El color agregado en esta imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra lo discreto, capas autoensambladas dentro de estas nuevas nanoestructuras. Las barras de color azul pálido son cada una aproximadamente 4, 000 veces más delgado que un solo cabello humano. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
La construcción de nanomateriales con características que abarcan solo una mil millonésima parte de un metro requiere una precisión extraordinaria. Ampliar esa construcción al tiempo que aumenta la complejidad presenta un obstáculo importante para el uso generalizado de tales materiales de nanoingeniería.
Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado una forma de crear de manera eficiente multicapa Estructuras a nanoescala de múltiples patrones con una complejidad sin precedentes.
El equipo de Brookhaven aprovechó el autoensamblaje, donde los materiales se juntan espontáneamente para formar la estructura deseada. Pero introdujeron un salto significativo en la inteligencia material, porque cada capa autoensamblada ahora guía la configuración de capas adicionales.
Los resultados, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , ofrecer un nuevo paradigma para el autoensamblaje a nanoescala, nanotecnología potencialmente avanzada utilizada para la medicina, generacion de energia, y otras aplicaciones.
"Hay algo asombroso y gratificante en la creación de estructuras que nadie ha visto antes, "dijo el coautor del estudio Kevin Yager, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab. "Llamamos torre a este edificio receptivo similar a capas, pero donde cada ladrillo es inteligente y contiene instrucciones para los siguientes ".
La técnica fue pionera en su totalidad en el CFN, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
"El truco consistía en 'sellar' químicamente cada capa para hacerla lo suficientemente robusta como para que las capas adicionales no la interrumpan, "dijo el autor principal Atikur Rahman, un postdoctorado de Brookhaven Lab durante el estudio y ahora profesor asistente en el Instituto Indio de Educación e Investigación Científica, Pune. "Esto nos otorgó un control sin precedentes. Ahora podemos apilar cualquier secuencia de capas autoorganizadas para crear estructuras 3D cada vez más complejas".
Guiar conversaciones a nanoescala
Otros métodos de nanofabricación, como la litografía, pueden crear nanoestructuras precisas, pero la ordenación espontánea del autoensamblaje lo hace más rápido y sencillo. Más lejos, las capas sensibles empujan esa eficiencia en nuevas direcciones, habilitando, por ejemplo, estructuras con canales internos o cavidades que serían extremadamente difíciles de realizar por cualquier otro medio.
"El autoensamblaje es económico y escalable porque está impulsado por interacciones intrínsecas, ", dijo el coautor del estudio y científico de CFN Gregory Doerk." Evitamos las complejas herramientas que se utilizan tradicionalmente para tallar nanoestructuras precisas ".
La colaboración CFN utilizó películas delgadas de copolímeros de bloque (BCP), cadenas de dos moléculas distintas unidas entre sí. A través de técnicas bien establecidas, los científicos esparcen películas de BCP a través de un sustrato, calor aplicado, y observó cómo el material se ensamblaba a sí mismo en una configuración prescrita. Imagínese extendiendo LEGOs sobre una bandeja para hornear, metiéndolo en el horno, y luego verlo emerger con cada pieza elegantemente ensamblada en perfecto orden.
Sin embargo, estos materiales son convencionalmente bidimensionales, y simplemente apilarlos produciría un desorden desordenado. Así que los científicos del Brookhaven Lab desarrollaron una forma de hacer que las capas autoensambladas "hablaran" discretamente entre sí.
Esta imagen muestra la gama de morfologías multicapa logradas mediante esta nueva técnica. La primera columna muestra una sección transversal de las nuevas nanoestructuras 3-D capturadas por microscopía electrónica de barrido (SEM). Las representaciones por computadora en la segunda columna resaltan la integridad y diversidad de cada capa distinta, mientras que la vista aérea SEM de la tercera columna revela los patrones complejos logrados a través de la estratificación "inteligente". Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
El equipo infundió cada capa con un vapor de moléculas inorgánicas para sellar la estructura, un poco como aplicar goma laca a nanoescala para preservar un rompecabezas recién ensamblado.
"Ajustamos el paso de infiltración de vapor para que la estructura de cada capa exhiba contornos de superficie controlados, ", Dijo Rahman." Las capas posteriores se sienten y responden a esta topografía sutil ".
El coautor Pawel Majewski agregó:"Esencialmente, abrimos una 'conversación' entre capas. Los patrones de la superficie generan una especie de diafonía topográfica, y cada capa actúa como plantilla para la siguiente ".
Configuraciones exóticas
Como ocurre a menudo en la investigación fundamental, esta diafonía fue un fenómeno inesperado.
"Nos sorprendió la primera vez que vimos cómo se ordenaban las plantillas de una capa a la siguiente, Dijo Rahman. "Supimos de inmediato que teníamos que probar exhaustivamente todas las combinaciones posibles de capas de película y explorar el potencial de la técnica".
La colaboración demostró la formación de una amplia gama de nanoestructuras, incluidas muchas configuraciones nunca antes observadas. Algunos contenían cámaras huecas, clavijas redondas, varillas y formas sinuosas.
"Este fue realmente un esfuerzo hercúleo por parte de Atikur, "Dijo Yager." Las muestras de múltiples capas cubrieron una asombrosa gama de combinaciones ".
Los coautores del estudio Pawel Majewski y Kevin Yager están preparando películas a nanoescala de materiales de autoensamblaje. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Mapeo de estructuras nunca antes vistas
Los científicos utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) para sondear las características a nanoescala, obteniendo detalles transversales de las estructuras emergentes. Un haz de electrones enfocado bombardeó la muestra, rebotando en las características de la superficie antes de ser detectadas para permitir la reconstrucción de una imagen que representa la configuración exacta.
Complementaron esto con la dispersión de rayos X en la Fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven, otra instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE. La técnica de dispersión penetrante permitió a los investigadores sondear la estructura interna.
"CFN reúne una concentración única de habilidades, intereses, y Tecnología, ", dijo el director y coautor de CFN Charles Black." En una instalación, tenemos gente interesada en crear, mudado, y estructuras de medición:así es como podemos tener este tipo de avances inesperados y altamente colaborativos ".
Este avance fundamental amplía sustancialmente la diversidad y complejidad de las estructuras que se pueden hacer con el autoensamblaje, y, en consecuencia, amplía la gama de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, Las intrincadas nanoestructuras tridimensionales podrían producir mejoras transformadoras en membranas nanoporosas para la purificación de agua. biodetección, o catálisis.
