10 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerk聚光灯)长期以来,在纳米尺度上控制光一直吸引着研究人员寻求利用一种称为局域表面等离子体共振(LSPR)的奇怪量子力学现象。当光与金属相互作用时 纳米粒子 (纳米粒子)比其波长小得多,因此发生了一些值得注意的事情。能量被压缩成纳米热点,电子集体舞动到共振频率,光场呈指数级增强——为光技术开辟了新的可能性。
然而,由于缺乏构建充分利用 LSPR 的复杂 3D NP 结构的方法,进展仍然缓慢。持久的挑战是找到简单但可扩展的方法来垂直堆叠纳米颗粒,同时保持对组成和架构的微调控制。自组装技术可以自发生长纳米粒子簇,但传统的化学方法很难有意地制造特殊的几何形状或定位粒子。
依赖固液界面梯度的方法只能利用一维或二维的粒子自组装。最近的模板引导 3D 打印方法已成功构建了厘米高的等离子体超晶格。然而,他们很难创建迭代所需的小批量定制支柱设计 纳米工程。
由于纳米结构仍然在广阔的蒸发区域而不是受限区域生长,因此图案复杂性和大规模均匀性之间也存在权衡。这给有效地将基于实验室的创新转化为专用模块和纳米设备带来了实际挑战。
报告他们的发现 Small
(“用于编写混合等离子体架构的纳米钢笔”),来自韩国的工程师和科学家组成的跨学科团队开发了一种创造性策略,可以 3D 打印由定制的 NP 组合制成的各种独立式“胶体柱”。他们制造了专门的钢笔,可以平衡毛细管流动和溶剂蒸发,以指导纳米粒子悬浮液的流体自组装——本质上是通过物理学指导物质的自主组织。
受钢笔启发在微米刻度上书写。 a) 使用钢笔书写的方案。 b) NP分散墨水用超细钢笔。比例尺代表 5 µμm。 c) 点状胶体组装方案。 d) 由胶体组件书写的微米大小的文字(左)和半甜甜圈结构的 SEM 图像(右)。左图和右图的比例尺分别代表 50 和 1 µm。 e) 3D 胶体组装方案。 f) 多种 3D 胶体组件(左)和 NP 堆积(右)。比例尺代表 10 µm(黑色)和 1 µm(白色)。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)
这一突破使得亚微米柱的光学和结构特性可以通过混合粒径和纳米材料来精确调节。作为概念证明,研究人员展示了湿度响应型纳米颗粒/生物材料执行器。这一根本性的进步为设计定制等离子体建立了一个极其通用且易于访问的平台 超材料。
这种低成本、高通量的溶液处理技术可以通过在单个柱内混合颗粒尺寸和材料来调节光学特性。研究人员展示了湿度响应纳米执行器等潜在应用。这一进展建立了一个极其通用的平台来制造定制的 3D 等离子体结构 纳米光子学、光催化和纳米级装置。
关键的创新在于缩小和重新想象墨水笔的基本机制。在宏观上,钢笔依靠连续供应湿墨水,同时溶剂在纸上蒸发。研究小组设计了一种锥形玻璃微毛细管,可以在微观水平上模拟这种书写过程。
当浸入胶体 NP 墨水时,狭窄的管尖形成仅几微米宽的蒸发毛细管桥。当墨水在这个微小的界面上自组装时,研究人员可以拉出从六角形球体到螺旋纳米结构的各种柱子。改变墨水中的颗粒浓度或混合两种不同的 NP 解决方案可以精确调整 3D 架构。
例如,将 80 nm 金纳米粒子 (AuNP) 与较小的 20 nm AuNP 相结合可显着提高最大柱高度。发生这种情况是因为纳米多孔组件允许 3D 柱内的流体毛细上升,增加蒸发面积以补充墨水流。因此,生长速度不再受到毛细管桥逐渐缩小的扩散的限制。
该团队的理论分析提供了将湿度和颗粒密度等制造参数与实验测量的支柱膨胀率相关的方程。对于那些希望将该技术应用于特定应用的人来说,这种程度的定量洞察力将非常宝贵。
作为概念证明,研究人员使用 NFP 展示了各种光学可调性。混合金纳米粒子和银纳米粒子产生了成分分布均匀的自组装半甜甜圈形状。改变小型和大型金纳米粒子的比例产生了具有受控光吸收特性的柱状纳米结构。
该团队在一侧使用 NP 墨水,在另一侧使用含有杆状 M13 噬菌体的功能性生物墨水打印不对称的“Janus”柱。 M13 对湿度梯度的响应引起了可逆的弯曲运动,本质上是在两个面的柱子上创建了微型湿度驱动执行器。
二元胶体簇的垂直生长。 a)一系列光学显微照片,显示二元胶体簇的垂直生长。比例尺代表 50 µm。 b) 基于 80 nm AuNP 解决方案的可用生长速度。 c) 可用生长速度基于 20 nm AuNP 溶液与 2 个颗粒=fL 的 80 nm AuNP 溶液混合。 d)(c)中标记为 I、II、III 和 IV 的微柱的 SEM 图像。比例尺代表 10 µm。 e)(d)中标记为I、II和III的微柱纳米结构的SEM图像。比例尺代表 200nm。 f) 用 FIB 铣削的微柱的 FESEM 图像。比例尺代表 5 µm。 g) 由单一成分(左)和二元成分(右)组成的微柱横截面的 FESEM 图像。比例尺代表 200nm。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)
这激发了通过结合不同的技术来制造更复杂的胶体机器的想法 纳米材料、催化剂或蛋白质在单个 3D 打印的柱子内。 可能性的广度凸显了研究人员看似简单的纸笔概念如何从根本上扩展了先进纳米工程的工具包。
蒸发钢笔方法还规避了替代制造策略的限制。 依赖固液界面梯度的方法只能利用一维或二维的粒子自组装。 最近的模板引导 3D 打印方法已成功构建了厘米高的等离子体超晶格。 然而,他们很难创建迭代纳米工程所需的小批量定制支柱设计。
由于纳米结构仍然在广阔的蒸发区域而不是受限区域生长,因此图案复杂性和大规模均匀性之间也存在权衡。 这给有效地将基于实验室的创新转化为专用模块和纳米设备带来了实际挑战。
所报道的 NFP 技术本质上起到了缩小 3D 打印机的作用,但采用自然引导而非外部强加的组装。 将所有内容都定位到表面和笔尖之间的微观界面,可以在不损失可扩展性的情况下实现精致的时空控制。
由此产生的在制造过程中不断改变参数并构建宽度小于 10 微米的异质柱的能力为快速纳米原型制作开辟了新的视野。 人们可以想象科学家们可以即时设计定制的纳米粒子结构,以满足性能目标或在集成纳米系统中服务于不同的目的。
这项突破性研究为许多令人兴奋的方向提供了坚实的基础。 下一阶段需要扩展到更多的纳米颗粒类型和墨水,具有除等离子体之外更广泛的功能。 研究人员还必须优化打印速度、架构稳定性和接口尺寸,以突破界限。
另一项关键任务是研究替代基材,因为目前对二氧化硅晶圆的依赖对将纳米结构集成到设备内或非平面表面上提出了挑战。 最后,探索油藏工程或多笔技术可以进一步拓宽 3D 胶体组装的可调成分复杂性。
研究人员的钢笔方法代表了纳米制造的关键进步,将定向组装的多功能优势与自组装的可扩展性结合起来。 这项研究本质上将日常干燥笔转变为强大且易于使用的纳米图案平台。
所报道的技术可以作为纳米科学研究和现实世界技术开发之间的理想桥梁。 测试广泛的纳米结构成分和几何形状的能力有助于快速原型制作,以优化目标应用的设计。 同时,仅限于微小界面的可预测物理特性允许直接扩大规模以进行大规模生产。
随着研究人员利用这种方法在各个领域的普遍性,商业和社会影响可能会产生深远的影响。 在生物医学方面,定制的 3D 核酸纳米结构可以实现靶向药物输送或单细胞转染。 具有可编程光学共振的等离激元柱可以构成超灵敏分子检测平台的基础。 使用该技术混合搭配超材料可能会增强催化过程和能量转换系统。
展望未来,将多材料印刷、功能性纳米颗粒墨水和 3D 图案整合到非平面表面上的可能性比比皆是,这极大地扩展了设计的复杂性。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
纳米社会:突破技术边界,
纳米技术:微小的未来及
纳米工程:看不见的技能和工具
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