研究者らは多層2Dナノシートを製造するための新しい自己組織化方法を開発した

(Nanowerkニュース) 電子機器が小型化するにつれて、それらを作成するために必要な材料も小型化します。ナノサイエンスは、エネルギー貯蔵、エレクトロニクス、健康と安全の用途などに使用される非常に小さな材料の研究です。今回、米国エネルギー省（DOE）のローレンス・バークレー国立研究所が率いるチームは、多層2Dナノシートを製造するための新しい自己組織化方法を開発した。ナノシートは、ポリマーとナノ粒子の極薄層で作られた非常に小さなラザニアのような素材です。これらのナノシートは、以前の方法と比較して欠陥の数を大幅に減らし、一部の家庭用電化製品の保存寿命を延長します。この新しい方法で合成されたナノシートはリサイクル可能であるため、この方法は埋め立て地に捨てられる必要がある電子デバイスの部品の数を減らす持続可能な製造アプローチも可能にする可能性があります。同チームは、自己組織化ナノシートから多目的で高性能なバリア材料の開発に初めて成功した。研究者らは、DOE のアルゴンヌ国立研究所にある DOE Science Office のユーザー施設である Advanced Photon Source (APS) を利用しました。画期的な成果が雑誌に掲載されました 自然 (“Functional composites by programming entropy-driven nanosheet growth”). 欠陥を最小限に抑える必要がある高性能バリア コー​​ティング用の積層ナノシートのアーティストによる表現。 (画像: Qingteng Zhang/アルゴンヌ国立研究所) 「私たちの研究は、ナノサイエンスにおける長年のハードルを克服するものであり、ナノ材料の合成を製造や商業用途に有用な材料にスケールアップするものです」と、この研究を主導した主任研究者であるバークレー研究所の上級科学者ティン・シューは述べた。 「これは何十年もかけて開発されたものなので、本当にエキサイティングです。」ナノサイエンスを活用して機能性材料を作成する際の課題の 1 つは、多数の小さな断片を組み合わせる必要があることです。 これは、ナノマテリアルが有用な大きさに成長できるようにするためです。 ナノシートの積層は、ナノ材料を製品に成長させる最も簡単な方法の 1 つですが、既存のナノシートを扱う場合、「積層欠陥」（ナノシート間の隙間）は避けられません。 「薄くて平らなタイルから 3D 構造を構築することを想像すると、構造の高さまで層ができていることになります。 ただし、2 つのタイルが接する各レイヤーには隙間ができます」と、元大学院生研究者で現在はバークレー研究所の博士研究員である筆頭著者のエマ ヴァーゴ氏は述べています。 「タイルを大きくして隙間の数を減らしたくなりますが、作業が難しくなります」と Vargo 氏は言います。 新しいナノシート材料は、シートを連続的に積層するアプローチを完全に省略することで、積層欠陥の問題を克服します。 代わりに、チームは自己集合して小さな粒子になることが知られている材料のブレンドを混合しました。 彼らは、溶媒に懸濁した構成材料の交互層を使用しました。 DOEのオークリッジ国立研究所にあるDOE科学局のユーザー施設である破砕中性子源での実験は、研究者がブレンドの自己集合の初期の粗い段階を理解するのに役立った。 溶媒が蒸発すると、小さな粒子が合体し、自然に組織化され、粗いテンプレート層が形成されます。 その後、それらは凝固して緻密なナノシートになります。 このようにして、順序付けられた層が、連続プロセスで 1 つずつ積み重ねられるのではなく、同時に形成されます。 小さな破片は短い距離を移動するだけで組織化され、隙間を埋めることができます。 これにより、大きな「タイル」を移動する際の問題や、それらの間に避けられないギャップが回避されます。 研究者らは、今回の研究に使用された複雑なブレンドには 2 つの理想的な特性があると予測しました。 彼らはまた、新しいナノシートシステムがさまざまな表面化学的性質による影響を最小限に抑えることも期待していました。 これにより、同じブレンドで電子機器のガラススクリーンやポリエステルマスクなどのさまざまな表面に保護バリアを形成できるだろうと彼らは推論した。 いくつかの異なる用途でバリアコーティングとしての材料の性能をテストするために、研究者らは国内最高の研究施設のいくつかの協力を得た。 APSでの実験中、研究者らは、乾燥空気中で溶媒がゆっくりと蒸発する際に、ポリマー、有機小分子、ナノ粒子の混合物が石英毛細管の内壁にどのように膜を形成するかを研究した。 「APS によって生成される素晴らしい X 線と、ビームライン 8-ID-I に配置された洗練された X 線検出器のおかげで、さまざまな長さスケールにわたって各コンポーネントがどのように結合するかを計画することができました」とアルゴンヌ氏は述べています。この論文の共著者である科学者のQingteng Zhang氏はこう語る。 単一のナノ材料からさまざまな産業用途に適した多用途の機能性材料を簡単に合成する方法を実証することに成功したため、研究者らは材料のリサイクル可能性を微調整する計画を立てている。 また、色の調整機能 (現在は青) もレパートリーに追加されます。 APS は包括的なアップグレード中です。

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