10 января 2024 г.
(Nanowerk В центре внимания) Управление светом на наноуровне уже давно привлекает исследователей, стремящихся использовать странное квантовомеханическое явление, называемое локализованным поверхностным плазмонным резонансом (LSPR). Когда свет взаимодействует с металлом наночастицы (НЧ) намного меньше длины волны, происходит несколько замечательных вещей. Энергия сжимается в нанометровые горячие точки, электроны коллективно танцуют на резонансных частотах, а оптические поля усиливаются экспоненциально, открывая новые возможности для световых технологий.
Тем не менее, прогресс по-прежнему замедляется из-за отсутствия методов создания сложных 3D-структур NP, которые полностью используют LSPR. Постоянной проблемой является поиск простых, но масштабируемых способов вертикального размещения NP, сохраняя при этом точный контроль над композицией и архитектурой. Методы самосборки могут спонтанно выращивать кластеры NP, но традиционные химические подходы с трудом могут создать специальную геометрию или сознательно позиционировать частицы.
Методы, основанные на градиентах границы раздела твердое тело и жидкость, могут использовать самосборку частиц только в одном или двух измерениях. Более поздние подходы к 3D-печати на основе шаблонов позволили успешно создать плазмонные сверхрешетки высотой в несколько сантиметров. Однако им трудно создавать небольшие партии индивидуальных конструкций колонн, необходимых для итеративного наноинженерия.
Существует также компромисс между сложностью структуры и крупномасштабной однородностью, поскольку наноструктуры по-прежнему растут в обширной области испарения, а не в ограниченной зоне. Это приводит к практическим проблемам эффективного перевода лабораторных инноваций в специализированные модули и наноустройства.
Сообщая о своих выводах в Мелкие («Наноперьевая ручка для написания гибридных плазмонных архитектур»), междисциплинарная команда инженеров и ученых из Южной Кореи разработала творческую стратегию по 3D-печати разнообразных автономных «коллоидных столбов», состоящих из специально подобранных комбинаций NP. Они создают специализированные перьевые ручки, которые уравновешивают капиллярный поток и испарение растворителя, чтобы управлять жидкостной самосборкой суспензий NP – по сути, управляя автономной организацией материи посредством физики.
Надпись в стиле перьевой ручки с микрометрической шкалой. а) Схема письма перьевой ручкой. б) Сверхтонкая перьевая ручка для дисперсных чернил NP. Масштабная линейка представляет собой 5 мкм. в) Схема точечной коллоидной сборки. г) Текст микрометрового размера, написанный коллоидной сборкой (слева), и СЭМ-изображение структуры полубублика (справа). Масштабные линейки левого и правого изображений представляют собой 50 и 1 мкм соответственно. д) Схема трехмерной коллоидной сборки. е) Разнообразные трехмерные коллоидные ансамбли (слева) и упаковка НЧ (справа). Масштабная линейка представляет собой 3 мкм (черный) и 3 мкм (белый). (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag)
Этот прорыв позволяет точно настраивать оптические и структурные свойства субмикронных столбиков путем смешивания размеров частиц и наноматериалов. В качестве доказательства своей концепции исследователи демонстрируют чувствительные к влажности приводы из NP/биоматериалов. Это фундаментальное достижение создает чрезвычайно универсальную и доступную платформу для разработки индивидуальных плазмонных технологий. метаматериалы.
Этот недорогой и высокопроизводительный метод обработки раствора позволяет настраивать оптические свойства путем смешивания размеров частиц и материалов в пределах одной колонны. Исследователи демонстрируют потенциальные применения, такие как наноактуаторы, реагирующие на влажность. Это достижение создает чрезвычайно универсальную платформу для изготовления индивидуальных 3D-плазмонных структур для нанофотонике, фотокатализ и наноразмерные устройства.
Ключевое нововведение заключается в уменьшении масштаба и переосмыслении базовой механики чернильной ручки. На макроуровне перьевые ручки полагаются на непрерывную подачу влажных чернил, в то время как растворитель испаряется на бумаге. Исследовательская группа разработала коническую стеклянную микрокапиллярную трубку, которая имитирует процесс письма на микроскопическом уровне.
При погружении в коллоидные чернила NP узкий кончик трубки образует испаряющийся капиллярный мостик шириной всего несколько микрон. По мере того, как чернила самособираются на этом крошечном интерфейсе, исследователи могут собирать столбики, начиная от гексагонально упакованных сфер и заканчивая спиральными наноструктурами. Изменение концентрации частиц в чернилах или смешивание двух разных растворов NP позволяет точно настроить 3D-архитектуру.
Например, сочетание НЧ золота (AuNP) размером 80 нм с более мелкими AuNP размером 20 нм значительно увеличивает максимальную высоту столбика. Это происходит потому, что нанопористая сборка позволяет жидкости подниматься по капиллярам внутри 3D-стойки, увеличивая площадь испарения для пополнения потока чернил. В результате скорость роста больше не ограничивается диффузией из уменьшающегося капиллярного мостика.
Теоретический анализ команды предоставляет уравнения, связывающие параметры изготовления, такие как влажность и плотность частиц, с экспериментально измеренными скоростями расширения столба. Этот уровень количественного понимания будет неоценим для тех, кто хочет адаптировать метод для конкретных приложений.
В качестве доказательства концепции исследователи продемонстрировали различные возможности оптической настройки с помощью NFP. Смешивание AuNP и НЧ серебра привело к получению самоорганизующихся полубубликов с равномерно распределенным составом. Изменение пропорций малых и больших AuNP привело к образованию столбчатых наноструктур, демонстрирующих контролируемые свойства поглощения света.
Команда напечатала асимметричные столбы «Януса», используя чернила NP с одной стороны и функциональные биологические чернила, содержащие палочковидные бактериофаги M13, с другой. Реакция M13 на градиенты влажности вызывала обратимые изгибающие движения, по сути создавая миниатюрные приводы, управляемые влажностью, из двусторонних колонн.
Вертикальный рост бинарного коллоидного кластера. а) Серия оптических микрофотографий, показывающих вертикальный рост бинарного коллоидного кластера. Масштабная линейка представляет собой 50 мкм. б) Доступные скорости роста на основе решения AuNP 80 нм. в) Доступные скорости роста на основе раствора AuNP размером 20 нм, смешанного с 2 частицами = флюл раствора AuNP размером 80 нм. г) СЭМ-изображения микропилляров, отмеченных как I, II, III и IV на (в). Масштабная линейка представляет собой 10 мкм. д) СЭМ-изображения наноструктур микростолбиков, отмеченных как I, II и III на (г). Масштабная линейка представляет собой 200 нм. е) FESEM-изображение микростолбика, фрезерованного с помощью FIB. Масштабная линейка представляет собой 5 мкм. ж) FESEM-изображение поперечного сечения микростолба, состоящего из одинарного (слева) и бинарного состава (справа). Масштабная линейка представляет собой 200 нм. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag)
Это стимулирует идеи производства еще более сложных коллоидных машин за счет объединения различных наноматериалы, катализаторы или белки в одном столбце, напечатанном на 3D-принтере. Широта возможностей подчеркивает, как обманчиво простая концепция исследователей «ручка на бумаге» фундаментально расширяет набор инструментов для передовой наноинженерии.
Методика испарительной перьевой ручки также обходит ограничения, сдерживающие альтернативные стратегии производства. Методы, основанные на градиентах границы раздела твердое тело и жидкость, могут использовать самосборку частиц только в одном или двух измерениях. Более поздние подходы к 3D-печати на основе шаблонов позволили успешно создать плазмонные сверхрешетки высотой в несколько сантиметров. Однако им трудно создавать небольшие партии индивидуальных конструкций колонн, необходимых для итеративной наноинженерии.
Существует также компромисс между сложностью структуры и крупномасштабной однородностью, поскольку наноструктуры по-прежнему растут в обширной области испарения, а не в ограниченной зоне. Это приводит к практическим проблемам эффективного перевода лабораторных инноваций в специализированные модули и наноустройства.
Сообщаемая технология NFP по существу функционирует как термоусадочный 3D-принтер, но с естественно управляемой, а не навязанной извне сборкой. Локализация всего на микроскопической границе между поверхностью и кончиком ручки обеспечивает изысканный пространственно-временной контроль без потери масштабируемости.
Полученная в результате способность непрерывно изменять параметры в процессе производства и создавать гетерогенные опоры шириной менее 10 микрон открывает новые горизонты для быстрого нанопрототипирования. Можно представить себе, как ученые на лету разрабатывают специальные структуры NP для достижения целевых показателей производительности или различных целей в рамках интегрированной наносистемы.
Это революционное исследование обеспечивает прочную основу для многих интересных направлений. Следующий этап предполагает расширение использования большего количества типов наночастиц и чернил с более широким набором функциональных возможностей, выходящих за рамки плазмоники. Исследователи также должны оптимизировать скорость печати, стабильность архитектуры и размеры интерфейса, чтобы расширить границы возможного.
Еще одной важной задачей будет исследование альтернативных подложек, поскольку нынешняя зависимость от кремнеземных пластин создает проблемы для интеграции наноструктур внутри устройств или на неплоские поверхности. Наконец, изучение разработки месторождений или технологий с использованием нескольких загонов может еще больше расширить настраиваемую композиционную сложность для трехмерной коллоидной сборки.
Разработанная исследователями методология перьевой ручки представляет собой важнейшее достижение в области нанопроизводства, сочетающее в себе универсальные преимущества направленной сборки с масштабируемостью самосборки. Это исследование, по сути, превращает повседневную сушильную ручку в мощную, но доступную платформу для создания нанопаттернов.
Сообщаемый метод может служить идеальным мостом между нанонаучными исследованиями и разработкой реальных технологий. Возможность тестировать широкий диапазон составов и геометрических форм наноструктур облегчает быстрое создание прототипов для оптимизации конструкций для целевых приложений. Между тем, предсказуемая физика, заключенная в крошечном интерфейсе, позволяет легко масштабировать его для массового производства.
Коммерческие и социальные последствия могут быть глубокими, поскольку исследователи используют возможность обобщения этого подхода на разные отрасли. На биомедицинском фронте индивидуальные трехмерные наноструктуры нуклеиновых кислот могут обеспечить целевую доставку лекарств или трансфекцию отдельных клеток. Плазмонные столбы с программируемыми оптическими резонансами могут стать основой сверхчувствительных платформ молекулярного обнаружения. Комбинирование метаматериалов с использованием этой технологии может привести к улучшению каталитических процессов и систем преобразования энергии.
Заглядывая в будущее, открываются широкие возможности для внедрения печати несколькими материалами, функциональных чернил наночастиц и 3D-рисунков на неплоские поверхности, что значительно увеличивает сложность дизайна.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
- :имеет
- :является
- :куда
- $UP
- 1
- 10
- 20
- 31
- 32
- 3d
- 3D печать
- 50
- 7
- 8
- 80
- 9
- a
- доступной
- через
- приспосабливать
- продвижение
- продвинутый
- продвижение
- Преимущества
- впереди
- позволяет
- причислены
- альтернатива
- an
- анализ
- и
- Другой
- Приложения
- подхода
- подходы
- архитектура
- ПЛОЩАДЬ
- массив
- AS
- сборка
- At
- автор
- автономный
- доступен
- b
- назад
- Баланс
- бар
- бары
- Использование темпера с изогнутым основанием
- основанный
- основной
- основа
- BE
- , так как:
- не являетесь
- Бергер
- между
- Beyond
- биомедицинских
- Черный
- пустой
- Книги
- форсирует
- Границы
- ширина
- прорыв
- МОСТ
- расширять
- строить
- построенный
- но
- by
- под названием
- CAN
- не могу
- Пропускная способность
- катализаторы
- ячейка
- Центр
- вызов
- проблемы
- изменения
- химия
- Кластер
- коллективно
- комбинации
- комбинируя
- коммерческая
- сообщество
- комплекс
- сложность
- состоящие
- композиция
- концентрации
- сама концепция
- строить
- непрерывно
- контроль
- контроль
- управление
- Конверсия
- может
- Создайте
- Создающий
- творческий
- критической
- Пересекать
- Текущий
- изготовленный на заказ
- подгонянный
- танец
- Время
- поставка
- демонстрировать
- убивают
- плотность
- Проект
- предназначенный
- проектирование
- конструкций
- обнаружение
- развитый
- Развитие
- события
- Устройства
- различный
- Вещание
- размеры
- уменьшающийся
- направлять
- направленный
- инструкция
- открытие
- рассеянный
- распределенный
- Разное
- вниз
- наркотик
- Доставка лекарств
- e
- эффективно
- электронов
- включить
- позволяет
- Бесконечный
- выносливый
- энергетика
- Проект и
- Инженеры
- расширение
- себе
- уравнения
- по существу
- налаживает
- Даже
- равномерно
- повседневный
- многое
- пример
- захватывающий
- экспонирование
- расширяющийся
- раскрываться
- расширение
- Эксплуатировать
- Исследование
- экспоненциально
- изысканный
- обширный
- внешне
- чрезвычайно
- облегчает
- далеко
- несколько
- Поля
- в заключение
- обнаружение
- результаты
- поток
- жидкость
- Что касается
- Войска
- форма
- формы
- фонтан
- от
- передний
- полностью
- функциональная
- функциональные возможности
- Функции
- фундаментальный
- принципиально
- далее
- будущее
- GIF
- стекло
- Золото
- градиенты
- новаторским
- группы
- Расти
- Рост
- Рост
- GUEST
- управляемый
- руководящий
- происходит
- упряжь
- Освоение
- Есть
- высота
- основной момент
- проведение
- Горизонты
- Как
- How To
- Однако
- HTTPS
- Гибридный
- i
- идеальный
- идеи
- if
- ii
- III
- изображение
- изображений
- Воздействие
- наложенный
- in
- включения
- повышение
- Инновации
- понимание
- интегрированный
- Интегрируя
- взаимодействует
- Интерфейс
- в
- запутанный
- неоценимый
- изобретает
- ЕГО
- присоединиться
- JPG
- всего
- Основные
- Корея
- Отсутствие
- большой
- крупномасштабный
- закон
- вести
- Лиды
- оставил
- Меньше
- уровень
- Кредитное плечо
- лежит
- легкий
- такое как
- недостатки
- Ограниченный
- логотип
- Длинное
- дольше
- искать
- потери
- бюджетный
- Продукция
- сделанный
- сохранение
- сделать
- Создание
- производство
- многих
- с пометкой
- Масса
- материалы
- Вопрос
- максимальный
- Май..
- Между тем
- измеренный
- механический
- механика
- Встречайте
- метаматериалы
- метод
- Методология
- методы
- Майкл
- средняя
- смешанный
- Смешивание
- Модули
- молекулярный
- БОЛЕЕ
- движения
- должен
- имя
- Наноматериалы
- Нанофотоника
- нанотехнологии
- необходимый
- Новые
- новые горизонты
- следующий
- НЛП
- нет
- происходить
- of
- on
- ONE
- только
- открытие
- Оптимизировать
- or
- организация
- Другое
- наши
- внешний
- за
- собственный
- упакованный
- бумага & картон
- парадигма
- параметры
- частица
- шаблон
- производительность
- разрешение
- фаза
- явление
- PHP
- Физика
- мародерство
- столбы
- основной
- Платформа
- Платформы
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- представляет
- должность
- возможности,
- потенциал
- мощный
- практическое
- необходимость
- Точно
- предсказуемый
- Печать / PDF
- печать
- процесс
- Процессы
- обработка
- Произведенный
- Производство
- глубокий
- программируемый
- Прогресс
- доказательство
- доказательство концепции
- свойства
- Белки
- макетирования
- приводит
- публиковать
- опубликованный
- издатель
- целей
- Push
- Нажимать
- количественный
- Квантовый
- ранжирование
- быстро
- Стоимость
- скорее
- реальный мир
- последний
- переосмысление
- опора
- полагаться
- остатки
- замечательный
- Сообщается
- Reporting
- представлять
- представляет
- исследованиям
- исследователи
- резонанс
- соответственно
- результат
- в результате
- правую
- Рост
- королевский
- s
- Масштабируемость
- масштабируемые
- Шкала
- Весы
- масштабирование
- схема
- научный
- Ученые
- Раздел
- Сектора юридического права
- поиск
- SEM
- Серии
- служить
- несколько
- формы
- Поделиться
- сдвиг
- демонстрации
- показ
- сторона
- существенно
- Серебро
- просто
- с
- одинарной
- Размеры
- навыки
- небольшой
- меньше
- социальный
- Общество
- Решение
- Решения
- Южная
- Южная Корея
- специализированный
- конкретный
- скорость
- скорость
- Прожектор
- Стабильность
- штабелирования
- нормированный
- По-прежнему
- стимулирует
- простой
- странный
- стратегий
- Стратегия
- сильный
- структурный
- Структура
- структур
- Бороться
- Кабинет
- Успешно
- такие
- поставляется
- Поверхность
- суспензии
- системы
- с учетом
- цель
- целевое
- направлена против
- Сложность задачи
- команда
- техника
- снижения вреда
- технологии
- Технологии
- Развитие технологий
- тестXNUMX
- текст
- чем
- который
- Ассоциация
- Будущее
- их
- теоретический
- Там.
- они
- вещи
- мышление
- этой
- те
- три
- Через
- тип
- в
- Инструментарий
- инструменты
- традиционный
- Transform
- прообразы
- тенденция
- два
- Типы
- отпирает
- Updates
- URL
- через
- разнообразие
- разносторонний
- вертикальный
- вертикально
- способы
- we
- когда
- в то время как
- белый
- широкий
- Шире
- будете
- в
- без
- письмо
- письменный
- еще
- дали
- являетесь
- ВАШЕ
- зефирнет