10년 2024월 XNUMX일
(나노 워크 스포트라이트) 나노 규모에서 빛을 제어하는 것은 국지적 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이라고 불리는 이상한 양자 역학적 현상을 이용하려는 연구자들을 오랫동안 유혹해 왔습니다. 빛이 금속과 상호작용할 때 나노 입자 (NPs) 파장보다 훨씬 작기 때문에 몇 가지 놀라운 일이 발생합니다. 에너지는 나노미터 핫스팟으로 압축되고, 전자는 공진 주파수에 맞춰 함께 춤을 추며, 광학장은 기하급수적으로 강화되어 빛 기반 기술의 새로운 가능성을 열어줍니다.
그러나 LSPR을 완벽하게 활용하는 복잡한 3D NP 구조를 구성하는 방법이 부족하여 진행 속도가 여전히 느려지고 있습니다. 지속적인 과제는 구성과 아키텍처에 대한 미세 조정 제어를 유지하면서 NP를 수직으로 쌓는 간단하면서도 확장 가능한 방법을 찾는 것입니다. 자기 조립 기술은 NP 클러스터를 자발적으로 성장시킬 수 있지만 전통적인 화학 접근 방식은 특수한 기하학적 구조를 만들거나 의도적으로 입자를 배치하는 데 어려움을 겪습니다.
고체-액체 인터페이스 구배에 의존하는 방법은 3차원 또는 XNUMX차원에서만 입자 자체 조립을 활용할 수 있습니다. 보다 최근의 템플릿 기반 XNUMXD 프린팅 접근 방식은 센티미터 높이의 플라즈몬 초격자를 성공적으로 구축했습니다. 그러나 그들은 반복 작업에 필요한 맞춤형 기둥 디자인의 소규모 배치를 만드는 데 어려움을 겪고 있습니다. 나노공학.
또한 나노구조는 여전히 제한된 영역이 아닌 광범위한 증발 영역에 걸쳐 성장하기 때문에 패턴 복잡성과 대규모 균일성 사이에는 상충 관계가 있습니다. 이는 실험실 기반 혁신을 특수 모듈 및 나노 장치로 효율적으로 변환하는 데 실질적인 과제를 안겨줍니다.
결과 보고 작은 (“하이브리드 플라즈몬 아키텍처 작성을 위한 나노분필”), 한국의 엔지니어와 과학자로 구성된 학제간 팀은 맞춤형 NP 조합으로 만들어진 다양한 자립 "콜로이드 기둥"을 3D 프린팅하기 위한 창의적인 전략을 개발했습니다. 그들은 모세관 흐름과 용매 증발의 균형을 맞춰 NP 현탁액의 유체 자체 조립을 지시하는 특수 만년필을 제작합니다. 이는 본질적으로 물리학을 통해 물질의 자율적 조직을 안내합니다.
만년필에서 영감을 받아 마이크로미터 눈금에 글씨를 썼습니다. a) 만년필을 이용한 글쓰기 방식. b) NP 분산 잉크용 초극세 만년필. 눈금 막대는 5μm를 나타냅니다. c) 점형 콜로이드 조립 방식. d) 콜로이드 어셈블리로 작성된 마이크로미터 크기의 텍스트(왼쪽)와 하프 도넛 구조의 SEM 이미지(오른쪽). 왼쪽과 오른쪽 이미지의 스케일 바는 각각 50과 1μm를 나타냅니다. e) 3D 콜로이드 조립 방식. f ) 다양한 3D 콜로이드 어셈블리(왼쪽) 및 NP 패킹(오른쪽). 스케일 바는 10μm(검은색)과 1μm(흰색)를 나타냅니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨)
이 획기적인 기술을 통해 입자 크기와 나노물질을 혼합하여 서브미크론 기둥의 광학적 및 구조적 특성을 정밀하게 조정할 수 있습니다. 개념 증명으로 연구원들은 습도에 반응하는 NP/생체 재료 액추에이터를 시연합니다. 이러한 근본적인 발전은 맞춤형 플라즈몬 설계를 위한 매우 다양하고 접근 가능한 플랫폼을 구축합니다. 메타 물질.
이 저비용, 고처리량 솔루션 처리 기술을 사용하면 단일 기둥 내에서 입자 크기와 재료를 혼합하여 광학 특성을 조정할 수 있습니다. 연구원들은 습도 반응형 나노액추에이터와 같은 잠재적인 응용 분야를 선보였습니다. 이러한 진보는 맞춤형 3D 플라즈몬 구조를 제작할 수 있는 매우 다재다능한 플랫폼을 구축했습니다. 나노포토닉스, 광촉매 및 나노 규모 장치.
핵심 혁신은 잉크 펜의 기본 메커니즘을 축소하고 재구성하는 데 있습니다. 거시적 규모에서 만년필은 용매가 종이에서 증발하는 동안 지속적으로 공급되는 젖은 잉크에 의존합니다. 연구팀은 미세한 수준에서 이러한 쓰기 과정을 모방하는 테이퍼형 유리 미세모세관을 설계했습니다.
콜로이드 NP 잉크에 담그면 좁은 튜브 팁이 불과 몇 마이크론 너비의 증발 모세관 다리를 형성합니다. 이 작은 인터페이스에서 잉크가 자체 조립되면서 연구자들은 육각형으로 채워진 구체부터 나선형 나노구조까지 다양한 기둥을 끌어올릴 수 있습니다. 잉크의 입자 농도를 변경하거나 두 가지 다른 NP 솔루션을 혼합하면 3D 아키텍처를 정밀하게 조정할 수 있습니다.
예를 들어, 80nm 금 NP(AuNP)와 더 작은 20nm AuNP를 결합하면 최대 기둥 높이가 크게 늘어납니다. 이는 나노다공성 어셈블리가 3D 기둥 내에서 유체의 모세관 상승을 허용하여 잉크 흐름을 보충하기 위한 증발 영역을 증가시키기 때문에 발생합니다. 결과적으로 성장 속도는 감소하는 모세관 교량의 확산으로 인해 더 이상 제한되지 않습니다.
팀의 이론적 분석은 습도 및 입자 밀도와 같은 제조 매개변수를 실험적으로 측정된 기둥 팽창 속도와 연관시키는 방정식을 제공합니다. 이러한 수준의 정량적 통찰력은 특정 응용 분야에 기술을 적용하려는 사람들에게 매우 중요합니다.
개념 증명으로 연구원들은 NFP를 사용하여 다양한 광학 조정 가능성을 시연했습니다. AuNP와 은 NP를 혼합하면 구성이 고르게 분포된 자체 조립된 반도넛 모양이 생성됩니다. 작고 큰 AuNP의 비율을 변경하면 제어된 광 흡수 특성을 나타내는 기둥 나노구조가 생성되었습니다.
연구팀은 한쪽에는 NP 잉크를 사용하고 다른 한쪽에는 막대 모양의 M13 박테리오파지가 포함된 기능성 생물학적 잉크를 사용하여 비대칭 "야누스" 기둥을 인쇄했습니다. 습도 구배에 대한 M13의 반응성은 가역적인 굽힘 동작을 유도하여 본질적으로 양면 기둥에서 소형 습도 구동 액추에이터를 생성했습니다.
이원 콜로이드 클러스터의 수직 성장. a) 이성분 콜로이드 클러스터의 수직 성장을 보여주는 일련의 광학 현미경 사진. 눈금 막대는 50μm를 나타냅니다. b) 80nm AuNP 솔루션을 기준으로 사용 가능한 성장 속도. c) 20nm AuNP 용액과 2입자=fL의 80nm AuNP 용액을 혼합한 10nm AuNP 용액을 기준으로 사용 가능한 성장 속도. d) (c)에서 I, II, III 및 IV로 표시된 미세기둥의 SEM 이미지. 눈금 막대는 200μm를 나타냅니다. e) (d)에서 I, II 및 III으로 표시된 마이크로기둥의 나노구조에 대한 SEM 이미지. 눈금 막대는 5nm를 나타냅니다. f) FIB로 밀링된 마이크로기둥의 FESEM 이미지. 눈금 막대는 200μm를 나타냅니다. g) 단일 구성(왼쪽)과 이진 구성(오른쪽)으로 구성된 마이크로기둥 단면의 FESEM 이미지. 눈금 막대는 XNUMXnm를 나타냅니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨)
이는 다양한 요소를 통합하여 훨씬 더 복잡한 콜로이드 기계를 제조하기 위한 아이디어를 자극합니다. 나노 재료, 단일 3D 프린팅 기둥 내의 촉매 또는 단백질. 가능성의 폭은 연구자들의 믿을 수 없을 정도로 단순한 종이 위에 펜으로 그리는 개념이 어떻게 고급 나노공학을 위한 툴킷을 근본적으로 확장하는지를 강조합니다.
증발식 만년필 방법론은 대체 제조 전략을 방해하는 한계도 우회합니다. 고체-액체 인터페이스 구배에 의존하는 방법은 1차원 또는 2차원에서만 입자 자체 조립을 활용할 수 있습니다. 보다 최근의 템플릿 기반 3D 프린팅 접근 방식은 센티미터 높이의 플라즈몬 초격자를 성공적으로 구축했습니다. 그러나 그들은 반복적인 나노 엔지니어링에 필요한 맞춤형 기둥 디자인의 작은 배치를 만드는 데 어려움을 겪고 있습니다.
또한 나노구조는 여전히 제한된 영역이 아닌 광범위한 증발 영역에 걸쳐 성장하기 때문에 패턴 복잡성과 대규모 균일성 사이에는 상충 관계가 있습니다. 이는 실험실 기반 혁신을 특수 모듈 및 나노 장치로 효율적으로 변환하는 데 실질적인 과제를 안겨줍니다.
보고된 NFP 기술은 본질적으로 축소형 3D 프린터로 기능하지만 외부에서 조립하기보다는 자연스럽게 안내됩니다. 표면과 펜촉 사이의 미세한 인터페이스에 모든 것을 위치화하면 확장성을 잃지 않고 절묘한 시공간 제어가 가능합니다.
제작 중간에 매개변수를 지속적으로 변경하고 폭이 10미크론 미만인 이종 기둥을 구성할 수 있는 능력은 신속한 나노프로토타이핑을 위한 새로운 지평을 열어줍니다. 과학자들이 성능 목표를 달성하거나 통합된 나노시스템 내에서 다양한 목적을 달성하기 위해 즉석에서 맞춤형 NP 구조를 설계하는 것을 상상할 수 있습니다.
이 획기적인 연구는 많은 흥미로운 방향에 대한 강력한 기반을 제공합니다. 다음 단계에서는 플라즈모닉을 넘어 더 다양한 기능을 갖춘 더 많은 나노입자 유형과 잉크로 확장하는 작업이 수반됩니다. 연구자들은 또한 한계를 뛰어넘기 위해 인쇄 속도, 아키텍처 안정성 및 인터페이스 크기를 최적화해야 합니다.
또 다른 중요한 작업은 현재 실리카 웨이퍼에 대한 의존으로 인해 장치 내 또는 비평면 표면에 나노 구조를 통합하는 데 어려움을 겪고 있기 때문에 대체 기판을 조사하는 것입니다. 마지막으로 저장소 엔지니어링 또는 다중 펜 기술을 탐색하면 3D 콜로이드 어셈블리에 대한 조정 가능한 구성 복잡성을 더욱 확대할 수 있습니다.
연구진의 만년필 방법론은 직접 조립의 다양한 장점과 자가 조립의 확장성을 결합한 나노 제조의 중추적인 발전을 나타냅니다. 이 연구는 본질적으로 일상적인 건조용 펜을 강력하면서도 접근 가능한 나노패터닝 플랫폼으로 변환합니다.
보고된 기술은 나노과학 연구와 실제 기술 개발 사이의 이상적인 가교 역할을 할 수 있습니다. 광범위한 나노 구조 구성 및 기하학적 구조를 테스트할 수 있는 능력은 신속한 프로토타이핑을 촉진하여 대상 응용 분야에 대한 설계를 최적화합니다. 한편, 작은 인터페이스에 국한된 예측 가능한 물리학을 통해 대량 생산을 위한 간단한 확장이 가능합니다.
연구자들이 부문 전반에 걸쳐 이러한 접근 방식의 일반화 가능성을 활용하면 상업적, 사회적 영향이 엄청날 수 있습니다. 생의학적 측면에서 맞춤형 3D 핵산 나노구조는 표적 약물 전달이나 단일 세포 형질감염을 가능하게 할 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 광학 공명을 갖춘 플라즈몬 기둥은 초고감도 분자 검출 플랫폼의 기초를 형성할 수 있습니다. 이 기술을 사용한 혼합 및 일치 메타물질은 향상된 촉매 공정 및 에너지 변환 시스템으로 이어질 수 있습니다.
앞으로는 다중 재료 인쇄, 기능성 나노입자 잉크, 3D 패터닝을 비평면 표면에 통합하여 설계 복잡성을 크게 확대할 수 있는 가능성이 무궁무진합니다.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
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