Una nueva nanohoja autoensamblable podría acelerar radicalmente el desarrollo de nanomateriales funcionales y sostenibles para electrónica, almacenamiento de energía, salud y seguridad, y más.
Desarrollada por un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), la nueva nanohoja autoensamblable podría extender significativamente la vida útil de los productos de consumo. Y como el nuevo material es reciclable, también podría permitir un enfoque de fabricación sostenible que mantenga los envases y productos electrónicos de un solo uso fuera de los vertederos.
El equipo es el primero en desarrollar con éxito un material de barrera multiuso y de alto rendimiento a partir de nanohojas autoensamblables. El avance fue informado en Nature .
"Nuestro trabajo supera un obstáculo de larga data en la nanociencia:ampliar la síntesis de nanomateriales para convertirlos en materiales útiles para aplicaciones comerciales y de fabricación", dijo Ting Xu, el investigador principal que dirigió el estudio. "Es realmente emocionante porque llevamos décadas preparándolo".
Xu es científico senior de la facultad de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.
Un desafío al aprovechar la nanociencia para crear materiales funcionales es que es necesario unir muchas piezas pequeñas para que el nanomaterial pueda crecer lo suficiente como para ser útil. Si bien apilar nanohojas es una de las formas más sencillas de convertir nanomateriales en un producto, los "defectos de apilamiento" (espacios entre las nanohojas) son inevitables cuando se trabaja con nanohojas o nanoplaquetas existentes.
"Si visualizas la construcción de una estructura 3D a partir de mosaicos delgados y planos, tendrás capas hasta la altura de la estructura, pero también tendrás espacios en cada capa donde se unen dos mosaicos", dijo la primera autora Emma Vargo, ex estudiante de posgrado investigador en el grupo Xu y ahora becario postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley. "Es tentador reducir el número de espacios haciendo los mosaicos más grandes, pero resulta más difícil trabajar con ellos", afirmó Vargo.
El nuevo material de nanohojas supera el problema de los defectos de apilamiento al omitir por completo el enfoque de hojas apiladas en serie. En cambio, el equipo mezcló mezclas de materiales que se sabe que se autoensamblan en pequeñas partículas con capas alternas de los materiales componentes, suspendidos en un solvente. Para diseñar el sistema, los investigadores utilizaron mezclas complejas de nanopartículas, moléculas pequeñas y supramoléculas basadas en copolímeros de bloque, todas ellas disponibles comercialmente.
Los experimentos en la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ayudaron a los investigadores a comprender las primeras etapas burdas del autoensamblaje de las mezclas.
A medida que el disolvente se evapora, las pequeñas partículas se fusionan y organizan espontáneamente, formando capas gruesas y luego solidificándose en densas nanohojas. De esta manera, las capas ordenadas se forman simultáneamente en lugar de apilarse individualmente en un proceso en serie. Las piezas pequeñas sólo necesitan moverse distancias cortas para organizarse y cerrar espacios, evitando los problemas de mover "fichas" más grandes y los inevitables espacios entre ellas.
A partir de un estudio anterior dirigido por Xu, los investigadores sabían que la combinación de mezclas de nanocompuestos que contienen múltiples "bloques de construcción" de diversos tamaños y químicas, incluidos polímeros y nanopartículas complejos, no sólo se adaptaría a las impurezas sino que también desbloquearía la entropía de un sistema, el desorden inherente en mezclas de materiales que el grupo de Xu aprovechó para distribuir los componentes básicos del material.
El nuevo estudio se basa en este trabajo anterior. Los investigadores predijeron que la mezcla compleja utilizada para el estudio actual tendría dos propiedades ideales:además de tener una alta entropía para impulsar el autoensamblaje de una pila de cientos de nanohojas formadas simultáneamente, también esperaban que el nuevo sistema de nanohojas fuera mínimamente afectado por diferentes químicas de superficie. Razonaron que esto permitiría que la misma mezcla forme una barrera protectora en varias superficies, como la pantalla de vidrio de un dispositivo electrónico o una máscara de poliéster.
Para probar el rendimiento del material como revestimiento de barrera en varias aplicaciones diferentes, los investigadores contaron con la ayuda de algunas de las mejores instalaciones de investigación del país.
Durante los experimentos en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores trazaron cómo se une cada componente y cuantificaron sus movilidades y la manera en que cada componente se mueve para hacer crecer un material funcional.
Con base en estos estudios cuantitativos, los investigadores fabricaron recubrimientos de barrera aplicando una solución diluida de polímeros, pequeñas moléculas orgánicas y nanopartículas a varios sustratos:un vaso de precipitados y una membrana de teflón, una película de poliéster, películas de silicio gruesas y delgadas, vidrio e incluso un prototipo. de un dispositivo microelectrónico y luego controlar la velocidad de formación de la película.
Los experimentos con microscopio electrónico de transmisión en la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley muestran que cuando el solvente se evaporó, una estructura en capas altamente ordenada de más de 200 nanohojas apiladas con muy baja densidad de defectos se había autoensamblado en los sustratos. Los investigadores también hicieron cada nanohoja de 100 nanómetros de espesor con pocos agujeros y espacios, lo que hace que el material sea particularmente efectivo para prevenir el paso de vapor de agua, compuestos orgánicos volátiles y electrones, dijo Vargo.
Otros experimentos en Molecular Foundry demostraron que el material tiene un gran potencial como dieléctrico, un material aislante de "barrera electrónica" comúnmente utilizado en condensadores para almacenamiento de energía y aplicaciones informáticas.
En colaboración con investigadores del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley, Xu y su equipo demostraron que cuando el material se utiliza para recubrir membranas porosas de teflón (un material común utilizado para fabricar máscaras protectoras), es muy eficaz para filtrar compuestos orgánicos volátiles que pueden comprometer la calidad del aire interior.
En un experimento final en el laboratorio de Xu, los investigadores demostraron que el material se puede redisolver y refundir para producir una nueva capa de barrera.
Ahora que han demostrado con éxito cómo sintetizar fácilmente un material versátil y funcional para diversas aplicaciones industriales a partir de un único nanomaterial, los investigadores planean ajustar la reciclabilidad del material y agregar capacidad de ajuste de color (actualmente viene en azul) a su repertorio. P>
Más información: Ting Xu, Compuestos funcionales mediante la programación del crecimiento de nanohojas impulsado por entropía, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06660-x. www.nature.com/articles/s41586-023-06660-x
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
