Onderzoekers ontwikkelden een nieuwe zelfassemblagemethode om meerlaagse 2D-nanosheets te vervaardigen

(Nanowerk Nieuws) Naarmate elektronische apparaten kleiner worden, worden de materialen die nodig zijn om ze te maken ook kleiner. Nanowetenschap is de studie van extreem kleine materialen die gebruikt kunnen worden in energieopslag, elektronica, gezondheids- en veiligheidstoepassingen en meer. Nu heeft een team onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) een nieuwe zelfassemblagemethode ontwikkeld om meerlaagse 2D-nanosheets te vervaardigen. Een nanosheet is een extreem klein, lasagne-achtig materiaal gemaakt van ultradunne laagjes polymeren en nanodeeltjes. Deze nanosheets hebben het aantal defecten aanzienlijk verminderd in vergelijking met eerdere methoden, waardoor de houdbaarheid van sommige consumentenelektronica wordt verlengd. Omdat de nanosheets die met deze nieuwe methode worden gesynthetiseerd recyclebaar zijn, zou deze methode ook een duurzame productieaanpak mogelijk kunnen maken die het aantal onderdelen van een elektronisch apparaat vermindert dat op stortplaatsen moet worden gedumpt. Het team is het eerste team dat met succes een multifunctioneel, hoogwaardig barrièremateriaal heeft ontwikkeld op basis van zelfassemblerende nanosheets. Onderzoekers maakten gebruik van de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in het Argonne National Laboratory van DOE. De doorbraak werd gerapporteerd in het tijdschrift NATUUR (“Functional composites by programming entropy-driven nanosheet growth”). Artistieke weergave van gestapelde nanosheets voor hoogwaardige barrièrecoating, die een minimalisatie van defecten vereist. (Afbeelding: Qingteng Zhang/Argonne National Laboratory) “Ons werk overwint een al lang bestaande hindernis in de nanowetenschappen: het opschalen van de synthese van nanomaterialen tot bruikbare materialen voor productie en commerciële toepassingen”, zegt Ting Xu, senior wetenschapper van Berkeley Lab, de hoofdonderzoeker die het onderzoek leidde. “Het is echt spannend, want hier is al tientallen jaren aan gewerkt.” Een uitdaging bij het benutten van nanowetenschap om functionele materialen te creëren is dat veel kleine stukjes bij elkaar moeten komen. Dit is zodat het nanomateriaal groot genoeg kan worden om bruikbaar te zijn. Hoewel het stapelen van nanosheets een van de eenvoudigste manieren is om nanomaterialen tot een product te laten groeien, zijn ‘stapelfouten’ (openingen tussen de nanosheets) onvermijdelijk als je met bestaande nanosheets werkt. “Als je visualiseert dat je een 3D-structuur bouwt van dunne, platte tegels, heb je lagen ter hoogte van de structuur. Maar waar twee tegels samenkomen, zul je ook gaten in elke laag hebben”, zegt eerste auteur Emma Vargo, een voormalige afgestudeerde student-onderzoeker en nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Berkeley Lab. "Het is verleidelijk om het aantal gaten te verkleinen door de tegels groter te maken, maar ze worden moeilijker om mee te werken", zei Vargo. Het nieuwe nanobladmateriaal overwint het probleem van stapeldefecten door de serieel gestapelde plaatbenadering helemaal over te slaan. In plaats daarvan mengde het team mengsels van materialen waarvan bekend is dat ze zichzelf in kleine deeltjes assembleren. Ze gebruikten afwisselende lagen van de samenstellende materialen, gesuspendeerd in een oplosmiddel. Experimenten bij de Spallation Neutron Source, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Oak Ridge National Laboratory van DOE, hielpen de onderzoekers de vroege, grove stadia van de zelfassemblage van de mengsels te begrijpen. Terwijl het oplosmiddel verdampt, vloeien de kleine deeltjes samen en organiseren zich spontaan grove, vormgevende lagen. Ze stollen vervolgens tot dichte nanosheets. Op deze manier worden de geordende lagen gelijktijdig gevormd in plaats van dat ze één voor één in een serieel proces worden gestapeld. De kleine stukjes hoeven slechts korte afstanden af ​​te leggen om georganiseerd te worden en gaten te dichten. Dit vermijdt de problemen van het verplaatsen van grotere “tegels” en de onvermijdelijke gaten ertussen. De onderzoekers voorspelden dat het complexe mengsel dat voor het huidige onderzoek werd gebruikt twee ideale eigenschappen zou hebben. Ze verwachtten ook dat het nieuwe nanosheetsysteem minimaal zou worden beïnvloed door verschillende oppervlaktechemie. Hierdoor, zo redeneerden ze, zou hetzelfde mengsel een beschermende barrière kunnen vormen op verschillende oppervlakken, zoals het glazen scherm van een elektronisch apparaat of een polyester masker. Om de prestaties van het materiaal als barrièrecoating in verschillende toepassingen te testen, hebben de onderzoekers de hulp ingeroepen van enkele van de beste onderzoeksfaciliteiten van het land. Tijdens experimenten bij het APS bestudeerden de onderzoekers hoe een mengsel van polymeren, organische kleine moleculen en nanodeeltjes een film vormt op de binnenwand van een kwartscapillaire buis, wanneer het oplosmiddel in droge lucht langzaam verdampt. “Dankzij de briljante röntgenfoto’s geproduceerd door de APS en de geavanceerde röntgendetector gestationeerd op Beamline 8-ID-I, konden we in kaart brengen hoe elk onderdeel samenkomt over een groot aantal lengteschalen”, aldus Argonne. wetenschapper Qingteng Zhang, een co-auteur van het papier. Nu ze met succes hebben aangetoond hoe ze eenvoudig een veelzijdig functioneel materiaal voor verschillende industriële toepassingen kunnen synthetiseren uit één enkel nanomateriaal, zijn de onderzoekers van plan de recycleerbaarheid van het materiaal te verfijnen. Ze zullen ook kleurafstembaarheid (momenteel in het blauw) aan hun repertoire toevoegen. Het APS ondergaat een uitgebreide upgrade.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64533.php