10 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerkスポットライト) ナノスケールでの光の制御は、局在表面プラズモン共鳴 (LSPR) と呼ばれる奇妙な量子力学的現象を利用しようとする研究者を長い間魅了してきました。光が金属と相互作用するとき ナノ粒子 (NP) その波長よりもはるかに小さいため、いくつかの注目すべきことが起こります。エネルギーはナノメートルのホットスポットに圧縮され、電子は共鳴周波数に合わせて集団的に踊り、光場は指数関数的に強化され、光ベースの技術に新たな可能性が開かれます。
しかし、LSPRを完全に利用する複雑な3D NP構造を構築する方法が不足しているため、進歩は依然として遅れています。永続的な課題は、構成とアーキテクチャの微調整された制御を維持しながら、NP を垂直にスタックするシンプルかつスケーラブルな方法を見つけることです。自己組織化技術では NP クラスターを自発的に成長させることができますが、従来の化学アプローチでは特殊な形状を作成したり、粒子を意図的に配置したりするのが困難です。
固液界面の勾配に依存する方法では、粒子の自己集合を 3 次元または XNUMX 次元でしか活用できません。最近のテンプレート誘導型 XNUMXD プリンティング手法では、高さ数センチメートルのプラズモニック超格子の構築に成功しています。しかし、反復作業に必要なカスタマイズされたピラー設計の小さなバッチを作成するのに苦労しています。 ナノエンジニアリング。
また、ナノ構造は限られたゾーンではなく広範囲の蒸着領域にわたって成長するため、パターンの複雑さと大規模な均一性の間にはトレードオフの関係もあります。これは、ラボベースのイノベーションを特殊なモジュールやナノデバイスに効率的に変換するための実際的な課題につながります。
調査結果を報告する S (「ハイブリッドプラズモニックアーキテクチャを書くためのナノ万年筆」）、韓国のエンジニアと科学者の学際的なチームは、オーダーメイドの NP の組み合わせで作られた多様な自立型「コロイド柱」を 3D プリントする創造的な戦略を開発しました。彼らは、毛細管の流れと溶媒の蒸発のバランスをとり、NP サスペンションの流体自己集合を指示する特殊な万年筆を構築しています。これは本質的に物理学を通じて物質の自律的な組織化を導きます。
万年筆にインスピレーションを得たマイクロメートルスケールの書き込み。 a) 万年筆を使って書くスキーム。 b) NP分散インク用の極細万年筆。スケールバーは 5 μμm を表します。 c) 点状コロイド集合体のスキーム。 d) コロイド集合体によって書かれたマイクロメートルサイズのテキスト (左) と半ドーナツ構造の SEM 画像 (右)。左と右の画像のスケール バーは、それぞれ 50 μm と 1 μm を表します。 e) 3D コロイド集合体のスキーム。 f ) 多様な 3D コロイド集合体 (左) と NP の充填 (右)。スケール バーは 10 μm (黒) と 1 μm (白) を表します。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
この画期的な進歩により、粒子サイズとナノ材料を混合することにより、サブミクロンのピラーの光学的および構造的特性を正確に調整できるようになります。概念の実証として、研究者らは湿度応答性の NP/生体材料アクチュエータを実証しています。この根本的な進歩により、カスタマイズされたプラズモニックを設計するための非常に多用途でアクセスしやすいプラットフォームが確立されます。 メタマテリアル。
この低コスト、高スループットの溶液処理技術により、単一ピラー内で粒子サイズと材料を混合することで光学特性を調整できます。研究者らは、湿度応答性ナノアクチュエーターなどの潜在的な応用例を紹介しています。この進歩により、カスタマイズされた 3D プラズモニック構造を製造するための非常に汎用性の高いプラットフォームが確立されます。 ナノフォトニクス、光触媒およびナノスケールデバイス。
重要な革新は、インク ペンの基本的な仕組みを縮小し、再考することにあります。マクロスケールでは、万年筆は紙上の溶媒が蒸発する間、継続的に供給される湿ったインクに依存しています。研究チームは、この書き込みプロセスを顕微鏡レベルで模倣する、先細のガラス製マイクロキャピラリーチューブを設計しました。
コロイド状 NP インクに浸すと、細いチューブの先端が幅わずか数ミクロンの蒸発毛細管ブリッジを形成します。インクがこの小さな界面で自己集合するため、研究者は六角形に詰まった球体かららせん状のナノ構造に至るまでさまざまな柱を引き上げることができます。インク内の粒子濃度を変更したり、3 つの異なる NP ソリューションを混合したりすることで、80D アーキテクチャを正確に調整できます。
たとえば、20 nm の金 NP (AuNP) とより小さな 3 nm AuNP を組み合わせると、最大ピラー高さが大幅に向上します。これは、ナノ多孔質アセンブリにより 13D ピラー内の流体が毛細管現象で上昇し、インク流を補充するための蒸発領域が増加するために起こります。その結果、成長速度は減少する毛細管橋からの拡散によって制限されなくなります。
チームの理論分析により、湿度や粒子密度などの製造パラメータと実験的に測定されたピラーの膨張率を関連付ける方程式が得られます。このレベルの定量的洞察は、特定のアプリケーションに技術を適用しようとしている人にとって非常に貴重です。
概念実証として、研究者らは NFP を使用してさまざまな光調整機能を実証しました。 AuNP と銀 NP を混合すると、組成が均一に分散された自己組織化された半ドーナツ形状が得られました。大小の AuNP の割合を変えると、制御された光吸収特性を示すピラー ナノ構造が生成されました。
研究チームは、片面にNPインクを使用し、もう片面に棒状M13バクテリオファージを含む機能性生物学的インクを使用して、非対称の「ヤヌス」ピラーを印刷した。湿度勾配に対する MXNUMX の応答性により可逆的な曲げ運動が引き起こされ、本質的に両面柱から小型の湿度駆動アクチュエータが作成されました。
二成分コロイドクラスターの垂直成長。 a) 二成分コロイドクラスターの垂直成長を示す一連の光学顕微鏡写真。スケールバーは 50 μm を表します。 b) 80 nm AuNP 溶液に基づく利用可能な成長速度。 c) 利用可能な成長速度は、20 nm AuNP 溶液の 2 粒子 = fL と混合した 80 nm AuNP 溶液に基づいています。 d) (c) で I、II、III、IV とマークされたマイクロピラーの SEM 画像。スケールバーは 10 μm を表します。 e）（d）でI、II、IIIとマークされたマイクロピラーのナノ構造のSEM画像。スケールバーは 200nm を表します。 f) FIB でミリングされたマイクロピラーの FESEM 画像。スケールバーは 5 μm を表します。 g) 単一組成物 (左) と二成分組成物 (右) で構成されるマイクロピラーの断面の FESEM 画像。スケールバーは 200nm を表します。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
これにより、さまざまな要素を組み込むことでさらに複雑なコロイド機械を製造するためのアイデアが刺激されます。 ナノ材料、単一の 3D プリントされた柱内の触媒またはタンパク質。 可能性の広さは、研究者らの一見単純な紙にペンで描いたコンセプトが、高度なナノエンジニアリングのためのツールキットを根本的に拡張する方法を浮き彫りにしています。
蒸発万年筆の方法論は、代替製造戦略を妨げる制限も回避します。 固液界面の勾配に依存する方法では、粒子の自己集合を 1 次元または 2 次元でしか活用できません。 最近のテンプレート誘導型 3D プリンティング手法では、高さ数センチメートルのプラズモニック超格子の構築に成功しています。 しかし、反復的なナノエンジニアリングに必要なカスタマイズされたピラー設計の小さなバッチを作成するのに苦労しています。
また、ナノ構造は限られたゾーンではなく広範囲の蒸着領域にわたって成長するため、パターンの複雑さと大規模な均一性の間にはトレードオフの関係もあります。 これは、ラボベースのイノベーションを特殊なモジュールやナノデバイスに効率的に変換するための実際的な課題につながります。
報告された NFP 技術は本質的に縮小 3D プリンタとして機能しますが、組み立ては外部から強制されるのではなく、自然に誘導されます。 表面とペン先の間の微細な界面にすべてを局在させることで、拡張性を損なうことなく絶妙な時空間制御が可能になります。
その結果、製造途中でパラメーターを継続的に変更し、幅 10 ミクロン未満の不均一な柱を構築できる能力が、迅速なナノプロトタイピングの新たな地平を切り開きます。 科学者が、性能目標を達成したり、統合されたナノシステム内でさまざまな目的を果たしたりするために、カスタム NP 構造をオンザフライで設計する様子を想像できます。
この画期的な研究は、多くの刺激的な方向への強力な基盤を提供します。 次の段階では、プラズモニクスを超えた幅広い機能を備えた、より多くのナノ粒子タイプとインクへの拡張が必要になります。 研究者は、限界を押し上げるために、印刷速度、アーキテクチャの安定性、インターフェイスのサイズも最適化する必要があります。
もう 1 つの重要な課題は、代替基板を調査することです。これは、現在シリカウェーハに依存しているため、デバイス内または非平面表面上にナノ構造を統合する際に課題が生じているためです。 最後に、リザーバーエンジニアリングまたはマルチペン技術を探求すると、3D コロイド集合体の調整可能な組成の複雑さをさらに広げることができます。
研究者の万年筆方法論は、方向性集合の多用途な利点と自己集合の拡張性を組み合わせた、ナノ加工における極めて重要な進歩を表しています。 この研究は基本的に、日常的に使用する乾燥ペンを、強力でありながらアクセス可能なナノパターニング プラットフォームに変換します。
報告された技術は、ナノサイエンス研究と現実世界の技術開発の間の理想的な架け橋として機能する可能性があります。 広範囲のナノ構造の組成と形状をテストできるため、迅速なプロトタイピングが容易になり、対象用途に合わせて設計を最適化できます。 一方、小さなインターフェースに限定された予測可能な物理学により、大量生産に向けた簡単なスケールアップが可能になります。
研究者がこのアプローチの一般化可能性を分野を超えて活用するため、商業的および社会的影響は甚大になる可能性があります。 生物医学の分野では、カスタマイズされた 3D 核酸ナノ構造により、標的薬物送達や単一細胞トランスフェクションが可能になる可能性があります。 プログラム可能な光共鳴を備えたプラズモニックピラーは、超高感度分子検出プラットフォームの基礎を形成できる可能性があります。 この技術を使用してメタマテリアルを組み合わせることで、触媒プロセスとエネルギー変換システムの強化につながる可能性があります。
将来を見据えると、マルチマテリアル印刷、機能性ナノ粒子インク、非平面表面への 3D パターニングを組み込む可能性が豊富にあり、設計の複雑さが大幅に拡大します。
万年筆にインスピレーションを得たマイクロメートルスケールの書き込み。 a) 万年筆を使って書くスキーム。 b) NP分散インク用の極細万年筆。スケールバーは 5 μμm を表します。 c) 点状コロイド集合体のスキーム。 d) コロイド集合体によって書かれたマイクロメートルサイズのテキスト (左) と半ドーナツ構造の SEM 画像 (右)。左と右の画像のスケール バーは、それぞれ 50 μm と 1 μm を表します。 e) 3D コロイド集合体のスキーム。 f ) 多様な 3D コロイド集合体 (左) と NP の充填 (右)。スケール バーは 10 μm (黒) と 1 μm (白) を表します。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
この画期的な進歩により、粒子サイズとナノ材料を混合することにより、サブミクロンのピラーの光学的および構造的特性を正確に調整できるようになります。概念の実証として、研究者らは湿度応答性の NP/生体材料アクチュエータを実証しています。この根本的な進歩により、カスタマイズされたプラズモニックを設計するための非常に多用途でアクセスしやすいプラットフォームが確立されます。 メタマテリアル。
この低コスト、高スループットの溶液処理技術により、単一ピラー内で粒子サイズと材料を混合することで光学特性を調整できます。研究者らは、湿度応答性ナノアクチュエーターなどの潜在的な応用例を紹介しています。この進歩により、カスタマイズされた 3D プラズモニック構造を製造するための非常に汎用性の高いプラットフォームが確立されます。 ナノフォトニクス、光触媒およびナノスケールデバイス。
重要な革新は、インク ペンの基本的な仕組みを縮小し、再考することにあります。マクロスケールでは、万年筆は紙上の溶媒が蒸発する間、継続的に供給される湿ったインクに依存しています。研究チームは、この書き込みプロセスを顕微鏡レベルで模倣する、先細のガラス製マイクロキャピラリーチューブを設計しました。
コロイド状 NP インクに浸すと、細いチューブの先端が幅わずか数ミクロンの蒸発毛細管ブリッジを形成します。インクがこの小さな界面で自己集合するため、研究者は六角形に詰まった球体かららせん状のナノ構造に至るまでさまざまな柱を引き上げることができます。インク内の粒子濃度を変更したり、3 つの異なる NP ソリューションを混合したりすることで、80D アーキテクチャを正確に調整できます。
たとえば、20 nm の金 NP (AuNP) とより小さな 3 nm AuNP を組み合わせると、最大ピラー高さが大幅に向上します。これは、ナノ多孔質アセンブリにより 13D ピラー内の流体が毛細管現象で上昇し、インク流を補充するための蒸発領域が増加するために起こります。その結果、成長速度は減少する毛細管橋からの拡散によって制限されなくなります。
チームの理論分析により、湿度や粒子密度などの製造パラメータと実験的に測定されたピラーの膨張率を関連付ける方程式が得られます。このレベルの定量的洞察は、特定のアプリケーションに技術を適用しようとしている人にとって非常に貴重です。
概念実証として、研究者らは NFP を使用してさまざまな光調整機能を実証しました。 AuNP と銀 NP を混合すると、組成が均一に分散された自己組織化された半ドーナツ形状が得られました。大小の AuNP の割合を変えると、制御された光吸収特性を示すピラー ナノ構造が生成されました。
研究チームは、片面にNPインクを使用し、もう片面に棒状M13バクテリオファージを含む機能性生物学的インクを使用して、非対称の「ヤヌス」ピラーを印刷した。湿度勾配に対する MXNUMX の応答性により可逆的な曲げ運動が引き起こされ、本質的に両面柱から小型の湿度駆動アクチュエータが作成されました。
二成分コロイドクラスターの垂直成長。 a) 二成分コロイドクラスターの垂直成長を示す一連の光学顕微鏡写真。スケールバーは 50 μm を表します。 b) 80 nm AuNP 溶液に基づく利用可能な成長速度。 c) 利用可能な成長速度は、20 nm AuNP 溶液の 2 粒子 = fL と混合した 80 nm AuNP 溶液に基づいています。 d) (c) で I、II、III、IV とマークされたマイクロピラーの SEM 画像。スケールバーは 10 μm を表します。 e）（d）でI、II、IIIとマークされたマイクロピラーのナノ構造のSEM画像。スケールバーは 200nm を表します。 f) FIB でミリングされたマイクロピラーの FESEM 画像。スケールバーは 5 μm を表します。 g) 単一組成物 (左) と二成分組成物 (右) で構成されるマイクロピラーの断面の FESEM 画像。スケールバーは 200nm を表します。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載)
これにより、さまざまな要素を組み込むことでさらに複雑なコロイド機械を製造するためのアイデアが刺激されます。 ナノ材料、単一の 3D プリントされた柱内の触媒またはタンパク質。 可能性の広さは、研究者らの一見単純な紙にペンで描いたコンセプトが、高度なナノエンジニアリングのためのツールキットを根本的に拡張する方法を浮き彫りにしています。
蒸発万年筆の方法論は、代替製造戦略を妨げる制限も回避します。 固液界面の勾配に依存する方法では、粒子の自己集合を 1 次元または 2 次元でしか活用できません。 最近のテンプレート誘導型 3D プリンティング手法では、高さ数センチメートルのプラズモニック超格子の構築に成功しています。 しかし、反復的なナノエンジニアリングに必要なカスタマイズされたピラー設計の小さなバッチを作成するのに苦労しています。
また、ナノ構造は限られたゾーンではなく広範囲の蒸着領域にわたって成長するため、パターンの複雑さと大規模な均一性の間にはトレードオフの関係もあります。 これは、ラボベースのイノベーションを特殊なモジュールやナノデバイスに効率的に変換するための実際的な課題につながります。
報告された NFP 技術は本質的に縮小 3D プリンタとして機能しますが、組み立ては外部から強制されるのではなく、自然に誘導されます。 表面とペン先の間の微細な界面にすべてを局在させることで、拡張性を損なうことなく絶妙な時空間制御が可能になります。
その結果、製造途中でパラメーターを継続的に変更し、幅 10 ミクロン未満の不均一な柱を構築できる能力が、迅速なナノプロトタイピングの新たな地平を切り開きます。 科学者が、性能目標を達成したり、統合されたナノシステム内でさまざまな目的を果たしたりするために、カスタム NP 構造をオンザフライで設計する様子を想像できます。
この画期的な研究は、多くの刺激的な方向への強力な基盤を提供します。 次の段階では、プラズモニクスを超えた幅広い機能を備えた、より多くのナノ粒子タイプとインクへの拡張が必要になります。 研究者は、限界を押し上げるために、印刷速度、アーキテクチャの安定性、インターフェイスのサイズも最適化する必要があります。
もう 1 つの重要な課題は、代替基板を調査することです。これは、現在シリカウェーハに依存しているため、デバイス内または非平面表面上にナノ構造を統合する際に課題が生じているためです。 最後に、リザーバーエンジニアリングまたはマルチペン技術を探求すると、3D コロイド集合体の調整可能な組成の複雑さをさらに広げることができます。
研究者の万年筆方法論は、方向性集合の多用途な利点と自己集合の拡張性を組み合わせた、ナノ加工における極めて重要な進歩を表しています。 この研究は基本的に、日常的に使用する乾燥ペンを、強力でありながらアクセス可能なナノパターニング プラットフォームに変換します。
報告された技術は、ナノサイエンス研究と現実世界の技術開発の間の理想的な架け橋として機能する可能性があります。 広範囲のナノ構造の組成と形状をテストできるため、迅速なプロトタイピングが容易になり、対象用途に合わせて設計を最適化できます。 一方、小さなインターフェースに限定された予測可能な物理学により、大量生産に向けた簡単なスケールアップが可能になります。
研究者がこのアプローチの一般化可能性を分野を超えて活用するため、商業的および社会的影響は甚大になる可能性があります。 生物医学の分野では、カスタマイズされた 3D 核酸ナノ構造により、標的薬物送達や単一細胞トランスフェクションが可能になる可能性があります。 プログラム可能な光共鳴を備えたプラズモニックピラーは、超高感度分子検出プラットフォームの基礎を形成できる可能性があります。 この技術を使用してメタマテリアルを組み合わせることで、触媒プロセスとエネルギー変換システムの強化につながる可能性があります。
将来を見据えると、マルチマテリアル印刷、機能性ナノ粒子インク、非平面表面への 3D パターニングを組み込む可能性が豊富にあり、設計の複雑さが大幅に拡大します。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
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- 情報源： https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
