С небольшой помощью новый оптический материал собирается сам

Исследовательская группа во главе с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) продемонстрировала крошечные концентрические нанокольца, которые самособираются в оптический материал с точностью и эффективностью.Их работа решает давнюю проблему нанонауки — молекулярные примеси. Исследователи описали свою работу в журналах ACS Nano и Advanced Materials.

Новые результаты могут позволить крупномасштабное производство многофункциональных нанокомпозитов — материалов, состоящих из различных компонентов в масштабе одной миллиардной доли метра. Такие материалы могут позволить создать усовершенствованную волоконную оптику для высокоскоростной широкополосной связи и многофункциональные покрытия для зданий, автомобилей и аэрокосмической отрасли.

Как сообщается в ACS Nano, новый метод уговаривает различные смеси полимеров и наночастиц спонтанно формировать крошечные вложенные кольца в течение нескольких минут после добавления в смесь примеси, такой как небольшая органическая молекула.

«Это нас полностью удивило», — сказал старший автор Тинг Сюй, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «В нанонауке материал обычно должен состоять из идеальных ингредиентов с химическим сродством или совместимостью, иначе это «мусор на входе, мусор на выходе». Поэтому, когда мы впервые сделали наблюдение более 10 лет назад, мы не могли его объяснить, но оказалось, что за счет увеличения разнообразия ингредиентов сложная система приобретает способность самоадаптироваться и контролировать недостатки».

Когда маленькие органические молекулы играют большую роль

В исследовании ACS Nano исследователи знали, что «подобное ищет подобное», и поэтому предсказали, что определенная масса небольших органических молекул при смешивании с химическим разнообразием частиц, наночастиц и молекул разного размера будет рассеиваться по разным регионам. или «нанодомены» в смеси.

Они предсказали, что эта молекулярная миграция высвободит энтропию системы, тип энергии, которая помогает распределять строительные блоки материала и заставлять неорганические наночастицы организовываться в серию концентрических колец.

Чтобы проверить свою гипотезу, команда Сюй смешала 14 различных композитных смесей, содержащих наночастицы оксида железа и олеиновой кислоты (диаметром 20-30 нанометров); супрамолекула на основе блок-сополимера; небольшие органические молекулы; и частицы кремнезема (диаметром 100-300 нанометров), покрытые крошечными полистироловыми щеточками толщиной примерно 6-14 нанометров.

Затем команда провела эксперименты с электронной микроскопией в лаборатории молекулярной литейной лаборатории Беркли и рентгеновские исследования в лаборатории усовершенствованного источника света лаборатории Беркли, чтобы выявить структуру и пространственное распределение каждого ингредиента в полученных материалах.

С помощью этих экспериментов команда Сюй доказала, что смеси нанокомпозитов, содержащие четыре или более компонентов разного размера и химического состава, включая сложные полимеры и наночастицы, могут содержать примеси.

Более того, они продемонстрировали, что добавление нужного количества примесей — в данном случае небольших органических молекул — к нанокомпозиту заставляет другие молекулы в смеси спонтанно образовывать идеально вложенные нанокольца в течение нескольких минут.

«Это более щадящий подход для производителей к разработке функциональных наноматериалов в больших коммерческих масштабах», — сказал Сюй. «Рецептура больше не ограничивается конкретной комбинацией строительных блоков, и вы можете выбрать, какие молекулы использовать, в зависимости от конечных потребностей».

Могут ли самособирающиеся нанокруги направлять лучи света?

В последующем исследовании Advanced Materials Сюй и ее команда демонстрируют концентрические кольца, которые самособираются из различных полимерных растворов «в качестве испытательного стенда, чтобы увидеть, насколько мы можем контролировать систему, и посмотреть, как система реагирует на примеси», — сказала она. .

Используя свою технику, команда Сюй создала самособирающиеся нанокруги диаметром всего 500 нанометров — размером с длину волны света или даже меньше.

«И это действительно важно, если мы хотим использовать эти микроскопические структуры для управления распространением света» в волоконно-оптической связи или оптоэлектронике, — сказал Цзе Яо, научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и доцент кафедры материаловедения и инженерии. в Калифорнийском университете в Беркли, который вместе с Сюй руководил исследованием Advanced Materials.

Команда под руководством Яо испытала нанокруги в экспериментах в Калифорнийском университете в Беркли и в отделе материаловедения лаборатории Беркли. Исследователи обнаружили, что когда они направляли луч видимого света через концентрический нанокруг, структура взаимодействует с физическим свойством света, называемым орбитальным угловым моментом или OAB, которое преобразует форму луча в спираль или спираль.

Они также узнали, что некоторые конструкции нанокругов могут направлять свет по спирали влево или вправо — свойство в физике известное как спиральность.

Яо добавил, что наноматериалы, которые кодируют спиральность в лучи света, могут удвоить или даже утроить пропускную способность обычных волоконно-оптических сетей для интернет-коммуникаций, а также продвинуть новые технологии беспроводной связи, такие как оптика в свободном пространстве.

Новый метод также может сэкономить время и деньги отрасли. «С подходом команды Сюй создание наноструктуры занимает всего несколько минут, поэтому стоимость снижается, подход можно повторять снова и снова, и он подходит для массового производства», — сказал он.

«Мы считаем, что нанокомпозиты — это будущее функциональных материалов», — сказал Сюй. «После более десятка лет исследований мы, наконец, преодолели узкое место в переносе того, что исследователи узнают в лаборатории, в реальное производство. Это очень приятно».

Кэтрин Эванс и Эмма Варго из лаборатории Сюй в Калифорнийском университете в Беркли изготовили нанокольца для исследований.

Advanced Light Source и Molecular Foundry являются пользовательскими объектами в лаборатории Беркли.

Работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.

Связанный