsningen. c) Tilgængelige væksthastigheder baseret på 20 nm AuNP-opløsningen blandet med 2 partikler=fL af 80 nm AuNP-opløsning. d) SEM-billeder af mikropillerne markeret som I, II, III og IV i (c). Skalaen repræsenterer 10 µm. e) SEM-billeder af nanostrukturerne af mikrosøjler markeret som I, II og III i (d). Skalalinjen repræsenterer 200nm. f ) FESEM billede af en mikrosøjle fræset med FIB. Skalaen repræsenterer 5 µm. g) FESEM billede af tværsnittet af en mikrosøjle sammensat af en enkelt (venstre) og binær sammensætning (højre). Skalalinjen repræsenterer 200nm. (Genoptrykt med tilladelse af Wiley-VCH Verlag)
Dette stimulerer ideer til fremstilling af endnu mere komplekse kolloide maskiner ved at inkorporere forskellige nanomaterialer, katalysatorer eller proteiner inden for en enkelt 3D-printet søjle. Bredden af muligheder fremhæver, hvordan forskernes vildledende enkle pen-på-papir-koncept fundamentalt udvider værktøjskassen til avanceret nanoteknik.
Den fordampende fyldepen-metodologi omgår også begrænsninger, der holder alternative fremstillingsstrategier tilbage. Metoder, der er afhængige af faststof-væske grænsefladegradienter, kan kun udnytte partikelselvsamling i en eller to dimensioner. Nyere skabelonstyrede 3D-printmetoder har med succes bygget centimeterhøje plasmoniske supergitter. Men de kæmper for at skabe små partier af tilpassede søjledesigns, der er nødvendige for iterativ nanoteknik.
Der er også en afvejning mellem mønsterkompleksitet og ensartethed i stor skala, da nanostrukturerne stadig vokser over et omfattende fordampningsområde snarere end en begrænset zone. Dette fører til praktiske udfordringer for effektivt at omsætte laboratoriebaseret innovation til specialiserede moduler og nanoenheder.
Den rapporterede NFP-teknik fungerer i det væsentlige som en krympende 3D-printer, men med naturligt styret snarere end eksternt pålagt samling. Lokalisering af alt til den mikroskopiske grænseflade mellem overflade og pennespids muliggør en udsøgt spatiotemporal kontrol uden at miste skalerbarhed.
Den resulterende kapacitet til løbende at ændre parametre midt i fremstillingen og konstruere heterogene søjler mindre end 10 mikron brede låser op for nye horisonter for hurtig nanoprototyping. Man kan forestille sig, at forskere designer tilpassede NP-strukturer i farten for at opfylde ydeevnemål eller tjene forskellige formål inden for et integreret nanosystem.
Dette gennembrudsstudie giver et stærkt grundlag for mange spændende retninger. Den næste fase indebærer udvidelse til flere nanopartikeltyper og blæk med en bredere vifte af funktionaliteter ud over plasmonics. Forskere skal også optimere printhastighed, arkitekturstabilitet og grænsefladestørrelser for at flytte grænserne.
En anden kritisk opgave vil være at undersøge alternative substrater, da den nuværende afhængighed af silica wafers udgør udfordringer for at integrere nanostrukturer i enheder eller på ikke-plane overflader. Endelig kan udforskning af reservoir-teknik eller multi-pen-teknikker udvide den indstillelige sammensætningskompleksitet til 3D kolloid samling yderligere.
Forskernes fyldepenmetodologi repræsenterer et afgørende fremskridt inden for nanofabrikation, der kombinerer de alsidige fordele ved rettet samling med skalerbarheden af selvmontering. Denne undersøgelse forvandler i det væsentlige en daglig tørrepen til en kraftfuld, men alligevel tilgængelig nanomønsterplatform.
Den rapporterede teknik kan tjene som en ideel bro mellem forskning i nanovidenskab og teknologisk udvikling i den virkelige verden. Kapaciteten til at teste omfattende nanostruktursammensætninger og geometrier letter hurtig prototyping for at optimere design til målapplikationer. I mellemtiden tillader den forudsigelige fysik begrænset til en lille grænseflade ligetil opskalering til masseproduktion.
Kommercielle og samfundsmæssige virkninger kan være dybtgående, da forskere udnytter denne tilgangs generaliserbarhed på tværs af sektorer. På den biomedicinske front kunne tilpassede 3D-nukleinsyrenanostrukturer muliggøre målrettet lægemiddellevering eller enkeltcelletransfektion. Plasmoniske søjler med programmerbare optiske resonanser kunne danne grundlag for ultrafølsomme molekylære detektionsplatforme. Mix-and-match-metamaterialer ved hjælp af teknikken kan føre til forbedrede katalytiske processer og energiomdannelsessystemer.
Når man ser fremad, er der masser af muligheder for at inkorporere print af flere materialer, funktionelle nanopartikelblæk og 3D-mønstre på ikke-plane overflader – hvilket i høj grad udvider designkompleksiteten.
– Michael er forfatter til tre bøger af Royal Society of Chemistry:
Nanosamfund: At flytte teknologiens grænser,
Nanoteknologi: Fremtiden er lilleog
Nanoengineering: De færdigheder og værktøjer, der gør teknologi usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bliv en Spotlight-gæsteforfatter! Slut dig til vores store og voksende gruppe af gæstebidragydere. Har du lige udgivet en videnskabelig artikel eller har du andre spændende udviklinger at dele med nanoteknologisamfundet? Sådan udgiver du på nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- Kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
- :har
- :er
- :hvor
- $OP
- 1
- 10
- 20
- 31
- 32
- 3d
- 3D Printing
- 50
- 7
- 8
- 80
- 9
- a
- tilgængelig
- tværs
- tilpasse
- fremme
- fremskreden
- fremgang
- fordele
- forude
- tillader
- også
- alternativ
- an
- analyse
- ,
- En anden
- applikationer
- tilgang
- tilgange
- arkitektur
- OMRÅDE
- Array
- AS
- Assembly
- At
- forfatter
- autonom
- til rådighed
- b
- tilbage
- Balance
- Bar
- barer
- bund
- baseret
- grundlæggende
- grundlag
- BE
- fordi
- være
- Berger
- mellem
- Beyond
- biomedicinsk
- Sort
- blank
- Bøger
- boosts
- grænser
- bredde
- gennembrud
- BRIDGE
- udvide
- bygge
- bygget
- men
- by
- kaldet
- CAN
- kan ikke
- Kapacitet
- katalysatorer
- celle
- center
- udfordre
- udfordringer
- skiftende
- kemi
- Cluster
- kollektivt
- kombinationer
- kombinerer
- kommerciel
- samfund
- komplekse
- kompleksitet
- sammensat
- sammensætning
- koncentration
- Konceptet
- konstruere
- kontinuerligt
- kontrol
- kontrolleret
- styring
- Konvertering
- kunne
- skabe
- Oprettelse af
- Kreativ
- kritisk
- Cross
- Nuværende
- skik
- tilpassede
- dans
- Dato
- levering
- demonstrere
- demonstreret
- tæthed
- Design
- konstrueret
- designe
- designs
- Detektion
- udviklet
- Udvikling
- udvikling
- Enheder
- forskellige
- Broadcasting
- størrelse
- faldende
- direkte
- rettet
- retninger
- opdagelse
- spredte
- distribueret
- forskelligartede
- ned
- medicin
- Levering af lægemidler
- e
- effektivt
- elektroner
- muliggøre
- muliggør
- Endless
- varige
- energi
- Engineering
- Ingeniører
- forbedret
- envision
- ligninger
- væsentlige
- indfører
- Endog
- jævnt
- hverdagen
- at alt
- eksempel
- spændende
- Udviser
- ekspanderende
- udvider
- udvidelse
- Exploit
- Udforskning
- eksponentielt
- udsøgt
- omfattende
- eksternt
- ekstremt
- letter
- langt
- få
- Fields
- Endelig
- finde
- fund
- flow
- væske
- Til
- Forces
- formular
- formularer
- springvand
- fra
- forsiden
- fuldt ud
- funktionel
- funktionaliteter
- funktioner
- fundamental
- fundamentalt
- yderligere
- fremtiden
- gif
- glas
- Guld
- gradienter
- banebrydende
- gruppe
- Grow
- Dyrkning
- Vækst
- Gæst
- guidet
- vejledende
- sker
- seletøj
- udnyttelse
- Have
- højde
- højdepunkter
- bedrift
- Horizons
- Hvordan
- How To
- Men
- HTTPS
- Hybrid
- i
- ideal
- ideer
- if
- ii
- iii
- billede
- billeder
- Påvirkninger
- pålagt
- in
- inkorporering
- stigende
- Innovation
- indsigt
- integreret
- Integration
- interagerer
- grænseflade
- ind
- indviklet
- uvurderlig
- opfinder
- ITS
- deltage
- jpg
- lige
- Nøgle
- korea
- Mangel
- stor
- storstilet
- Lov
- føre
- Leads
- til venstre
- mindre
- Niveau
- Leverage
- ligger
- lys
- ligesom
- begrænsninger
- Limited
- logo
- Lang
- længere
- leder
- miste
- lave omkostninger
- Maskiner
- lavet
- opretholdelse
- lave
- Making
- Produktion
- mange
- markeret
- Masse
- materialer
- Matter
- maksimal
- Kan..
- I mellemtiden
- målt
- mekanisk
- mekanik
- Mød
- metamaterialer
- metode
- Metode
- metoder
- Michael
- Mellemøsten
- blandet
- Blanding
- Moduler
- molekylær
- mere
- bevægelser
- skal
- navn
- Nanomaterialer
- nanofotonik
- nanoteknologi
- behov
- Ny
- nye horisonter
- næste
- NFP
- ingen
- forekomme
- of
- on
- ONE
- kun
- åbning
- Optimer
- or
- organisation
- Andet
- vores
- ud
- i løbet af
- egen
- pakket
- Papir
- paradigme
- parametre
- partikel
- Mønster
- ydeevne
- tilladelse
- fase
- fænomen
- PHP
- Fysik
- Søjle
- søjler
- afgørende
- perron
- Platforme
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- udgør
- position
- muligheder
- potentiale
- vigtigste
- Praktisk
- brug
- præcist
- Forudsigelig
- trykning
- behandle
- Processer
- forarbejdning
- produceret
- produktion
- dyb
- programmerbar
- Progress
- bevis
- Bevis for koncept
- egenskaber
- Proteiner
- prototyping
- giver
- offentliggøre
- offentliggjort
- forlægger
- formål
- Skub ud
- Pushing
- kvantitativ
- Quantum
- spænder
- hurtige
- priser
- hellere
- virkelige verden
- nylige
- forestille sig igen
- afhængighed
- stole
- resterne
- bemærkelsesværdig
- rapporteret
- Rapportering
- repræsentere
- repræsenterer
- forskning
- forskere
- resonans
- henholdsvis
- resultere
- resulterer
- højre
- Rise
- Royal
- s
- Skalerbarhed
- skalerbar
- Scale
- skalaer
- skalering
- Ordningen
- videnskabelig
- forskere
- Sektion
- Sektorer
- søger
- SEM
- Series
- tjener
- flere
- former
- Del
- skifte
- udstillingsvindue
- viser
- side
- betydeligt
- Sølv
- Simpelt
- siden
- enkelt
- størrelser
- færdigheder
- lille
- mindre
- samfundsmæssigt
- Samfund
- løsninger
- Løsninger
- Syd
- Sydkorea
- specialiserede
- specifikke
- hastighed
- hastigheder
- Spotlight
- Stabilitet
- stabling
- standardiseret
- Stadig
- stimulerer
- ligetil
- mærkeligt
- strategier
- Strategi
- stærk
- strukturel
- struktur
- strukturer
- Kamp
- Studere
- Succesfuld
- sådan
- tilført
- overflade
- suspensioner
- Systemer
- skræddersyet
- mål
- målrettet
- mål
- Opgaver
- hold
- teknik
- teknikker
- Teknologier
- Teknologier
- Teknologiudvikling
- prøve
- tekst
- end
- at
- Fremtiden
- deres
- teoretisk
- Der.
- de
- ting
- Tænker
- denne
- dem
- tre
- Gennem
- tip
- til
- toolkit
- værktøjer
- traditionelle
- Transform
- transformationer
- Trend
- to
- typer
- låser op
- opdateringer
- URL
- ved brug af
- række
- alsidige
- lodret
- lodret
- måder
- we
- hvornår
- mens
- hvid
- bred
- bredere
- vilje
- med
- inden for
- uden
- skrivning
- skriftlig
- endnu
- gav efter
- dig
- Din
- zephyrnet