Los materiales a nanoescala presentan extraordinarios Cualidades de mil millonésimas de metro que transforman todo, desde la generación de energía hasta el almacenamiento de datos. Pero mientras que una célula solar nanoestructurada puede ser increíblemente eficiente, esa precisión es notoriamente difícil de lograr a escalas industriales. La solución puede ser el autoensamblaje, o entrenar moléculas para que se unan en configuraciones de alto rendimiento.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado una técnica basada en láser para ejecutar el autoensamblaje a nanoescala con una facilidad y eficiencia sin precedentes.

"Diseñamos materiales que se construyen a sí mismos, "dijo Kevin Yager, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven. "En las condiciones adecuadas, las moléculas se encajarán naturalmente en una configuración perfecta. El desafío es dar a estos nanomateriales el impulso que necesitan:cuanto más calientes están, cuanto más rápido se mueven y se asientan en la formación deseada. Usamos láseres para aumentar el calor ".

El investigador postdoctoral de Yager y Brookhaven Lab, Pawel Majewski, construyó una máquina única que barre una línea láser enfocada a través de una muestra para generar picos de temperatura intensos e instantáneos. Esta nueva técnica, llamado recocido de zona láser (LZA), impulsa el autoensamblaje a velocidades superiores a 1, 000 veces más rápido que los hornos industriales tradicionales. Los resultados se describen en la revista ACS Nano .

"Creamos estructuras autoensambladas extremadamente uniformes en menos de un segundo, ", Dijo Majewski." Más allá de la extraordinaria velocidad, nuestro láser también redujo los defectos y degradaciones presentes en los materiales calentados al horno. Esa combinación hace que LZA sea perfecto para llevar los avances de laboratorio a pequeña escala a la industria ".

Los científicos prepararon los materiales y construyeron el instrumento LZA en el CFN. Luego analizaron muestras usando microscopía electrónica avanzada en CFN y dispersión de rayos X en la ahora retirada National Synchrotron Light Source (NSLS) de Brookhaven, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Fue enormemente gratificante ver que nuestras predicciones eran precisas:¡los enormes gradientes térmicos condujeron a una aceleración correspondientemente enorme!" Dijo Yager.

Hornos versus láseres

Imagina preparar un pastel complejo, pero en lugar de hornearlo en el horno, un aluvión de láseres lo calienta a la perfección en un instante. Más allá de eso, las condiciones de cocción adecuadas harán que los ingredientes se mezclen en un plato perfecto. Esta receta a nanoescala logra algo igualmente extraordinario y mucho más impactante.

Los investigadores se centraron en los denominados copolímeros de bloque, moléculas que contienen dos bloques enlazados con diferentes estructuras y propiedades químicas. Estos bloques tienden a repelerse entre sí, que puede impulsar la formación espontánea de estructuras a nanoescala complejas y rígidas.

"El precio de sus excelentes propiedades mecánicas es la lenta cinética de su autoensamblaje, ", Dijo Majewski." Necesitan energía y tiempo para explorar posibilidades hasta que encuentren la configuración correcta ".

En el autoensamblaje tradicional de copolímeros en bloque, Los materiales se calientan en un horno sellado al vacío. Por lo general, la muestra se "hornea" durante un período de 24 horas o más para proporcionar suficiente energía cinética para que las moléculas encajen en su lugar, demasiado tiempo para la viabilidad comercial. La larga exposición a altas temperaturas también provoca una inevitable degradación térmica, dejando grietas e imperfecciones en toda la muestra.

El proceso LZA, sin embargo, ofrece picos agudos de calor para excitar rápidamente los polímeros sin la energía sostenida que daña el material.

"En milisegundos, toda la muestra está bellamente alineada, "Dijo Yager." Mientras el láser barre el material, los picos térmicos localizados eliminan realmente los defectos en la película nanoestructurada. LZA no solo es más rápido, produce resultados superiores ".

LZA genera temperaturas superiores a 500 grados Celsius, pero los gradientes térmicos (variaciones de temperatura vinculadas a la dirección y ubicación en un material) pueden alcanzar más de 4, 000 grados por milímetro. Si bien los científicos saben que las temperaturas más altas pueden acelerar el autoensamblaje, esta es la primera prueba de una mejora espectacular mediante gradientes extremos.

Construido a partir de cero

"Hace años que, observamos un indicio sutil de que los gradientes térmicos podrían mejorar el autoensamblaje, ", Dijo Yager." Me obsesioné con la idea de crear gradientes cada vez más extremos, lo que finalmente llevó a la construcción de esta configuración láser, y siendo pionero en una nueva técnica ".

Los investigadores necesitaban una alta concentración de experiencia técnica e instalaciones de clase mundial para llevar la LZA de la propuesta a la ejecución.

"Solo en CFN pudimos desarrollar esta técnica tan rápido, ", Dijo Majewski." Podríamos hacer prototipos de instrumentos rápidos y preparación de muestras con la sala limpia en el sitio, tienda de máquina, y laboratorio de procesamiento de polímeros. Luego combinamos la microscopía electrónica CFN con estudios de rayos X en NSLS para una evaluación inmejorable de la LZA en acción ".

Agregó Yager, "La capacidad de hacer nuevas muestras en CFN y luego cruzar la calle para caracterizarlas en segundos en NSLS fue clave para este descubrimiento. La sinergia entre estas dos instalaciones es lo que nos permitió iterar rápidamente hacia un diseño optimizado".

Los científicos también desarrollaron una nueva técnica de termometría de superficie a microescala llamada análisis de marcas de fusión para rastrear el calor exacto generado por los pulsos láser y ajustar el instrumento en consecuencia.

"Grabamos algunas películas inicialmente antes de conocer las condiciones de funcionamiento adecuadas, "Dijo Majewski." Fue realmente emocionante ver las primeras muestras siendo raspadas por el láser y luego usando NSLS para descubrir exactamente lo que sucedió ".

Futuro de la técnica

La LZA es la primera máquina de este tipo en el mundo, pero indica un avance espectacular en la ampliación de la nanotecnología diseñada meticulosamente. El láser incluso se puede utilizar para "dibujar" estructuras a lo largo de la superficie, lo que significa que las nanoestructuras se pueden ensamblar en patrones bien definidos. Este incomparable control de síntesis abre la puerta a aplicaciones complejas, incluida la electrónica.

"Realmente no hay límite para el tamaño de una muestra que esta técnica podría manejar, "Dijo Yager." De hecho, podría ejecutarlo en modo rollo a rollo, una de las tecnologías de fabricación líderes ".

Los científicos planean desarrollar aún más la nueva técnica para crear estructuras multicapa que podrían tener un impacto inmediato en los recubrimientos antirreflectantes. células solares mejoradas, y electrónica avanzada.