10. januar 2024
(Nanowerk Spotlight) Kontroll av lys på nanoskala har lenge lokket forskere som ønsker å utnytte et merkelig kvantemekanisk fenomen kalt lokalisert overflateplasmonresonans (LSPR). Når lys samhandler med metallisk nanopartikler (NP-er) langt mindre enn bølgelengden, forekommer flere bemerkelsesverdige ting. Energi blir komprimert til nanometriske hotspots, elektroner danser kollektivt til resonansfrekvenser, og optiske felt intensiveres eksponentielt - åpner nye muligheter for lysbaserte teknologier.
Likevel er fremgangen fortsatt bremset av mangel på metoder for å konstruere intrikate 3D NP-strukturer som fullt ut utnytter LSPR. Den varige utfordringen er å finne enkle, men skalerbare måter å stable NP-er vertikalt samtidig som du opprettholder finjustert kontroll over komposisjon og arkitektur. Selvmonteringsteknikker kan spontant vokse NP-klynger, men tradisjonelle kjemitilnærminger sliter med å lage spesialiserte geometrier eller posisjonere partikler bevisst.
Metoder som er avhengige av faststoff-væske grensesnittgradienter kan bare utnytte partikkelselvmontering i én eller to dimensjoner. Nyere malveiledet 3D-utskriftstilnærminger har med suksess bygget centimeterhøye plasmoniske supergitter. Imidlertid sliter de med å lage små grupper med tilpassede søyledesign som trengs for iterativ nanoingeniør.
Det er også en avveining mellom mønsterkompleksitet og storskala ensartethet siden nanostrukturene fortsatt vokser over et omfattende fordampningsområde i stedet for en begrenset sone. Dette fører til praktiske utfordringer for å effektivt oversette laboratoriebasert innovasjon til spesialiserte moduler og nanoenheter.
Rapportere funnene sine i Liten ("Nanofyllepenn for å skrive hybride Plasmoniske arkitekturer"), utviklet et tverrfaglig team av ingeniører og forskere fra Sør-Korea en kreativ strategi for å 3D-printe forskjellige frittstående "kolloidale søyler" laget av skreddersydde NP-kombinasjoner. De bygger spesialiserte fyllepenner som balanserer kapillærstrøm og løsningsmiddelfordampning for å styre den flytende selvmonteringen av NP-suspensjoner – i hovedsak veileder den autonome organiseringen av materie gjennom fysikk.
Fyllepenninspirert skrift på mikrometerskalaer. a) Skriveskjema med fyllepenn. b) Ultrafin fyllepenn for NP dispergert blekk. Skalalinjen representerer 5 µμm. c) Skjema for punktlignende kolloidal sammenstilling. d) Tekst i mikrometerstørrelse skrevet av den kolloidale sammenstillingen (venstre) og SEM-bilde av en halv smultringstruktur (til høyre). Målestokkene til venstre og høyre bilde representerer henholdsvis 50 og 1 µm. e) Skjema for 3D kolloidal montering. f ) Diverse 3D kolloidale sammenstillinger (venstre) og pakking av NP (høyre). Skalalinjen representerer 10 µm (svart) og 1 µm (hvit). (Oppgitt med tillatelse av Wiley-VCH Verlag)
Gjennombruddet gjør at optiske og strukturelle egenskaper til sub-mikron-pilarer kan justeres nøyaktig ved å blande partikkelstørrelser og nanomaterialer. Som bevis på konseptet demonstrerer forskerne fuktighetsresponsive NP/biomaterialaktuatorer. Dette grunnleggende fremskrittet etablerer en ekstremt allsidig og tilgjengelig plattform for å designe tilpasset plasmonic metamaterialer.
Denne rimelige løsningsprosesseringsteknikken med høy gjennomstrømning gjør det mulig å justere optiske egenskaper ved å blande partikkelstørrelser og materialer innenfor en enkelt søyle. Forskerne viser frem potensielle bruksområder som nanoaktuatorer som reagerer på fuktighet. Fremskrittet etablerer en ekstremt allsidig plattform for å lage skreddersydde 3D-plasmoniske strukturer for nanofotonikk, fotokatalyse og enheter i nanoskala.
Nøkkelinnovasjonen ligger i nedskalering og reimagining av den grunnleggende mekanikken til en blekkpenn. På makroskala er fyllepenner avhengig av at vått blekk tilføres kontinuerlig mens løsemidlet fordamper på papir. Forskerteamet designet et konisk mikrokapillærrør i glass som etterligner denne skriveprosessen på mikroskopisk nivå.
Når den dyppes i kolloidalt NP-blekk, danner den smale rørspissen en fordampende kapillærbro bare noen få mikron bred. Når blekket monteres selv ved dette lille grensesnittet, kan forskerne trekke opp søyler som spenner fra sekskantet pakkede kuler til spiralformede nanostrukturer. Endring av partikkelkonsentrasjon i blekket eller blanding av to forskjellige NP-løsninger muliggjør nøyaktig justering av 3D-arkitekturer.
For eksempel, å kombinere 80 nm gull-NP-er (AuNP-er) med mindre 20 nm AuNP-er øker den maksimale søylehøyden betydelig. Dette skjer fordi den nanoporøse sammenstillingen tillater kapillær stigning av væske i 3D-søylen, og øker fordampningsområdet for å fylle på blekkstrømmen. Som et resultat er veksthastigheten ikke lenger begrenset av diffusjon fra den avtagende kapillærbroen.
Teamets teoretiske analyse gir ligninger som relaterer fabrikasjonsparametere som fuktighet og partikkeltetthet til eksperimentelt målte søyleekspansjonshastigheter. Dette nivået av kvantitativ innsikt vil være uvurderlig for de som ønsker å tilpasse teknikken for spesifikke bruksområder.
Som et bevis på konseptet demonstrerte forskerne en rekke optiske avstemminger ved hjelp av NFP. Blanding av AuNP-er og sølv-NP-er ga selvmonterte halve smultringformer med jevnt fordelt sammensetning. Endring av proporsjoner av små og store AuNP-er produserte pilar-nanostrukturer som viser kontrollerte lysabsorpsjonsegenskaper.
Teamet trykket asymmetriske "Janus"-søyler med NP-blekk på den ene siden og et funksjonelt biologisk blekk som inneholder stavlignende M13-bakteriofager på den andre. Responsen til M13 på fuktighetsgradienter induserte reversible bøyebevegelser, og skapte i hovedsak miniatyr fuktighetsdrevne aktuatorer ut av de tosidige søylene.
Vertikal vekst av en binær kolloidal klynge. a) Serie med optiske mikrofotografier som viser den vertikale veksten av den binære kolloidale klyngen. Skalaen representerer 50 µm. b) Tilgjengelige veksthastigheter basert på 80 nm AuNP-løsningen. c) Tilgjengelige veksthastigheter basert på 20 nm AuNP-løsningen blandet med 2partikler=fL av 80 nm AuNP-løsning. d) SEM-bilder av mikrosøylene merket som I, II, III og IV i (c). Skalaen representerer 10 µm. e) SEM-bilder av nanostrukturene til mikrosøyler merket som I, II og III i (d). Skalalinjen representerer 200nm. f ) FESEM-bilde av en mikropilar frest med FIB. Skalalinjen representerer 5 µm. g) FESEM-bilde av tverrsnittet av en mikrosøyle som består av en enkelt (venstre) og binær komposisjon (høyre). Skalalinjen representerer 200nm. (Oppgitt med tillatelse av Wiley-VCH Verlag)
Dette stimulerer ideer for å produsere enda mer komplekse kolloidale maskiner ved å inkorporere forskjellige nanomaterialer, katalysatorer eller proteiner innenfor en enkelt 3D-printet søyle. Bredden av muligheter fremhever hvordan forskernes villedende enkle penn-på-papir-konsept fundamentalt utvider verktøysettet for avansert nanoteknikk.
Den evaporative fyllepennmetoden omgår også begrensninger som holder tilbake alternative fabrikasjonsstrategier. Metoder som er avhengige av faststoff-væske grensesnittgradienter kan bare utnytte partikkelselvmontering i én eller to dimensjoner. Nyere malveiledet 3D-utskriftstilnærminger har med suksess bygget centimeterhøye plasmoniske supergitter. Imidlertid sliter de med å lage små grupper av tilpassede søyledesign som er nødvendige for iterativ nanoengineering.
Det er også en avveining mellom mønsterkompleksitet og storskala ensartethet siden nanostrukturene fortsatt vokser over et omfattende fordampningsområde i stedet for en begrenset sone. Dette fører til praktiske utfordringer for å effektivt oversette laboratoriebasert innovasjon til spesialiserte moduler og nanoenheter.
Den rapporterte NFP-teknikken fungerer i hovedsak som en krympende 3D-skriver, men med naturlig veiledet i stedet for eksternt pålagt montering. Lokalisering av alt til det mikroskopiske grensesnittet mellom overflaten og penntuppen muliggjør utsøkt spatiotemporal kontroll uten å miste skalerbarhet.
Den resulterende kapasiteten til kontinuerlig å endre parametere i midten av produksjonen og konstruere heterogene søyler mindre enn 10 mikron brede låser opp nye horisonter for rask nanoprototyping. Man kan se for seg at forskere designer tilpassede NP-strukturer på farten for å møte ytelsesmål eller tjene forskjellige formål innenfor et integrert nanosystem.
Denne gjennombruddsstudien gir et sterkt grunnlag for mange spennende retninger. Den neste fasen innebærer utvidelse til flere nanopartikkeltyper og blekk med et bredere spekter av funksjoner utover plasmonikk. Forskere må også optimalisere utskriftshastighet, arkitekturstabilitet og grensesnittstørrelser for å flytte grensene.
En annen kritisk oppgave vil være å undersøke alternative substrater siden den nåværende avhengigheten av silikawafere utgjør utfordringer for å integrere nanostrukturer i enheter eller på ikke-plane overflater. Til slutt kan utforsking av reservoarteknikk eller multipennteknikker utvide avstembar komposisjonskompleksitet for 3D kolloidal montering ytterligere.
Forskernes fyllepennmetodikk representerer et sentralt fremskritt innen nanofabrikasjon, og kombinerer de allsidige fordelene med rettet montering med skalerbarheten til selvmontering. Denne studien forvandler i hovedsak en daglig tørkepenn til en kraftig, men likevel tilgjengelig nanomønsterplattform.
Den rapporterte teknikken kan tjene som en ideell bro mellom nanovitenskapelig forskning og teknologiutvikling i den virkelige verden. Kapasiteten til å teste omfattende nanostruktursammensetninger og geometrier letter rask prototyping for å optimalisere design for målapplikasjoner. I mellomtiden tillater den forutsigbare fysikken begrenset til et lite grensesnitt enkel oppskalering for masseproduksjon.
Kommersielle og samfunnsmessige konsekvenser kan være dyptgripende ettersom forskere utnytter generaliserbarheten til denne tilnærmingen på tvers av sektorer. På den biomedisinske fronten kan tilpassede 3D-nukleinsyrenanostrukturer muliggjøre målrettet medikamentlevering eller enkeltcelletransfeksjon. Plasmoniske søyler med programmerbare optiske resonanser kan danne grunnlaget for ultrasensitive molekylære deteksjonsplattformer. Bland-og-match-metamaterialer som bruker teknikken kan føre til forbedrede katalytiske prosesser og energikonverteringssystemer.
Når vi ser fremover, er det mange muligheter for å inkorporere utskrift av flere materialer, funksjonelt nanopartikkelblekk og 3D-mønster på ikke-plane overflater – noe som øker designkompleksiteten betydelig.
– Michael er forfatter av tre bøker av Royal Society of Chemistry:
Nano-samfunnet: Skyver teknologiens grenser,
Nanoteknologi: Fremtiden er litenog
Nanoengineering: Ferdighetene og verktøyene som gjør teknologien usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gjesteforfatter! Bli med i vår store og voksende gruppe gjestebidragere. Har du nettopp publisert en vitenskapelig artikkel eller har andre spennende utvikling å dele med nanoteknologisamfunnet? Slik publiserer du på nanowerk.com.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
- : har
- :er
- :hvor
- $OPP
- 1
- 10
- 20
- 31
- 32
- 3d
- 3D Utskrift
- 50
- 7
- 8
- 80
- 9
- a
- tilgjengelig
- tvers
- tilpasse
- avansere
- avansert
- forfremmelse
- fordeler
- fremover
- tillater
- også
- alternativ
- an
- analyse
- og
- En annen
- søknader
- tilnærming
- tilnærminger
- arkitektur
- AREA
- Array
- AS
- Montering
- At
- forfatter
- autonom
- tilgjengelig
- b
- tilbake
- Balansere
- Bar
- barer
- basen
- basert
- grunnleggende
- basis
- BE
- fordi
- være
- Berger
- mellom
- Beyond
- biomedisinsk
- Svart
- blank
- bøker
- øker
- grenser
- bredde
- gjennombrudd
- BRO
- utvide
- bygge
- bygget
- men
- by
- som heter
- CAN
- kan ikke
- Kapasitet
- katalysatorer
- celle
- sentrum
- utfordre
- utfordringer
- endring
- kjemi
- Cluster
- samlet sett
- kombinasjoner
- kombinere
- kommersiell
- samfunnet
- komplekse
- kompleksitet
- komponert
- sammensetning
- konsentrasjon
- konsept
- konstruere
- kontinuerlig
- kontroll
- kontrolleres
- kontrollerende
- Konvertering
- kunne
- skape
- Opprette
- Kreativ
- kritisk
- Kryss
- Gjeldende
- skikk
- tilpasset
- danse
- Dato
- levering
- demonstrere
- demonstrert
- tetthet
- utforming
- designet
- utforme
- design
- Gjenkjenning
- utviklet
- Utvikling
- utviklingen
- Enheter
- forskjellig
- kringkasting
- dimensjoner
- avtagende
- direkte
- regissert
- retninger
- Funnet
- fordelt
- distribueres
- diverse
- ned
- medikament
- Levering av legemidler
- e
- effektivt
- elektroner
- muliggjøre
- muliggjør
- Endless
- varig
- energi
- Ingeniørarbeid
- Ingeniører
- forbedret
- se for meg
- ligninger
- hovedsak
- etablerer
- Selv
- jevnt
- hverdagen
- alt
- eksempel
- spennende
- utviser
- ekspanderende
- utvides
- utvidelse
- Exploit
- Utforske
- eksponentielt
- utsøkt
- omfattende
- eksternt
- ekstremt
- forenkler
- langt
- Noen få
- Felt
- Endelig
- finne
- funn
- flyten
- væske
- Til
- Krefter
- skjema
- skjemaer
- fontene
- fra
- foran
- fullt
- funksjonelle
- funksjonalitet
- funksjoner
- fundamental
- fundamentalt
- videre
- framtid
- gif
- glass
- Gull
- gradienter
- banebrytende
- Gruppe
- Grow
- Økende
- Vekst
- Gjest
- guidet
- førings
- skjer
- seletøy
- Utnyttelse
- Ha
- høyde
- striper
- holder
- Horizons
- Hvordan
- Hvordan
- Men
- HTTPS
- Hybrid
- i
- ideell
- Ideer
- if
- ii
- iii
- bilde
- bilder
- Konsekvenser
- pålagt
- in
- innlemme
- økende
- Innovasjon
- innsikt
- integrert
- Integrering
- interaktiv
- Interface
- inn
- innviklet
- uvurderlig
- oppfinner
- DET ER
- bli medlem
- jpg
- bare
- nøkkel
- korea
- maling
- stor
- storskala
- Law
- føre
- Fører
- venstre
- mindre
- Nivå
- Leverage
- ligger
- lett
- i likhet med
- begrensninger
- Begrenset
- logo
- Lang
- lenger
- ser
- å miste
- lave kostnader
- maskiner
- laget
- opprettholde
- gjøre
- Making
- produksjon
- mange
- merket
- Mass
- materialer
- Saken
- maksimal
- Kan..
- Mellomtiden
- målte
- mekanisk
- mekanikk
- Møt
- metamaterialer
- metode
- metodikk
- metoder
- Michael
- Middle
- blandet
- Blanding
- Moduler
- molekyl~~POS=TRUNC
- mer
- bevegelser
- må
- navn
- Nanomaterialer
- nanofotonikk
- nanoteknologi
- nødvendig
- Ny
- nye horisonter
- neste
- NFP
- Nei.
- forekomme
- of
- on
- ONE
- bare
- åpning
- Optimalisere
- or
- organisasjon
- Annen
- vår
- ut
- enn
- egen
- pakket
- Papir
- paradigmet
- parametere
- partikkel~~POS=TRUNC
- Mønster
- ytelse
- tillatelse
- fase
- fenomen
- PHP
- Fysikk
- Pillar
- søyler
- sentral
- plattform
- Plattformer
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- positurer
- posisjon
- muligheter
- potensiell
- kraftig
- Praktisk
- presis
- nettopp
- Forutsigbar
- Skrive ut
- utskrift
- prosess
- Prosesser
- prosessering
- produsert
- Produksjon
- dyp
- programmerbar
- Progress
- bevis
- proof of concept
- egenskaper
- Proteiner
- prototyping
- gir
- publisere
- publisert
- utgiver
- formål
- Skyv
- Skyver
- kvantitativ
- Quantum
- spenner
- rask
- priser
- heller
- virkelige verden
- nylig
- tenke nytt
- avhengighet
- avhengige
- forblir
- bemerkelsesverdig
- rapportert
- Rapportering
- representere
- representerer
- forskning
- forskere
- resonans
- henholdsvis
- resultere
- resulterende
- ikke sant
- Rise
- kongelig
- s
- skalerbarhet
- skalerbar
- Skala
- vekter
- skalering
- ordningen
- vitenskapelig
- forskere
- Seksjon
- sektorer
- søker
- SEM
- Serien
- betjene
- flere
- figurer
- Del
- skift
- presentere
- viser
- side
- betydelig
- Sølv
- Enkelt
- siden
- enkelt
- størrelser
- ferdigheter
- liten
- mindre
- samfunnsmessig
- Samfunnet
- løsning
- Solutions
- Sør
- Sør-Korea
- spesialisert
- spesifikk
- fart
- hastigheter
- Spotlight
- Stabilitet
- stabling
- standardisert
- Still
- stimulerer
- rett fram
- merkelig
- strategier
- Strategi
- sterk
- strukturell
- struktur
- strukturer
- Struggle
- Studer
- vellykket
- slik
- medfølgende
- overflaten
- suspensjoner
- Systemer
- skreddersydd
- Target
- målrettet
- mål
- Oppgave
- lag
- teknikk
- teknikker
- Technologies
- Teknologi
- Teknologiutvikling
- test
- tekst
- enn
- Det
- De
- Fremtiden
- deres
- teoretiske
- Der.
- de
- ting
- tenker
- denne
- De
- tre
- Gjennom
- typen
- til
- verktøykasse
- verktøy
- tradisjonelle
- Transform
- transforme
- Trend
- to
- typer
- låser opp
- oppdateringer
- URL
- ved hjelp av
- variasjon
- allsidig
- vertikal
- vertikalt
- måter
- we
- når
- mens
- hvit
- bred
- bredere
- vil
- med
- innenfor
- uten
- skriving
- skrevet
- ennå
- ga
- du
- Din
- zephyrnet