10 januari 2024
(Nanowerk Spotlight) Att kontrollera ljus på nanoskala har länge lockat forskare som försöker utnyttja ett märkligt kvantmekaniskt fenomen som kallas lokaliserad ytplasmonresonans (LSPR). När ljus interagerar med metall nanopartiklar (NP) mycket mindre än dess våglängd, flera anmärkningsvärda saker inträffar. Energi komprimeras till nanometriska hotspots, elektroner dansar kollektivt till resonansfrekvenser och optiska fält intensifieras exponentiellt – vilket öppnar nya möjligheter för ljusbaserad teknik.
Ändå är framstegen fortfarande långsammare av bristen på metoder för att konstruera invecklade 3D NP-strukturer som fullt ut utnyttjar LSPR. Den bestående utmaningen är att hitta enkla men skalbara sätt att stapla NP:er vertikalt samtidigt som man bibehåller finjusterad kontroll över komposition och arkitektur. Självmonteringstekniker kan spontant växa NP-kluster, men traditionella kemimetoder kämpar för att göra specialiserade geometrier eller positionera partiklar medvetet.
Metoder som är beroende av gränssnittsgradienter mellan fast och vätska kan endast utnyttja partikelsjälvmontering i en eller två dimensioner. Nyare mallstyrda 3D-utskriftsmetoder har framgångsrikt byggt centimeterhöga plasmoniska supergitter. Men de kämpar för att skapa små partier av anpassade pelardesigner som behövs för iterativ nanoingenjör.
Det finns också en avvägning mellan mönsterkomplexitet och storskalig enhetlighet eftersom nanostrukturerna fortfarande växer över ett omfattande förångningsområde snarare än en begränsad zon. Detta leder till praktiska utmaningar för att effektivt översätta labbbaserad innovation till specialiserade moduler och nanoenheter.
Rapportera sina fynd i Små ("Nanofontänpenna för att skriva hybridplasmoniska arkitekturer"), utvecklade ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer och forskare från Sydkorea en kreativ strategi för att 3D-printa olika fristående "kolloidala pelare" gjorda av skräddarsydda NP-kombinationer. De bygger specialiserade reservoarpennor som balanserar kapillärflöde och lösningsmedelsavdunstning för att styra den flytande självmonteringen av NP-suspensioner – i huvudsak vägleder den autonoma organiseringen av materia genom fysiken.
Reservoarpenna-inspirerad skrift på mikrometerskalor. a) Schema för att skriva med en reservoarpenna. b) Ultrafin reservoarpenna för NP dispergerat bläck. Skalstapeln representerar 5 µμm. c) Schema för punktliknande kolloidal montering. d) Text i mikrometerstorlek skriven av den kolloidala enheten (vänster) och SEM-bild av en halvmunkstruktur (höger). Skalstaplarna på vänster och höger bild representerar 50 respektive 1 µm. e) Schema för 3D kolloidal montering. f) Olika 3D kolloidala sammansättningar (vänster) och packning av NP (höger). Skalstapeln representerar 10 µm (svart) och 1 µm (vit). (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag)
Genombrottet gör att optiska och strukturella egenskaper hos submikrona pelare kan justeras exakt genom att blanda partikelstorlekar och nanomaterial. Som bevis på konceptet visar forskarna på fuktkänsliga NP/biomaterial-ställdon. Detta grundläggande framsteg etablerar en extremt mångsidig och tillgänglig plattform för att designa skräddarsydd plasmonic metamaterial.
Denna lågkostnadslösningsteknik med hög genomströmning möjliggör inställning av optiska egenskaper genom att blanda partikelstorlekar och material inom en enda pelare. Forskarna visar upp potentiella tillämpningar som fuktkänsliga nanoaktuatorer. Framsteg etablerar en extremt mångsidig plattform för att tillverka skräddarsydda 3D-plasmoniska strukturer för nanofotonik, fotokatalys och enheter i nanoskala.
Den viktigaste innovationen ligger i att skala ner och omforma den grundläggande mekaniken i en bläckpenna. På makroskalan är reservoarpennor beroende av att vått bläck tillförs kontinuerligt medan lösningsmedlet avdunstar på papper. Forskargruppen designade ett avsmalnande mikrokapillärrör i glas som efterliknar denna skrivprocess på mikroskopisk nivå.
När den doppas i kolloidalt NP-bläck bildar den smala rörspetsen en avdunstande kapillärbrygga bara några mikrometer bred. När bläcket självmonteras vid detta lilla gränssnitt kan forskare dra upp pelare som sträcker sig från hexagonalt packade sfärer till spiralformade nanostrukturer. Att ändra partikelkoncentrationen i bläcket eller blanda två olika NP-lösningar möjliggör exakt inställning av 3D-arkitekturer.
Till exempel, att kombinera 80 nm guld NPs (AuNPs) med mindre 20 nm AuNPs ökar avsevärt maximal pelarhöjd. Detta händer eftersom den nanoporösa enheten tillåter kapillär stigning av vätska i 3D-pelaren, vilket ökar förångningsområdet för att fylla på bläckflödet. Som ett resultat begränsas tillväxthastigheten inte längre av diffusion från den minskande kapillärbryggan.
Teamets teoretiska analys ger ekvationer som relaterar tillverkningsparametrar som fuktighet och partikeldensitet till experimentellt uppmätta pelarexpansionshastigheter. Denna nivå av kvantitativ insikt kommer att vara ovärderlig för dem som vill anpassa tekniken för specifika tillämpningar.
Som ett bevis på konceptet visade forskarna en mängd olika optiska avstämningsmöjligheter med hjälp av NFP. Blandning av AuNPs och silver NPs gav självmonterade halvmunkformer med jämnt fördelad sammansättning. Förändrade proportioner av små och stora AuNP: er producerade pelarnanostrukturer som uppvisar kontrollerade ljusabsorptionsegenskaper.
Teamet tryckte asymmetriska "Janus"-pelare med NP-bläck på ena sidan och ett funktionellt biologiskt bläck innehållande stavliknande M13-bakteriofager på den andra. M13:s känslighet för fuktgradienter inducerade reversibla böjningsrörelser, vilket i huvudsak skapade miniatyr fuktdrivna ställdon av de tvåsidiga pelarna.
Vertikal tillväxt av ett binärt kolloidalt kluster. a) Serie av optiska mikrofotografier som visar den vertikala tillväxten av det binära kolloidala klustret. Skalstapeln representerar 50 µm. b) Tillgängliga tillväxthastigheter baserade på 80 nm AuNP-lösningen. c) Tillgängliga tillväxthastigheter baserade på 20 nm AuNP-lösningen blandad med 2 partiklar=fL av 80 nm AuNP-lösning. d) SEM-bilder av mikropelarna markerade som I, II, III och IV i (c). Skalstrecket representerar 10 µm. e) SEM-bilder av nanostrukturerna hos mikropelare markerade som I, II och III i (d). Skalstapeln representerar 200nm. f ) FESEM-bild av en mikropelare fräst med FIB. Skalstapeln representerar 5 µm. g) FESEM-bild av tvärsnittet av en mikropelare som består av en enkel (vänster) och binär sammansättning (höger). Skalstapeln representerar 200nm. (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag)
Detta stimulerar idéer för att tillverka ännu mer komplexa kolloidala maskiner genom att införliva olika nanomaterial, katalysatorer eller proteiner inom en enda 3D-printad pelare. Bredden av möjligheter visar hur forskarnas bedrägligt enkla penna-på-papper-koncept i grunden utökar verktygslådan för avancerad nanoteknik.
Den evaporativa reservoarpennametodik kringgår också begränsningar som håller tillbaka alternativa tillverkningsstrategier. Metoder som är beroende av gränssnittsgradienter mellan fast och vätska kan endast utnyttja partikelsjälvmontering i en eller två dimensioner. Nyare mallstyrda 3D-utskriftsmetoder har framgångsrikt byggt centimeterhöga plasmoniska supergitter. Men de kämpar för att skapa små partier av anpassade pelardesigner som behövs för iterativ nanoteknik.
Det finns också en avvägning mellan mönsterkomplexitet och storskalig enhetlighet eftersom nanostrukturerna fortfarande växer över ett omfattande förångningsområde snarare än en begränsad zon. Detta leder till praktiska utmaningar för att effektivt översätta labbbaserad innovation till specialiserade moduler och nanoenheter.
Den rapporterade NFP-tekniken fungerar i huvudsak som en krympande 3D-skrivare men med naturligt styrd snarare än externt pålagd montering. Att lokalisera allt till det mikroskopiska gränssnittet mellan yta och pennspets möjliggör utsökt spatiotemporal kontroll utan att förlora skalbarhet.
Den resulterande förmågan att kontinuerligt ändra parametrar i mitten av tillverkningen och konstruera heterogena pelare mindre än 10 mikron breda låser upp nya horisonter för snabb nanoprototyping. Man kan föreställa sig forskare som designar anpassade NP-strukturer i farten för att uppfylla prestationsmål eller tjäna olika syften inom ett integrerat nanosystem.
Denna genombrottsstudie ger en stark bas för många spännande riktningar. Nästa fas innebär att expandera till fler nanopartikeltyper och bläck med ett bredare utbud av funktioner utöver plasmonics. Forskare måste också optimera utskriftshastighet, arkitekturstabilitet och gränssnittsstorlekar för att tänja på gränserna.
En annan viktig uppgift kommer att undersöka alternativa substrat eftersom det nuvarande beroendet av kiselskivor utgör utmaningar för att integrera nanostrukturer i enheter eller på icke-plana ytor. Slutligen kan utforskande av reservoarteknik eller flerpenntekniker ytterligare bredda avstämbar sammansättningskomplexitet för 3D-kolloidal montering.
Forskarnas reservoarpennametodik representerar ett avgörande framsteg inom nanotillverkning, som kombinerar de mångsidiga fördelarna med riktad montering med skalbarheten av självmontering. Denna studie förvandlar i huvudsak en vardaglig torkpenna till en kraftfull men ändå tillgänglig nanomönsterplattform.
Den rapporterade tekniken kan fungera som en idealisk brygga mellan nanovetenskaplig forskning och verklig teknikutveckling. Förmågan att testa breda nanostrukturkompositioner och geometrier underlättar snabb prototypframställning för att optimera design för målapplikationer. Samtidigt tillåter den förutsägbara fysiken begränsad till ett litet gränssnitt enkel uppskalning för massproduktion.
Kommersiella och samhälleliga effekter kan vara djupgående eftersom forskare utnyttjar generaliserbarheten av detta tillvägagångssätt mellan sektorer. På den biomedicinska fronten kan skräddarsydda 3D-nukleinsyrananostrukturer möjliggöra riktad läkemedelsleverans eller encellstransfektion. Plasmoniska pelare med programmerbara optiska resonanser skulle kunna utgöra grunden för ultrakänsliga plattformar för molekylär detektion. Blanda-och-matcha metamaterial som använder tekniken kan leda till förbättrade katalytiska processer och energiomvandlingssystem.
När man ser framåt finns det många möjligheter att införliva utskrift av flera material, funktionella nanopartikelbläck och 3D-mönster på icke-plana ytor – vilket ökar designkomplexiteten enormt.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
- : har
- :är
- :var
- $UPP
- 1
- 10
- 20
- 31
- 32
- 3d
- 3D Utskrifter
- 50
- 7
- 8
- 80
- 9
- a
- tillgänglig
- tvärs
- anpassa
- avancera
- avancerat
- befordran
- fördelar
- framåt
- tillåter
- också
- alternativ
- an
- analys
- och
- Annan
- tillämpningar
- tillvägagångssätt
- tillvägagångssätt
- arkitektur
- OMRÅDE
- array
- AS
- Montage
- At
- Författaren
- autonom
- tillgänglig
- b
- tillbaka
- Balansera
- bar
- barer
- bas
- baserat
- grundläggande
- grund
- BE
- därför att
- Där vi får lov att vara utan att konstant prestera,
- Berger
- mellan
- Bortom
- biomedicinsk
- Svart
- blank
- Böcker
- boostar
- gränser
- bredd
- genombrott
- BRO
- bredda
- SLUTRESULTAT
- byggt
- men
- by
- kallas
- KAN
- kan inte
- Kapacitet
- katalysatorer
- cellen
- Centrum
- utmanar
- utmaningar
- byte
- kemi
- kluster
- kollektivt
- kombinationer
- kombinera
- kommersiella
- samfundet
- komplex
- Komplexiteten
- sammansatt
- sammansättning
- koncentration
- begrepp
- konstruera
- kontinuerligt
- kontroll
- kontrolleras
- styrning
- Konvertering
- kunde
- skapa
- Skapa
- Kreativ
- kritisk
- Cross
- Aktuella
- beställnings
- kundanpassad
- dansa
- Datum
- leverans
- demonstrera
- demonstreras
- densitet
- Designa
- utformade
- design
- mönster
- Detektering
- utvecklade
- Utveckling
- utvecklingen
- enheter
- olika
- Diffusion
- dimensioner
- minskande
- rikta
- riktad
- riktningar
- Upptäckten
- dispergerad
- distribueras
- flera
- ner
- drog
- Läkemedelsleverans
- e
- effektivt
- elektroner
- möjliggöra
- möjliggör
- Endless
- bestående
- energi
- Teknik
- Ingenjörer
- förbättrad
- envision
- ekvationer
- väsentligen
- upprättar
- Även
- jämnt
- dagliga
- allt
- exempel
- spännande
- uppvisar
- expanderande
- expanderar
- expansionen
- Exploit
- Utforska
- exponentiellt
- utsökt
- omfattande
- externt
- extremt
- underlättar
- långt
- få
- Fält
- Slutligen
- finna
- resultat
- flöda
- vätska
- För
- Krafter
- formen
- former
- fontän
- från
- främre
- fullständigt
- funktionella
- funktionaliteter
- funktioner
- grundläggande
- fundamentalt
- ytterligare
- framtida
- gif
- glas
- Gold
- gradienter
- banbrytande
- Grupp
- Väx
- Odling
- Tillväxt
- Gäst
- guidad
- styrning
- händer
- sele
- Utnyttja
- Har
- höjd
- höjdpunkter
- innehav
- Horizons
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- Men
- HTTPS
- Hybrid
- i
- idealisk
- idéer
- if
- ii
- iii
- bild
- bilder
- Konsekvenser
- ålagts
- in
- införlivande
- ökande
- Innovation
- insikt
- integrerade
- Integrera
- interagerar
- Gränssnitt
- in
- invecklad
- ovärderlig
- uppfinner
- DESS
- delta
- jpg
- bara
- Nyckel
- korea
- Brist
- Large
- storskalig
- Lag
- leda
- Leads
- vänster
- mindre
- Nivå
- Hävstång
- ligger
- ljus
- tycka om
- begränsningar
- Begränsad
- logotyp
- Lång
- längre
- du letar
- förlora
- låg kostnad
- Maskiner
- gjord
- upprätthålla
- göra
- Framställning
- Produktion
- många
- markant
- Massa
- material
- Materia
- maximal
- Maj..
- Samtidigt
- mätt
- mekanisk
- mekanik
- Möt
- metamaterial
- metod
- Metodik
- metoder
- Michael
- Mitten
- blandad
- Blandning
- Moduler
- molekylär
- mer
- motioner
- måste
- namn
- nanomaterial
- nanofotonik
- nanoteknologi
- behövs
- Nya
- nya horisonter
- Nästa
- NFP
- Nej
- inträffa
- of
- on
- ONE
- endast
- öppning
- Optimera
- or
- organisation
- Övriga
- vår
- ut
- över
- egen
- packad
- Papper
- paradigmet
- parametrar
- partikel
- Mönster
- prestanda
- tillstånd
- fas
- Fenomenet
- PHP
- Fysik
- Pelare
- pelare
- svängbara
- plattform
- Plattformar
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- utgör
- placera
- Möjligheterna
- potentiell
- den mäktigaste
- Praktisk
- exakt
- exakt
- Förutsägbar
- Skriva ut
- tryckning
- process
- processer
- bearbetning
- producerad
- Produktion
- djupgående
- programmerbar
- Framsteg
- bevis
- bevis på koncept
- egenskaper
- Proteiner
- prototyping
- ger
- publicera
- publicerade
- utgivare
- syfte
- Tryck
- Tryckande
- kvantitativ
- Quantum
- som sträcker sig
- snabb
- rates
- snarare
- verkliga världen
- senaste
- föreställa sig
- tillit
- förlita
- resterna
- anmärkningsvärd
- Rapporterad
- Rapportering
- representerar
- representerar
- forskning
- forskare
- resonans
- respektive
- resultera
- resulterande
- höger
- Rise
- kungliga
- s
- skalbarhet
- skalbar
- Skala
- skalor
- skalning
- ordningen
- vetenskaplig
- vetenskapsmän
- §
- Sektorer
- söker
- SEM
- Serier
- tjänar
- flera
- former
- Dela
- skifta
- visa
- visar
- sida
- signifikant
- Silver
- Enkelt
- eftersom
- enda
- storlekar
- färdigheter
- Small
- mindre
- samhällelig
- Samhället
- lösning
- Lösningar
- Söder
- Sydkorea
- specialiserad
- specifik
- fart
- hastigheter
- Spotlight
- Stabilitet
- stapling
- standardiserad
- Fortfarande
- stimulerar
- okomplicerad
- konstigt
- strategier
- Strategi
- stark
- strukturell
- struktur
- strukturer
- Kamp
- Läsa på
- Framgångsrikt
- sådana
- levereras
- yta
- suspensioner
- System
- skräddarsydd
- Målet
- riktade
- mål
- uppgift
- grupp
- Tekniken
- tekniker
- Tekniken
- Teknologi
- Teknologisk utveckling
- testa
- text
- än
- den där
- Smakämnen
- Framtiden
- deras
- teoretiska
- Där.
- de
- saker
- Tänkande
- detta
- de
- tre
- Genom
- Tips
- till
- toolkit
- verktyg
- traditionell
- Förvandla
- transformer
- Trend
- två
- typer
- låser upp
- Uppdateringar
- URL
- med hjälp av
- mängd
- mångsidig
- vertikal
- vertikalt
- sätt
- we
- när
- medan
- vit
- bred
- bredare
- kommer
- med
- inom
- utan
- skrivning
- skriven
- ännu
- gav
- dig
- Din
- zephyrnet