10. Januar 2024
(Nanowerk-Scheinwerfer) Die Kontrolle von Licht im Nanomaßstab hat Forscher schon lange dazu verleitet, ein seltsames quantenmechanisches Phänomen namens lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) auszunutzen. Wenn Licht mit Metall interagiert Nanopartikel (NPs) viel kleiner als ihre Wellenlänge, passieren mehrere bemerkenswerte Dinge. Energie wird in nanometrischen Hotspots komprimiert, Elektronen tanzen gemeinsam zu Resonanzfrequenzen und optische Felder verstärken sich exponentiell – was neue Möglichkeiten für lichtbasierte Technologien eröffnet.
Der Fortschritt wird jedoch weiterhin durch den Mangel an Methoden zum Aufbau komplexer 3D-NP-Strukturen, die LSPR vollständig nutzen, gebremst. Die dauerhafte Herausforderung besteht darin, einfache, aber skalierbare Möglichkeiten zu finden, NPs vertikal zu stapeln und gleichzeitig eine fein abgestimmte Kontrolle über Zusammensetzung und Architektur beizubehalten. Selbstorganisationstechniken können NP-Cluster spontan wachsen lassen, traditionelle chemische Ansätze haben jedoch Schwierigkeiten, spezielle Geometrien herzustellen oder Partikel gezielt zu positionieren.
Methoden, die auf Fest-Flüssigkeit-Grenzflächengradienten basieren, können die Selbstorganisation von Partikeln nur in einer oder zwei Dimensionen nutzen. Neuere schablonengesteuerte 3D-Druckansätze haben erfolgreich zentimeterhohe plasmonische Übergitter gebaut. Es fällt ihnen jedoch schwer, kleine Mengen individueller Säulenentwürfe zu erstellen, die für die Iteration benötigt werden Nanotechnik.
Es gibt auch einen Kompromiss zwischen Musterkomplexität und großräumiger Gleichmäßigkeit, da die Nanostrukturen immer noch über einen ausgedehnten Verdunstungsbereich und nicht über eine begrenzte Zone wachsen. Dies führt zu praktischen Herausforderungen für die effiziente Umsetzung laborbasierter Innovationen in spezialisierte Module und Nanogeräte.
Veröffentlichung ihrer Ergebnisse in Klein („Nanofüllfederhalter zum Schreiben hybrider plasmonischer Architekturen“) entwickelte ein interdisziplinäres Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern aus Südkorea eine kreative Strategie für den 3D-Druck verschiedener freistehender „kolloidaler Säulen“ aus maßgeschneiderten NP-Kombinationen. Sie bauen spezielle Füllfederhalter, die den Kapillarfluss und die Lösungsmittelverdunstung ausgleichen, um die flüssige Selbstorganisation von NP-Suspensionen zu steuern – und damit im Wesentlichen die autonome Organisation der Materie durch die Physik steuern.
Vom Füllfederhalter inspiriertes Schreiben auf Mikrometerskalen. a) Schema des Schreibens mit einem Füllfederhalter. b) Ultrafeiner Füllfederhalter für NP-Dispersionstinte. Der Maßstabsbalken stellt 5 µμm dar. c) Schema der punktförmigen kolloidalen Anordnung. d) Von der kolloidalen Anordnung geschriebener mikrometergroßer Text (links) und REM-Bild einer Halbdonut-Struktur (rechts). Die Maßstabsbalken der linken und rechten Bilder repräsentieren 50 bzw. 1 µm. e) Schema der 3D-Kolloidanordnung. f ) Diverse 3D-Kolloidanordnungen (links) und Packung von NP (rechts). Der Maßstabsbalken stellt 10 µm (schwarz) und 1 µm (weiß) dar. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)
Der Durchbruch ermöglicht die präzise Abstimmung der optischen und strukturellen Eigenschaften von Submikron-Säulen durch die Mischung von Partikelgrößen und Nanomaterialien. Als Machbarkeitsnachweis demonstrieren die Forscher auf Feuchtigkeit reagierende NP-/Biomaterial-Aktuatoren. Dieser grundlegende Fortschritt schafft eine äußerst vielseitige und zugängliche Plattform für die Entwicklung maßgeschneiderter Plasmonen Metamaterialien.
Diese kostengünstige Lösungsverarbeitungstechnik mit hohem Durchsatz ermöglicht die Abstimmung optischer Eigenschaften durch Mischen von Partikelgrößen und Materialien innerhalb einer einzigen Säule. Die Forscher zeigen mögliche Anwendungen wie feuchtigkeitsempfindliche Nanoaktoren. Der Fortschritt schafft eine äußerst vielseitige Plattform zur Herstellung maßgeschneiderter plasmonischer 3D-Strukturen Nanophotonik, Photokatalyse und nanoskalige Geräte.
Die wichtigste Innovation liegt in der Verkleinerung und Neuinterpretation der grundlegenden Mechanik eines Tintenstifts. Auf der Makroskala sind Füllfederhalter darauf angewiesen, dass kontinuierlich feuchte Tinte zugeführt wird, während das Lösungsmittel auf dem Papier verdunstet. Das Forschungsteam entwarf ein konisches Mikrokapillarröhrchen aus Glas, das diesen Schreibvorgang auf mikroskopischer Ebene nachahmt.
Beim Eintauchen in kolloidale NP-Tinte bildet die schmale Röhrchenspitze eine verdunstende Kapillarbrücke von nur wenigen Mikrometern Breite. Während sich die Tinte an dieser winzigen Grenzfläche selbst anordnet, können Forscher Säulen aufbauen, die von hexagonal gepackten Kugeln bis hin zu helikalen Nanostrukturen reichen. Das Ändern der Partikelkonzentration in der Tinte oder das Mischen zweier verschiedener NP-Lösungen ermöglicht die präzise Abstimmung von 3D-Architekturen.
Beispielsweise erhöht die Kombination von 80-nm-Gold-NPs (AuNPs) mit kleineren 20-nm-AuNPs die maximale Säulenhöhe erheblich. Dies geschieht, weil die nanoporöse Anordnung das kapillare Aufsteigen der Flüssigkeit innerhalb der 3D-Säule ermöglicht und so die Verdunstungsfläche vergrößert, um den Tintenfluss wieder aufzufüllen. Dadurch wird die Wachstumsgeschwindigkeit nicht mehr durch die Diffusion der kleiner werdenden Kapillarbrücke begrenzt.
Die theoretische Analyse des Teams liefert Gleichungen, die Herstellungsparameter wie Feuchtigkeit und Partikeldichte mit experimentell gemessenen Säulenausdehnungsraten in Beziehung setzen. Dieses Maß an quantitativen Erkenntnissen wird für diejenigen von unschätzbarem Wert sein, die die Technik für bestimmte Anwendungen anpassen möchten.
Als Machbarkeitsnachweis demonstrierten die Forscher mithilfe des NFP verschiedene optische Abstimmbarkeiten. Das Mischen von AuNPs und Silber-NPs ergab selbstorganisierte Halb-Donut-Formen mit gleichmäßig verteilter Zusammensetzung. Durch die Veränderung der Anteile kleiner und großer AuNPs entstanden Säulennanostrukturen mit kontrollierten Lichtabsorptionseigenschaften.
Das Team druckte asymmetrische „Janus“-Säulen mit NP-Tinte auf der einen Seite und einer funktionellen biologischen Tinte mit stäbchenförmigen M13-Bakteriophagen auf der anderen Seite. Die Reaktionsfähigkeit von M13 auf Feuchtigkeitsgradienten führte zu reversiblen Biegebewegungen, wodurch im Wesentlichen feuchtigkeitsgesteuerte Miniaturaktuatoren aus den zweiseitigen Säulen entstanden.
Vertikales Wachstum eines binären kolloidalen Clusters. a) Serie optischer Mikroaufnahmen, die das vertikale Wachstum des binären kolloidalen Clusters zeigen. Der Maßstabsbalken repräsentiert 50 µm. b) Verfügbare Wachstumsgeschwindigkeiten basierend auf der 80-nm-AuNP-Lösung. c) Verfügbare Wachstumsgeschwindigkeiten basierend auf der 20-nm-AuNP-Lösung gemischt mit 2 Partikeln = fL einer 80-nm-AuNP-Lösung. d) REM-Bilder der Mikropillen, die in (c) mit I, II, III und IV gekennzeichnet sind. Der Maßstabsbalken repräsentiert 10 µm. e) REM-Bilder der Nanostrukturen der Mikropillen, die in (d) mit I, II und III gekennzeichnet sind. Der Maßstabsbalken repräsentiert 200 nm. f) FESEM-Bild einer mit FIB gefrästen Mikrosäule. Der Maßstabsbalken repräsentiert 5 µm. g) FESEM-Bild des Querschnitts einer Mikropille, die aus einer einzelnen (links) und einer binären Zusammensetzung (rechts) besteht. Der Maßstabsbalken repräsentiert 200 nm. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)
Dies regt Ideen zur Herstellung noch komplexerer kolloidaler Maschinen durch die Einbeziehung verschiedener an Nanomaterialien, Katalysatoren oder Proteine in einer einzigen 3D-gedruckten Säule. Die Breite der Möglichkeiten verdeutlicht, wie das täuschend einfache Stift-auf-Papier-Konzept der Forscher den Werkzeugkasten für fortgeschrittenes Nanoengineering grundlegend erweitert.
Die Methode des Verdunstungsfüllfederhalters umgeht auch Einschränkungen, die alternativen Herstellungsstrategien im Wege stehen. Methoden, die auf Fest-Flüssigkeit-Grenzflächengradienten basieren, können die Selbstorganisation von Partikeln nur in einer oder zwei Dimensionen nutzen. Neuere schablonengesteuerte 3D-Druckansätze haben erfolgreich zentimeterhohe plasmonische Übergitter gebaut. Es fällt ihnen jedoch schwer, kleine Mengen maßgeschneiderter Säulendesigns herzustellen, die für die iterative Nanotechnik benötigt werden.
Es gibt auch einen Kompromiss zwischen Musterkomplexität und großräumiger Gleichmäßigkeit, da die Nanostrukturen immer noch über einen ausgedehnten Verdunstungsbereich und nicht über eine begrenzte Zone wachsen. Dies führt zu praktischen Herausforderungen für die effiziente Umsetzung laborbasierter Innovationen in spezialisierte Module und Nanogeräte.
Die beschriebene NFP-Technik funktioniert im Wesentlichen wie ein schrumpfender 3D-Drucker, jedoch mit natürlich geführter und nicht von außen auferlegter Montage. Die Lokalisierung aller Elemente an der mikroskopischen Schnittstelle zwischen Oberfläche und Stiftspitze ermöglicht eine hervorragende räumlich-zeitliche Kontrolle ohne Einbußen bei der Skalierbarkeit.
Die daraus resultierende Fähigkeit, Parameter während der Herstellung kontinuierlich zu ändern und heterogene Säulen mit einer Breite von weniger als 10 Mikrometern zu konstruieren, eröffnet neue Horizonte für das schnelle Nanoprototyping. Man kann sich vorstellen, dass Wissenschaftler im Handumdrehen maßgeschneiderte NP-Strukturen entwerfen, um Leistungsziele zu erreichen oder verschiedenen Zwecken innerhalb eines integrierten Nanosystems zu dienen.
Diese bahnbrechende Studie bietet eine starke Grundlage für viele spannende Richtungen. Die nächste Phase beinhaltet die Ausweitung auf weitere Nanopartikeltypen und Tinten mit einem breiteren Spektrum an Funktionalitäten über die Plasmonik hinaus. Forscher müssen auch die Druckgeschwindigkeit, die Stabilität der Architektur und die Schnittstellengrößen optimieren, um die Grenzen zu überschreiten.
Eine weitere wichtige Aufgabe wird die Untersuchung alternativer Substrate sein, da die derzeitige Abhängigkeit von Silica-Wafern Herausforderungen bei der Integration von Nanostrukturen in Geräte oder auf nichtplanaren Oberflächen mit sich bringt. Schließlich kann die Erforschung von Reservoir-Engineering oder Multi-Pen-Techniken die einstellbare Zusammensetzungskomplexität für die 3D-Kolloidanordnung weiter erweitern.
Die Füllfederhaltermethode der Forscher stellt einen entscheidenden Fortschritt in der Nanofabrikation dar und kombiniert die vielseitigen Vorteile der gerichteten Montage mit der Skalierbarkeit der Selbstorganisation. Diese Studie verwandelt im Wesentlichen einen alltäglichen Trocknungsstift in eine leistungsstarke und dennoch zugängliche Nanostrukturierungsplattform.
Die beschriebene Technik kann als ideale Brücke zwischen nanowissenschaftlicher Forschung und realer Technologieentwicklung dienen. Die Fähigkeit, vielfältige Nanostrukturzusammensetzungen und -geometrien zu testen, erleichtert das schnelle Prototyping zur Optimierung von Designs für Zielanwendungen. Inzwischen ermöglicht die vorhersehbare Physik, die auf eine winzige Schnittstelle beschränkt ist, eine einfache Skalierung für die Massenproduktion.
Die kommerziellen und gesellschaftlichen Auswirkungen könnten tiefgreifend sein, da Forscher die Generalisierbarkeit dieses Ansatzes über Sektoren hinweg nutzen. Im biomedizinischen Bereich könnten maßgeschneiderte 3D-Nukleinsäure-Nanostrukturen eine gezielte Arzneimittelabgabe oder die Transfektion einzelner Zellen ermöglichen. Plasmonische Säulen mit programmierbaren optischen Resonanzen könnten die Grundlage für hochempfindliche molekulare Detektionsplattformen bilden. Die Kombination von Metamaterialien mithilfe dieser Technik kann zu verbesserten katalytischen Prozessen und Energieumwandlungssystemen führen.
Mit Blick auf die Zukunft gibt es zahlreiche Möglichkeiten für die Integration von Multimaterialdruck, funktionalen Nanopartikeltinten und 3D-Musterung auf nichtplanaren Oberflächen – was die Designkomplexität erheblich steigert.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
Copyright ©
Nanowerk LLC
Werden Sie Spotlight-Gastautor! Schließen Sie sich unserer großen und wachsenden Gruppe von an Gastbeitragende. Haben Sie gerade eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht oder haben Sie andere aufregende Entwicklungen, die Sie der Nanotechnologie-Community mitteilen möchten? Hier erfahren Sie, wie Sie auf nanowerk.com veröffentlichen.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
- PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
- PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
- Quelle: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
- :hast
- :Ist
- :Wo
- $UP
- 1
- 10
- 20
- 31
- 32
- 3d
- 3D Printing
- 50
- 7
- 8
- 80
- 9
- a
- zugänglich
- über
- automatisch
- vorantreiben
- advanced
- Förderung
- Vorteilen
- voraus
- erlaubt
- ebenfalls
- Alternative
- an
- Analyse
- und
- Ein anderer
- Anwendungen
- Ansatz
- Ansätze
- Architektur
- Bereich
- Feld
- AS
- Versammlung
- At
- Autor
- Autonom
- verfügbar
- b
- Zurück
- Balance
- Bar
- Riegel
- Base
- basierend
- basic
- Grundlage
- BE
- weil
- Sein
- Berger
- zwischen
- Beyond
- biomedizinische
- Schwarz
- leer
- Bücher
- Boosts
- Grenzen
- Breite
- Durchbruch
- BRIDGE
- erweitern
- bauen
- erbaut
- aber
- by
- namens
- CAN
- kann keine
- Kapazität
- Katalysatoren
- Zelle
- Center
- challenges
- Herausforderungen
- Ändern
- Chemie
- Cluster
- gemeinsam
- Kombinationen
- Vereinigung
- kommerziell
- community
- Komplex
- Komplexität
- zusammengesetzt
- Zusammensetzung
- Konzentration
- konzept
- konstruieren
- ständig
- Smartgeräte App
- gesteuert
- Regelung
- Umwandlung (Conversion)
- könnte
- erstellen
- Erstellen
- Kreativ (Creative)
- kritischem
- Cross
- Strom
- Original
- maßgeschneiderte
- tanzen
- Datum
- Lieferanten
- zeigen
- Synergie
- Dichte
- Design
- entworfen
- Entwerfen
- Designs
- Entdeckung
- entwickelt
- Entwicklung
- Entwicklungen
- Geräte
- anders
- Rundfunk
- Größe
- abnehmender
- Direkt
- gerichtet
- Richtungen
- Entdeckung
- verteilt
- verteilt
- verschieden
- nach unten
- Medikament
- Drug Delivery
- e
- effizient
- Elektronen
- ermöglichen
- ermöglicht
- Endlos
- dauerhaft
- Energie
- Entwicklung
- Ingenieure
- verbesserte
- vorstellen
- Gleichungen
- im Wesentlichen
- etabliert
- Sogar
- gleichmäßig
- jeden Tag
- alles
- Beispiel
- unterhaltsame Programmpunkte
- Ausstellung
- Ausbau
- dehnt sich aus
- Expansion
- Ausnutzen
- Möglichkeiten sondieren
- exponentiell
- exquisit
- umfangreiche
- äußerlich
- äußerst
- erleichtert
- weit
- wenige
- Felder
- Endlich
- Suche nach
- Befund
- Fluss
- Flüssigkeit
- Aussichten für
- Streitkräfte
- unten stehende Formular
- Formen
- Brunnen
- für
- Materials des
- voll
- funktional
- Funktionsumfang
- Funktionen
- fundamental
- grundlegend
- weiter
- Zukunft
- gif
- Glas
- Gold
- Steigungen
- bahnbrechend
- Gruppe an
- Wachsen Sie über sich hinaus
- persönlichem Wachstum
- Wachstum
- GUEST
- geführt
- führen
- das passiert
- Geschirr
- Nutzen
- Haben
- Höhe
- Highlights
- Halten
- Horizons
- Ultraschall
- Hilfe
- aber
- HTTPS
- Hybrid
- i
- ideal
- Ideen
- if
- ii
- iii
- Image
- Bilder
- Einfluss hat
- auferlegten
- in
- einarbeiten
- zunehmend
- Innovation
- Einblick
- integriert
- Integration
- interagiert
- Schnittstelle
- in
- kompliziert
- unschätzbar
- erfindet
- SEINE
- join
- jpg
- nur
- Wesentliche
- Korea
- Mangel
- grosse
- großflächig
- Recht
- führen
- umwandeln
- links
- weniger
- Niveau
- Hebelwirkung
- liegt
- !
- Gefällt mir
- Einschränkungen
- Limitiert
- Logo
- Lang
- länger
- suchen
- verlieren
- kostengünstig
- Maschinen
- gemacht
- Aufrechterhaltung
- um
- Making
- Herstellung
- viele
- markiert
- Masse
- Materialien
- Materie
- maximal
- Kann..
- Mittlerweile
- gemessen
- mechanisch
- Mechanik
- Triff
- Metamaterialien
- Methode
- Methodik
- Methoden
- Michael
- Mitte
- gemischt
- Vermischung
- Module
- Molekular-
- mehr
- Bewegungen
- sollen
- Name
- Nanomaterialien
- Nanophotonik
- Nanotechnologie
- erforderlich
- Neu
- neue Horizonte
- weiter
- NFP
- nicht
- auftreten
- of
- on
- EINEM
- einzige
- Eröffnung
- Optimieren
- or
- Organisation
- Andere
- UNSERE
- übrig
- besitzen
- verpackt
- Papier
- Paradigma
- Parameter
- Teilchen
- Schnittmuster
- Leistung
- Erlaubnis
- Phase
- Phänomen
- PHP
- Physik
- Säule
- Säulen
- zentrale
- Plattform
- Plattformen
- Plato
- Datenintelligenz von Plato
- PlatoData
- Posen
- Position
- Möglichkeiten
- Potenzial
- größte treibende
- Praktisch
- präzise
- genau
- Vorhersagbar
- Prozessdefinierung
- anpassen
- Verarbeitung
- Produziert
- Produktion
- tiefgreifende
- programmierbar
- Fortschritt
- Beweis
- Proof of Concept
- immobilien
- Proteine
- Prototyping
- bietet
- veröffentlichen
- veröffentlicht
- Herausgeber
- Zwecke
- Push
- Schieben
- quantitativ
- Quant
- Bereich
- schnell
- Honorar
- lieber
- realen Welt
- kürzlich
- neu denken
- Vertrauen
- verlassen
- bleibt bestehen
- bemerkenswert
- Berichtet
- Reporting
- vertreten
- representiert
- Forschungsprojekte
- Forscher
- Resonanz
- beziehungsweise
- Folge
- was zu
- Recht
- Rise
- königlich
- s
- Skalierbarkeit
- skalierbaren
- Skalieren
- Waage
- Skalierung
- Schema
- wissenschaftlich
- Wissenschaftler
- Abschnitt
- Sektoren
- auf der Suche nach
- SEM
- Modellreihe
- brauchen
- mehrere
- Formen
- Teilen
- verschieben
- Vitrine
- zeigt
- Seite
- bedeutend
- Silbermedaille
- Einfacher
- da
- Single
- Größen
- Fähigkeiten
- klein
- kleinere
- gesellschaftlich
- Gesellschaft
- Lösung
- Lösungen
- Süd
- Südkorea
- spezialisiert
- spezifisch
- Geschwindigkeit
- Geschwindigkeiten
- Scheinwerfer
- Stabilität
- Stapeln
- standardisiert
- Immer noch
- stimuliert
- einfach
- seltsam
- Strategien
- Strategie
- stark
- strukturell
- Struktur
- Strukturen
- Kämpfen
- Studie
- Erfolgreich
- so
- geliefert
- Oberfläche
- Suspensions
- Systeme und Techniken
- zugeschnitten
- Target
- gezielt
- Ziele
- Aufgabe
- Team
- Technik
- Techniken
- Technologies
- Technologie
- Technische Entwicklung
- Test
- Text
- als
- zur Verbesserung der Gesundheitsgerechtigkeit
- Das
- Die Zukunft
- ihr
- theoretisch
- Dort.
- vom Nutzer definierten
- Denken
- fehlen uns die Worte.
- diejenigen
- nach drei
- Durch
- Tip
- zu
- Toolkit
- Werkzeuge
- traditionell
- Transformieren
- Transformationen
- Trend
- XNUMX
- Typen
- entsperrt
- Updates
- URL
- Verwendung von
- Vielfalt
- vielseitig
- vertikal
- vertikal
- Wege
- we
- wann
- während
- Weiß
- breit
- breiter
- werden wir
- mit
- .
- ohne
- Schreiben
- geschrieben
- noch
- ergab
- U
- Ihr
- Zephyrnet