Forscher entwickelten eine neue Selbstorganisationsmethode zur Herstellung mehrschichtiger 2D-Nanoblätter

(Nanowerk-Neuigkeiten) Je kleiner elektronische Geräte werden, desto kleiner werden auch die Materialien, die zu ihrer Herstellung benötigt werden. Unter Nanowissenschaften versteht man die Untersuchung extrem kleiner Materialien, die in der Energiespeicherung, in der Elektronik, in Gesundheits- und Sicherheitsanwendungen und mehr Verwendung finden. Jetzt hat ein Team unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine neue Selbstorganisationsmethode zur Herstellung mehrschichtiger 2D-Nanoblätter entwickelt. Ein Nanoblatt ist ein extrem kleines, lasagneartiges Material, das aus ultradünnen Schichten von Polymeren und Nanopartikeln besteht. Diese Nanoblätter haben die Anzahl der Defekte im Vergleich zu früheren Methoden deutlich reduziert, was die Haltbarkeit einiger Unterhaltungselektronik verlängern wird. Da die mit dieser neuen Methode synthetisierten Nanoblätter recycelbar sind, könnte diese Methode auch einen nachhaltigen Herstellungsansatz ermöglichen, der die Anzahl der Teile eines elektronischen Geräts reduziert, die auf Mülldeponien entsorgt werden müssen. Das Team ist das erste, das erfolgreich ein vielseitiges, leistungsstarkes Barrierematerial aus selbstorganisierenden Nanoblättern entwickelt. Die Forscher nutzten die Advanced Photon Source (APS), eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Argonne National Laboratory des DOE. Über den Durchbruch wurde in der Zeitschrift berichtet Natur (“Functional composites by programming entropy-driven nanosheet growth”). Künstlerische Darstellung gestapelter Nanoblätter für eine Hochleistungsbarrierebeschichtung, die eine Minimierung von Defekten erfordert. (Bild: Qingteng Zhang/Argonne National Laboratory) „Unsere Arbeit überwindet eine seit langem bestehende Hürde in der Nanowissenschaft – die Ausweitung der Nanomaterialsynthese zu nützlichen Materialien für die Herstellung und kommerzielle Anwendungen“, sagte Ting Xu, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab, der Hauptforscher, der die Studie leitete. „Es ist wirklich aufregend, denn die Entwicklung hat Jahrzehnte gedauert.“ Eine Herausforderung bei der Nutzung der Nanowissenschaften zur Herstellung funktioneller Materialien besteht darin, dass viele kleine Teile zusammengefügt werden müssen. Auf diese Weise kann das Nanomaterial groß genug werden, um nützlich zu sein. Während das Stapeln von Nanoblättern eine der einfachsten Möglichkeiten ist, Nanomaterialien zu einem Produkt zu verarbeiten, sind „Stapelfehler“ – Lücken zwischen den Nanoblättern – bei der Arbeit mit vorhandenen Nanoblättern unvermeidbar. „Wenn Sie sich den Aufbau einer 3D-Struktur aus dünnen, flachen Fliesen vorstellen, entstehen Schichten über die gesamte Höhe der Struktur. Aber überall dort, wo zwei Kacheln aufeinandertreffen, entstehen Lücken in jeder Schicht“, sagte Erstautorin Emma Vargo, eine ehemalige Doktorandin und jetzt Postdoktorandin am Berkeley Lab. „Es ist verlockend, die Anzahl der Lücken zu verringern, indem man die Fliesen vergrößert, aber es wird schwieriger, mit ihnen zu arbeiten“, sagte Vargo. Das neue Nanoblattmaterial überwindet das Problem von Stapelfehlern, indem es den Ansatz der seriell gestapelten Blätter vollständig überspringt. Stattdessen mischte das Team Materialmischungen, von denen bekannt ist, dass sie sich selbst zu kleinen Partikeln zusammensetzen. Sie verwendeten abwechselnde Schichten der Komponentenmaterialien, suspendiert in einem Lösungsmittel. Experimente an der Spallation Neutron Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Oak Ridge National Laboratory des DOE, halfen den Forschern, die frühen, groben Stadien der Selbstorganisation der Mischungen zu verstehen. Wenn das Lösungsmittel verdunstet, verschmelzen die kleinen Partikel und organisieren sich spontan, wodurch grobe Schichten entstehen. Anschließend verfestigen sie sich zu dichten Nanoplättchen. Auf diese Weise bilden sich die geordneten Schichten gleichzeitig und werden nicht in einem seriellen Prozess einzeln gestapelt. Die kleinen Teile müssen nur kurze Strecken zurücklegen, um sich zu organisieren und Lücken zu schließen. Dadurch werden die Probleme beim Verschieben größerer „Kacheln“ und die unvermeidlichen Lücken zwischen ihnen vermieden. Die Forscher sagten voraus, dass die komplexe Mischung, die für die aktuelle Studie verwendet wurde, zwei ideale Eigenschaften aufweisen würde. Sie erwarteten auch, dass das neue Nanoblattsystem durch unterschiedliche Oberflächenchemien nur minimal beeinflusst werden würde. Dies, so argumentierten sie, würde es ermöglichen, dass dieselbe Mischung eine Schutzbarriere auf einer Vielzahl von Oberflächen bildet, beispielsweise auf dem Glasbildschirm eines elektronischen Geräts oder einer Polyestermaske. Um die Leistung des Materials als Barrierebeschichtung in verschiedenen Anwendungen zu testen, haben die Forscher die Hilfe einiger der besten Forschungseinrichtungen des Landes in Anspruch genommen. Bei Experimenten am APS untersuchten die Forscher, wie eine Mischung aus Polymeren, organischen Kleinmolekülen und Nanopartikeln einen Film auf der Innenwand eines Quarzkapillarrohrs bildet, wenn das Lösungsmittel in trockener Luft langsam verdunstet. „Dank der brillanten Röntgenstrahlen, die vom APS erzeugt werden, und des hochentwickelten Röntgendetektors, der an Beamline 8-ID-I stationiert ist, konnten wir herausfinden, wie jede Komponente über einen weiten Bereich von Längenskalen zusammenwirkt“, sagte Argonne Wissenschaftler Qingteng Zhang, Mitautor des Artikels. Nachdem sie nun erfolgreich demonstriert haben, wie man aus einem einzigen Nanomaterial auf einfache Weise ein vielseitiges Funktionsmaterial für verschiedene industrielle Anwendungen synthetisieren kann, planen die Forscher, die Recyclingfähigkeit des Materials zu optimieren. Sie werden auch die Farbabstimmbarkeit (derzeit in Blau erhältlich) zu ihrem Repertoire hinzufügen. Das APS wird einem umfassenden Upgrade unterzogen.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64533.php