纳米粒子薄膜在一分钟内自组装

在溶剂退火时，由金纳米颗粒和嵌段共聚物制成的超分子将在一分钟内自组装成高度有序的薄膜。

通过将基于嵌段共聚物组合的SuprameLuces与金纳米颗粒组合，伯克利实验室研究人员创造了自组装纳米颗粒阵列，可以在一分钟内形成高度有序的薄膜。

在微观晶片晶片上采取小时以形成薄膜的自组装纳米粒子的日子结束。与美国能源部的研究人员（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）设计了一种技术，即自组装纳米粒子阵列可以在一分钟内在宏观距离上形成高度有序的薄膜。

一种具有Berkeley Lab的材料科学家的聚合物科学家，LED研究了一种研究，其中基于嵌段共聚物的Supramelules与金纳米颗粒组合以产生纳米复合材料，该纳米复合材料在溶剂退火下迅速自组装成跨越几个区域的分层结构薄膜。平方厘米。该技术与当前的纳米制造过程兼容，并且具有在包括太阳能，纳米电子和计算机存储器存储的各个区域中的应用产生新的光学涂层家庭。这种技术甚至可以开辟新的途径以制造超材料，具有显着光学性质的人工纳米结构。

“我们的技术可以在硅晶片的大部分地区迅速产生惊人的纳米粒子组件，”徐也持有加州大学（UC）伯克利材料科学和工程部门和化学的联合任命。“你可以把它视为煎饼击球手，你可以散布在扒手上，等待一分钟，你有一个煎饼准备吃饭。”

徐是一篇论文的相应作者，其在自然通信中描述了本质上的研究，标题为“在一分钟内快速制造分层结构的超分子纳米复合薄膜”。共同作者是Joseph Kao，Kari Thorkelsson，Peter Bai，Zhen张和郑孙。

纳米粒子用作人造原子，具有独特的光学，电气和机械性能。如果纳米颗粒可以诱导自组装成复杂的结构和分层模式，类似于用蛋白质的性质，它将使得能量生产的批量生产一千次在当今微技术中使用的设备。

徐和她的研究小组一直稳步推进这种最终目标。最近，他们的重点是使用嵌段共聚物的超分子溶液引导纳米粒子阵列的自组装。Supramolecule是一组分子，其充当能够执行特定功能组的单个分子。嵌段共聚物是一种单体的长序列或“嵌段”与另一种单体的嵌段有一定的单体，其具有先天式能力，该能力将自组装成在宏观距离上的明确定义的纳米结构阵列中。

“嵌段基于共聚物的超分子自组装并形成各种形态，其特征在于尺寸通常为几十纳米的微氮瘤，”徐说。“随着它们的尺寸与纳米颗粒的尺寸相当，SuprameoLues的微粒子为纳米粒子阵列的自组装提供了理想的结构框架。”

AFM相位图像在光刻图案化的沟槽中示出了50nm纳米复合薄膜，其在几分钟内在宏观距离上形成单向纳米颗粒阵列。明亮的圆点表示5nm金纳米颗粒，如示意图所示。

在由徐和她的同事设计的超分子技术中，将金纳米颗粒阵列掺入SuprameCules的溶液中，以形成约200纳米厚的薄膜。通过溶剂退火，使用氯仿作为溶剂，将纳米颗粒阵列组织成三维圆柱形微摩粉，其以与表面的并联取向堆积成扭曲的六边形格子。纳米粒子自组装中的分层结构控制的这种显示令人印象深刻，但只有一半的比赛。

“与纳米制造方法相容，自组装制造过程也必须在几分钟内完成，以最小化由于暴露于加工环境而导致的纳米粒子特性的任何降解，”徐说。

她和她的小组在暴露于溶剂蒸汽时系统地分析了在其超分子纳米复合薄膜中自组装的热力学和动力学。他们发现，通过优化单一参数，溶剂的量，可以精确地定制溶剂，装配动力学，以在一分钟内生产分层结构薄膜。

“通过从非共价附加到聚合物侧链的小分子中构建我们的基于嵌段共聚物的超分子，我们改变了能量景观，使溶剂含量成为最重要的因素，”徐说。“这使我们能够通过添加非常少量的溶剂，约30％厚膜的馏分的增加，使我们实现纳米粒子阵列的快速排序。”

纳米复合薄膜的光学性质取决于缺乏纳米颗粒的性质和沿不同方向的明确限定的颗粒间距上。鉴于金纳米颗粒阵列的尺寸小于可见光波长的至少一个数量级，徐和她的同事的超分子技术具有强大的潜力，用于制造超材料。近年来，这些人造材料始终是很多关注，因为它们的电磁特性在天然材料中是无法实现的。例如，超材料可以具有负折射率，其能够向后弯曲，与本质上的所有材料不同，这弯曲了光线。

“我们的金纳米复合薄膜表现出强大的波长依赖性光学各向异性，可以通过改变溶剂处理来仅限定制，”徐说。“这提出了一种用于制造超材料的可行替代品。”

虽然徐和她的同事在其薄膜中使用了金纳米颗粒，但超分子方法也与其他化学组合物的纳米颗粒相容。

“我们应该能够创建一个设计用于轻型操纵和其他性质的纳米粒子组件图书馆，”徐说，“使用与当今最广泛使用的纳米制造过程兼容的技术，包括刀片涂层，喷墨印刷和动态区退火。”

该研究由DOE科学办公室资助，并利用Argonne National实验室的先进光子来源，这是一个科学用户设施的Doe办事处。

出版物：Joseph Kao等，“在一分钟内快速制造分层结构化的超分子纳米复合薄膜，”自然通信5，物品编号：4053; DOI：10.1038 / ncomms5053

图片：Ting Xu，Berkeley Lab / UC Berkeley