10 de janeiro de 2024
(Destaque do Nanowerk) O controle da luz em nanoescala há muito tempo atrai pesquisadores que buscam explorar um estranho fenômeno da mecânica quântica chamado ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR). Quando a luz interage com metais nanopartículas (NPs) muito menor que seu comprimento de onda, várias coisas notáveis ocorrem. A energia é comprimida em pontos nanométricos, os eletrões dançam coletivamente em frequências ressonantes e os campos ópticos intensificam-se exponencialmente – abrindo novas possibilidades para tecnologias baseadas na luz.
No entanto, o progresso continua retardado pela falta de métodos para construir estruturas NP 3D complexas que aproveitem totalmente o LSPR. O desafio duradouro é encontrar maneiras simples, mas escaláveis, de empilhar NPs verticalmente, mantendo ao mesmo tempo um controle preciso sobre a composição e a arquitetura. As técnicas de automontagem podem crescer espontaneamente aglomerados de NP, mas as abordagens químicas tradicionais lutam para criar geometrias especializadas ou posicionar partículas deliberadamente.
Os métodos que dependem de gradientes de interface sólido-líquido só podem aproveitar a automontagem de partículas em uma ou duas dimensões. Abordagens mais recentes de impressão 3D guiadas por modelos construíram com sucesso superredes plasmônicas com centímetros de altura. No entanto, eles lutam para criar pequenos lotes de designs de pilares personalizados, necessários para atividades iterativas. nanoengenharia.
Há também um compromisso entre a complexidade do padrão e a uniformidade em grande escala, uma vez que as nanoestruturas ainda crescem através de uma extensa área de evaporação, em vez de uma zona confinada. Isto leva a desafios práticos para traduzir eficientemente a inovação baseada em laboratório em módulos e nanodispositivos especializados.
Relatando suas descobertas em Pequeno (“Caneta Nanofountain para Escrever Arquiteturas Plasmônicas Híbridas”), uma equipe interdisciplinar de engenheiros e cientistas da Coreia do Sul desenvolveu uma estratégia criativa para imprimir em 3D diversos “pilares coloidais” independentes feitos de combinações NP personalizadas. Eles constroem canetas-tinteiro especializadas que equilibram o fluxo capilar e a evaporação do solvente para direcionar a automontagem fluídica das suspensões NP – essencialmente orientando a organização autônoma da matéria através da física.
Escrita inspirada em caneta-tinteiro em escalas micrométricas. a) Esquema de escrita com caneta-tinteiro. b) Caneta-tinteiro ultrafina para tinta dispersa NP. A barra de escala representa 5 µμm. c) Esquema de montagem coloidal pontual. d) Texto em tamanho micrométrico escrito pela montagem coloidal (esquerda) e imagem SEM de uma estrutura de meio donut (direita). As barras de escala das imagens esquerda e direita representam 50 e 1 μm, respectivamente. e) Esquema de montagem coloidal 3D. f) Diversas montagens coloidais 3D (esquerda) e empacotamento de NP (direita). A barra de escala representa 10 µm (preto) e 1 µm (branco). (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag)
A inovação permite que as propriedades ópticas e estruturais dos pilares submicrométricos sejam ajustadas com precisão através da mistura de tamanhos de partículas e nanomateriais. Como prova de conceito, os pesquisadores demonstram atuadores NP/biomateriais responsivos à umidade. Este avanço fundamental estabelece uma plataforma extremamente versátil e acessível para projetar plasmônicos personalizados metamateriais.
Essa técnica de processamento de soluções de baixo custo e alto rendimento permite ajustar as propriedades ópticas misturando tamanhos de partículas e materiais em um único pilar. Os pesquisadores apresentam aplicações potenciais, como nanoatuadores responsivos à umidade. O avanço estabelece uma plataforma extremamente versátil para fabricar estruturas plasmônicas 3D personalizadas para nanofotônica, fotocatálise e dispositivos em nanoescala.
A principal inovação reside em reduzir e reimaginar a mecânica básica de uma caneta de tinta. Na macroescala, as canetas-tinteiro dependem do fornecimento contínuo de tinta úmida enquanto o solvente evapora no papel. A equipe de pesquisa projetou um tubo microcapilar de vidro cônico que imita esse processo de escrita em nível microscópico.
Quando mergulhada em tinta NP coloidal, a ponta estreita do tubo forma uma ponte capilar em evaporação com apenas alguns mícrons de largura. À medida que a tinta se automonta nesta pequena interface, os pesquisadores podem levantar pilares que vão desde esferas hexagonais até nanoestruturas helicoidais. Alterar a concentração de partículas na tinta ou misturar duas soluções NP diferentes permite o ajuste preciso de arquiteturas 3D.
Por exemplo, combinar NPs de ouro de 80 nm (AuNPs) com AuNPs menores de 20 nm aumenta significativamente a altura máxima do pilar. Isso acontece porque o conjunto nanoporoso permite a ascensão capilar do fluido dentro do pilar 3D, aumentando a área de evaporação para reabastecer o fluxo de tinta. Como resultado, a velocidade de crescimento não é mais limitada pela difusão da ponte capilar decrescente.
A análise teórica da equipe fornece equações que relacionam parâmetros de fabricação, como umidade e densidade de partículas, a taxas de expansão de pilares medidas experimentalmente. Este nível de conhecimento quantitativo será inestimável para quem procura adaptar a técnica para aplicações específicas.
Como prova de conceito, os pesquisadores demonstraram uma variedade de ajustes ópticos usando o NFP. A mistura de AuNPs e NPs de prata produziu formas de meio donut automontadas com composição uniformemente distribuída. A alteração das proporções de AuNPs pequenos e grandes produziu nanoestruturas pilares exibindo propriedades controladas de absorção de luz.
A equipe imprimiu pilares “Janus” assimétricos usando tinta NP de um lado e uma tinta biológica funcional contendo bacteriófagos M13 em forma de bastonete no outro. A capacidade de resposta do M13 aos gradientes de umidade induziu movimentos de flexão reversíveis, criando essencialmente atuadores em miniatura acionados pela umidade a partir dos pilares de duas faces.
Crescimento vertical de um aglomerado coloidal binário. a) Série de micrografias ópticas mostrando o crescimento vertical do aglomerado coloidal binário. A barra de escala representa 50 µm. b) Velocidades de crescimento disponíveis com base na solução AuNP de 80 nm. c) Velocidades de crescimento disponíveis com base na solução AuNP de 20 nm misturada com 2 partículas = fL de solução AuNP de 80 nm. d) Imagens SEM dos micropilares marcados como I, II, III e IV em (c). A barra de escala representa 10 µm. e) Imagens SEM das nanoestruturas dos micropilares marcados como I, II e III em (d). A barra de escala representa 200 nm. f) Imagem FESEM de um micropilar fresado com FIB. A barra de escala representa 5 μm. g) Imagem FESEM da seção transversal de um micropilar composto por composição única (esquerda) e binária (direita). A barra de escala representa 200 nm. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag)
Isto estimula ideias para a fabricação de máquinas coloidais ainda mais complexas, incorporando diferentes nanomateriais, catalisadores ou proteínas dentro de um único pilar impresso em 3D. A amplitude de possibilidades destaca como o conceito aparentemente simples de caneta no papel dos pesquisadores expande fundamentalmente o kit de ferramentas para a nanoengenharia avançada.
A metodologia da caneta-tinteiro evaporativa também contorna limitações que impedem estratégias alternativas de fabricação. Os métodos que dependem de gradientes de interface sólido-líquido só podem aproveitar a automontagem de partículas em uma ou duas dimensões. Abordagens mais recentes de impressão 3D guiadas por modelos construíram com sucesso superredes plasmônicas com centímetros de altura. No entanto, eles lutam para criar pequenos lotes de designs de pilares personalizados necessários para a nanoengenharia iterativa.
Há também um compromisso entre a complexidade do padrão e a uniformidade em grande escala, uma vez que as nanoestruturas ainda crescem através de uma extensa área de evaporação, em vez de uma zona confinada. Isto leva a desafios práticos para traduzir eficientemente a inovação baseada em laboratório em módulos e nanodispositivos especializados.
A técnica NFP relatada funciona essencialmente como uma impressora 3D encolhível, mas com montagem naturalmente guiada em vez de imposta externamente. Localizar tudo na interface microscópica entre a superfície e a ponta da caneta permite um excelente controle espaço-temporal sem perder a escalabilidade.
A capacidade resultante de alterar continuamente os parâmetros no meio da fabricação e construir pilares heterogêneos com menos de 10 mícrons de largura abre novos horizontes para a nanoprototipagem rápida. Pode-se imaginar cientistas projetando estruturas NP personalizadas em tempo real para atender às metas de desempenho ou servir a diferentes propósitos dentro de um nanossistema integrado.
Este estudo inovador fornece uma base sólida para muitas direções interessantes. A próxima fase envolve a expansão para mais tipos de nanopartículas e tintas com uma gama mais ampla de funcionalidades além da plasmônica. Os pesquisadores também devem otimizar a velocidade de impressão, a estabilidade da arquitetura e os tamanhos das interfaces para ultrapassar os limites.
Outra tarefa crítica será investigar substratos alternativos, uma vez que a atual dependência de pastilhas de sílica apresenta desafios para a integração de nanoestruturas em dispositivos ou em superfícies não planas. Finalmente, explorar a engenharia de reservatórios ou técnicas de múltiplas canetas pode ampliar ainda mais a complexidade composicional ajustável para montagem coloidal 3D.
A metodologia da caneta-tinteiro dos pesquisadores representa um avanço fundamental na nanofabricação, combinando as vantagens versáteis da montagem direcionada com a escalabilidade da automontagem. Este estudo transforma essencialmente uma caneta de secagem diária em uma plataforma de nanopadronização poderosa, porém acessível.
A técnica relatada pode servir como uma ponte ideal entre a pesquisa em nanociência e o desenvolvimento de tecnologia no mundo real. A capacidade de testar amplas composições e geometrias de nanoestruturas facilita a prototipagem rápida para otimizar projetos para aplicações específicas. Enquanto isso, a física previsível confinada a uma interface minúscula permite uma expansão direta para produção em massa.
Os impactos comerciais e sociais poderão ser profundos à medida que os investigadores explorarem a generalização desta abordagem entre sectores. Na frente biomédica, nanoestruturas personalizadas de ácidos nucleicos 3D poderiam permitir a entrega direcionada de medicamentos ou a transfecção de células únicas. Pilares plasmônicos com ressonâncias ópticas programáveis poderiam formar a base de plataformas de detecção molecular ultrassensíveis. Metamateriais misturados e combinados usando a técnica podem levar a processos catalíticos e sistemas de conversão de energia aprimorados.
Olhando para o futuro, existem inúmeras possibilidades para incorporar impressão multimaterial, tintas funcionais de nanopartículas e padrões 3D em superfícies não planas – expandindo enormemente a complexidade do design.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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