Nanomateriales autoensamblables para una fabricación sostenible

A medida que los dispositivos electrónicos se hacen más pequeños, los materiales necesarios para hacerlos también se hacen más pequeños. Nanociencia Es el estudio de materiales extremadamente pequeños que encuentran usos en almacenamiento de energía, electrónica, aplicaciones de salud y seguridad y más.

Ahora un equipo liderado por el Departamento de Energía de EE.UU. (Ministerio de Energía) El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha desarrollado un nuevo método de autoensamblaje para fabricar múltiples capas. 2D Nano papeles. Una nanohoja es un material extremadamente pequeño, parecido a una lasaña, hecho de capas muy finas de polímeros y nanopartículas.

Estas nanohojas han reducido significativamente el número de defectos en comparación con métodos anteriores, lo que prolongará la vida útil de algunos dispositivos electrónicos de consumo. Debido a que las nanohojas fabricadas con este nuevo método son reciclables, este método también puede permitir un enfoque de fabricación sostenible que reduzca la cantidad de piezas de un dispositivo electrónico que deben desecharse en los vertederos.

«Nuestro trabajo supera un obstáculo de larga data en la nanociencia: expandir la fabricación de nanomateriales para convertirlos en materiales útiles para aplicaciones comerciales y de fabricación. «Es realmente emocionante porque esto lleva décadas preparándose». —Ting Xu, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

El equipo es el primero en desarrollar con éxito un material de barrera multiuso y de alto rendimiento a partir de nanohojas autoensambladas. Los investigadores utilizaron la fuente de fotones avanzada (Agencia de Noticias de Argelia), a Ministerio de Energía Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en Ministerio de EnergíaLaboratorio Nacional Argonne. Fue un gran avance Reportado en la revista. naturaleza.

««Nuestro trabajo supera un obstáculo de larga data en la nanociencia: expandir la fabricación de nanomateriales a materiales útiles para aplicaciones industriales y comerciales», dijo el científico principal del Laboratorio Berkeley, Ting Xu, investigador principal que dirigió el estudio. ​««Es realmente emocionante porque esto lleva décadas preparándose».

Uno de los desafíos de aprovechar la nanociencia para crear materiales funcionales es que es necesario unir muchas piezas pequeñas. Esto es para que el nanomaterial pueda crecer lo suficiente como para ser útil. Si bien el apilamiento de nanohojas es una de las formas más sencillas de convertir nanomateriales en un producto, ​«Los “defectos de apilamiento” (espacios entre nanohojas) son inevitables cuando se trabaja con nanohojas existentes.

«Si imagina construir un 3D A partir de baldosas finas y planas, tendrás capas que llegan hasta la altura de la estructura. «Pero también habrá espacios en cada capa donde se unen los dos mosaicos», dijo la primera autora Emma Fargo, ex estudiante de posgrado e investigadora postdoctoral en el Laboratorio de Berkeley. ​«“Es tentador reducir el número de espacios haciendo las losas más grandes, pero resulta más difícil trabajar con ellas”, dice Vargo.

El nuevo material de nanoláminas supera el problema del apilamiento de defectos al evitar por completo el enfoque de láminas apiladas secuencialmente. En cambio, el equipo mezcló una mezcla de materiales que se sabe que se autoensamblan en moléculas pequeñas. Utilizaron capas alternas de materiales constituyentes, suspendidos en un disolvente.

Experimentos sobre la fuente de neutrones de fragmentación, A. Ministerio de Energía Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en Ministerio de EnergíaEl Laboratorio Nacional Oak Ridge en Oak Ridge ayudó a los investigadores a comprender las primeras y aproximadas etapas del autoensamblaje de mezclas. A medida que el disolvente se evapora, las pequeñas partículas se agregan y se organizan espontáneamente en capas de matriz rugosas. Luego se solidifican en densas nanohojas. De esta manera, las capas ordenadas se forman simultáneamente en lugar de apilarse una tras otra en un proceso secuencial. Las piezas pequeñas solo necesitan moverse distancias cortas para organizarlas y llenar los huecos. Esto evita aún más problemas de movilidad. ​«azulejos” y los inevitables espacios entre ellos.

Los investigadores esperaban que la mezcla compleja utilizada en el estudio actual tuviera dos propiedades ideales. También esperaban que el nuevo sistema de nanoplacas se viera ligeramente afectado por la diferente química de la superficie. Razonaron que esto permitiría que la misma mezcla formara una barrera protectora en una variedad de superficies, como la pantalla de vidrio de un dispositivo electrónico o una máscara de poliéster.

Para probar el rendimiento del material como capa aislante en muchas aplicaciones diferentes, los investigadores contaron con la ayuda de algunas de las mejores instalaciones de investigación del país.

Durante los experimentos en Agencia de Noticias de ArgeliaLos investigadores estudiaron cómo una mezcla de polímeros, pequeñas moléculas orgánicas y nanopartículas forma una capa en la pared interna de un capilar de cuarzo cuando el solvente se evapora lentamente en aire seco.

«gracias por brillar rayos x producido por Agencia de Noticias de Argelia y un detector de rayos X avanzado colocado en Beamline 8-ID-I«Pudimos mapear cómo se une cada componente en una amplia gama de escalas de longitud», dijo el científico de Argonne Qingting Zhang, coautor del artículo.

Ahora que han demostrado con éxito cómo fabricar fácilmente un material versátil y funcional para diversas aplicaciones industriales a partir de un único nanomaterial, los investigadores planean mejorar la reciclabilidad del material. También agregarán a su repertorio la posibilidad de ajustar colores (actualmente está disponible en azul).

el Agencia de Noticias de Argelia En proceso de actualización integral. Cuando se complete la actualización Agencia de Noticias de Argelia Permitirá investigar el autoensamblaje de nanopartículas desde la nanoescala hasta la escala del dispositivo, comenzando desde el inicio del proceso de autoensamblaje.

referencia: Fargo E, Ma L, Li H, et al. Compuestos funcionales mediante programación de crecimiento de nanohojas basada en entropía. naturaleza. 2023;623(7988):724-731. doi: 10.1038/s41586-023-06660-x

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