Abajo en la nanoescala, donde los objetos abarcan apenas mil millonésimas de metro, el tamaño y la forma de un material a menudo pueden tener efectos electrónicos y ópticos sorprendentes y poderosos. La construcción de materiales más grandes que conservan características sutiles a nanoescala es un desafío continuo que da forma a innumerables tecnologías emergentes.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado una nueva técnica para crear rápidamente cuadrículas nanoestructuradas para materiales funcionales con una versatilidad sin precedentes.

"Podemos fabricar rejillas multicapa compuestas de diferentes materiales en prácticamente cualquier configuración geométrica, ", dijo el coautor del estudio y científico de Brookhaven Lab, Kevin Yager." Al controlar de forma rápida e independiente la estructura y la composición a nanoescala, podemos adaptar el rendimiento de estos materiales. Crucialmente, el proceso se puede adaptar fácilmente para aplicaciones a gran escala ".

Los resultados, publicados en línea el 23 de junio en la revista Comunicaciones de la naturaleza —Podría transformar la fabricación de revestimientos de alta tecnología para superficies antirreflectantes, células solares mejoradas, y electrónica de pantalla táctil.

Los científicos sintetizaron los materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab y caracterizaron las arquitecturas a nanoescala utilizando microscopía electrónica en CFN y dispersión de rayos X en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

La nueva técnica se basa en el autoensamblaje de polímeros, donde las moléculas están diseñadas para ensamblarse espontáneamente en estructuras deseadas. El autoensamblaje requiere una ráfaga de calor para que las moléculas encajen en las configuraciones adecuadas. Aquí, un láser intensamente caliente barrió la muestra para transformar bloques de polímero desordenados en arreglos precisos en solo segundos.

"Las estructuras autoensambladas tienden a seguir automáticamente las preferencias moleculares, haciendo que las arquitecturas personalizadas sean un desafío, "dijo el autor principal Pawel Majewski, investigador postdoctoral en Brookhaven. "Nuestra técnica láser fuerza a los materiales a ensamblarse de una manera particular. Luego podemos construir estructuras capa por capa, construyendo celosías compuestas por cuadrados, rombos, triangulos, y otras formas ".

Nanohilos ensamblados por láser

Para el primer paso en la construcción de la red, el equipo aprovechó su reciente invención del recocido de zona láser (LZA) para producir los picos térmicos extremadamente localizados necesarios para impulsar el autoensamblaje ultrarrápido.

Para aprovechar aún más el poder y la precisión de LZA, los investigadores aplicaron una capa elástica sensible al calor encima de la película de polímero sin ensamblar. El calor del láser de barrido hace que la capa elástica se expanda, como una envoltura retráctil en reversa, lo que tira y alinea los cilindros a nanoescala que se forman rápidamente.

"El resultado final es que en menos de un segundo, podemos crear lotes de nanocilindros altamente alineados, "dijo el coautor del estudio Charles Black, quien lidera el grupo de Nanomateriales Electrónicos en CFN. "Este orden persiste en áreas macroscópicas y sería difícil de lograr con cualquier otro método".

Para hacer que estas cuadrículas bidimensionales sean funcionales, los científicos convirtieron la base de polímero en otros materiales.

Un método consistía en tomar la capa de nanocilindros y sumergirla en una solución que contenía sales metálicas. Estas moléculas luego se adhieren al polímero autoensamblado, convirtiéndolo en una malla metálica. Se puede utilizar una amplia gama de metales reactivos o conductores, incluyendo platino, oro, y paladio.

También utilizaron una técnica llamada deposición de vapor, donde un material vaporizado se infiltra en los nano-cilindros de polímero y los transforma en nano-alambres funcionales.

Celosía capa por capa

La primera matriz de nanoalambres completada actúa como la base de la red completa. Capas adicionales, cada uno siguiendo variaciones de ese mismo proceso, luego se apilan para producir productos personalizados, configuraciones entrecruzadas, como cercas de eslabones de cadena 10, 000 veces más delgado que un cabello humano.

"La dirección del barrido del láser a través de cada capa sin ensamblar determina la orientación de las filas de nanoalambres, ", Dijo Yager." Cambiamos la dirección del láser en cada capa, y la forma en que las filas se cruzan y se superponen da forma a la cuadrícula. Luego aplicamos los materiales funcionales después de que se forma cada capa. Es una forma excepcionalmente rápida y sencilla de producir configuraciones tan precisas ".

Coautor del estudio Atikur Rahman, un investigador postdoctoral CFN, adicional, "Podemos apilar metales en aisladores, también, incrustando diferentes propiedades funcionales e interacciones dentro de una estructura de celosía.

"El tamaño y la composición de la malla marcan una gran diferencia, "Rahman continuó." Por ejemplo, una sola capa de nano-cables de platino conduce la electricidad en una sola dirección, pero una malla de dos capas conduce uniformemente en todas las direcciones ".

LZA es lo suficientemente precisa y potente como para superar las interacciones de la interfaz, lo que le permite impulsar el autoensamblaje del polímero incluso sobre capas subyacentes complejas. Esta versatilidad permite el uso de una amplia variedad de materiales en diferentes configuraciones de nanoescala.

"Podemos generar casi cualquier forma de celosía bidimensional, y así tener mucha libertad para fabricar nanoestructuras multicomponente, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."