10 januari 2024
(Nanowerk-schijnwerperHet beheersen van licht op nanoschaal heeft onderzoekers al lang verleid om gebruik te maken van een vreemd kwantummechanisch fenomeen dat gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) wordt genoemd. Wanneer licht interageert met metaal nanodeeltjes (NP's) veel kleiner dan zijn golflengte, gebeuren er verschillende opmerkelijke dingen. Energie wordt gecomprimeerd in nanometrische hotspots, elektronen dansen collectief op resonante frequenties en optische velden worden exponentieel intenser – wat nieuwe mogelijkheden opent voor op licht gebaseerde technologieën.
Toch blijft de vooruitgang vertraagd door een gebrek aan methoden om ingewikkelde 3D NP-structuren te construeren die LSPR volledig benutten. De blijvende uitdaging is het vinden van eenvoudige maar schaalbare manieren om NP’s verticaal te stapelen, terwijl de verfijnde controle over compositie en architectuur behouden blijft. Zelfassemblagetechnieken kunnen spontaan NP-clusters laten groeien, maar traditionele scheikundige benaderingen hebben moeite om gespecialiseerde geometrieën te maken of deeltjes opzettelijk te positioneren.
Methoden die afhankelijk zijn van grensvlakgradiënten tussen vaste stoffen en vloeistoffen kunnen alleen gebruik maken van zelfassemblage van deeltjes in één of twee dimensies. Recentere sjabloongestuurde 3D-printbenaderingen hebben met succes centimeters hoge plasmonische superroosters gebouwd. Ze hebben echter moeite om kleine batches van op maat gemaakte pijlerontwerpen te maken die nodig zijn voor iteratief nano-engineering.
Er is ook een wisselwerking tussen patrooncomplexiteit en grootschalige uniformiteit, aangezien de nanostructuren nog steeds over een uitgebreid verdampingsgebied groeien in plaats van over een beperkte zone. Dit leidt tot praktische uitdagingen voor het efficiënt vertalen van laboratoriumgebaseerde innovatie naar gespecialiseerde modules en nanoapparaten.
Het rapporteren van hun bevindingen in Kleine (“Nanofonteinpen voor het schrijven van hybride plasmonische architecturen”), ontwikkelde een interdisciplinair team van ingenieurs en wetenschappers uit Zuid-Korea een creatieve strategie om diverse vrijstaande ‘colloïdale pilaren’, gemaakt van op maat gemaakte NP-combinaties, in 3D te printen. Ze bouwen gespecialiseerde vulpennen die de capillaire stroming en de verdamping van oplosmiddelen in evenwicht brengen om de vloeibare zelfassemblage van NP-suspensies te sturen – waarmee ze in wezen de autonome organisatie van materie door de natuurkunde sturen.
Op vulpen geïnspireerd schrijven op micrometerschalen. a) Schema van schrijven met een vulpen. b) Ultrafijne vulpen voor NP-gedispergeerde inkt. De schaalbalk vertegenwoordigt 5 µμm. c) Schema van puntachtige colloïdale assemblage. d) Tekst op micrometerformaat geschreven door de colloïdale assemblage (links) en SEM-afbeelding van een halve donutstructuur (rechts). De schaalbalken van de linker- en rechterafbeelding vertegenwoordigen respectievelijk 50 en 1 µm. e) Schema van 3D-colloïdale assemblage. f) Diverse 3D-colloïdale assemblages (links) en pakking van NP (rechts). De schaalbalk vertegenwoordigt 10 µm (zwart) en 1 µm (wit). (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
Dankzij deze doorbraak kunnen optische en structurele eigenschappen van submicron-pijlers nauwkeurig worden afgestemd door deeltjesgroottes en nanomaterialen te mengen. Als proof of concept demonstreren de onderzoekers op vocht reagerende NP/biomateriaal-actuatoren. Deze fundamentele vooruitgang creëert een uiterst veelzijdig en toegankelijk platform voor het ontwerpen van op maat gemaakte plasmonic metamaterialen.
Deze goedkope oplossingsverwerkingstechniek met hoge doorvoer maakt het mogelijk optische eigenschappen af te stemmen door deeltjesgroottes en materialen binnen één enkele pijler te mengen. De onderzoekers presenteren potentiële toepassingen zoals op vocht reagerende nanoactuators. De vooruitgang creëert een uiterst veelzijdig platform voor het vervaardigen van op maat gemaakte 3D-plasmonische structuren nanofotonica, fotokatalyse en apparaten op nanoschaal.
De belangrijkste innovatie ligt in het verkleinen en opnieuw bedenken van de basismechanismen van een inktpen. Op macroschaal vertrouwen vulpennen erop dat er voortdurend natte inkt wordt aangevoerd terwijl het oplosmiddel op papier verdampt. Het onderzoeksteam ontwierp een taps toelopende glazen microcapillaire buis die dit schrijfproces op microscopisch niveau nabootst.
Wanneer het in colloïdale NP-inkt wordt gedompeld, vormt de smalle buispunt een verdampende capillaire brug van slechts enkele micron breed. Terwijl de inkt zich op dit kleine grensvlak zelf assembleert, kunnen onderzoekers pilaren omhoog trekken, variërend van hexagonaal opeengepakte bollen tot spiraalvormige nanostructuren. Het veranderen van de deeltjesconcentratie in de inkt of het mengen van twee verschillende NP-oplossingen maakt een nauwkeurige afstemming van 3D-architecturen mogelijk.
Het combineren van 80 nm gouden NP's (AuNP's) met kleinere 20 nm AuNP's verhoogt bijvoorbeeld de maximale pijlerhoogte aanzienlijk. Dit gebeurt omdat het nanoporeuze samenstel capillaire opstijging van vloeistof binnen de 3D-pilaar mogelijk maakt, waardoor het verdampingsgebied wordt vergroot voor het aanvullen van de inktstroom. Als gevolg hiervan wordt de groeisnelheid niet langer beperkt door diffusie vanuit de kleiner wordende capillaire brug.
De theoretische analyse van het team levert vergelijkingen op die fabricageparameters zoals vochtigheid en deeltjesdichtheid relateren aan experimenteel gemeten uitzettingssnelheden van de pilaar. Dit niveau van kwantitatief inzicht zal van onschatbare waarde zijn voor degenen die de techniek voor specifieke toepassingen willen aanpassen.
Als proof of concept demonstreerden de onderzoekers een verscheidenheid aan optische afstembaarheid met behulp van de NFP. Het mengen van AuNP's en zilveren NP's leverde zelf-samengestelde halve donutvormen op met een gelijkmatig verdeelde samenstelling. Door de verhoudingen van kleine en grote AuNP's te veranderen, ontstonden pijler-nanostructuren die gecontroleerde lichtabsorptie-eigenschappen vertoonden.
Het team printte asymmetrische ‘Janus’-pilaren met NP-inkt aan de ene kant en functionele biologische inkt met staafachtige M13-bacteriofagen aan de andere kant. De reactiesnelheid van M13 op vochtigheidsgradiënten veroorzaakte omkeerbare buigbewegingen, waardoor in feite miniatuur-vochtigheidsaangedreven actuatoren uit de tweezijdige pijlers ontstonden.
Verticale groei van een binaire colloïdale cluster. a) Reeks optische microfoto's die de verticale groei van de binaire colloïdale cluster tonen. De schaalbalk vertegenwoordigt 50 µm. b) Beschikbare groeisnelheden gebaseerd op de 80 nm AuNP-oplossing. c) Beschikbare groeisnelheden gebaseerd op de 20 nm AuNP-oplossing gemengd met 2 deeltjes = fL van 80 nm AuNP-oplossing. d) SEM-afbeeldingen van de micropilaren gemarkeerd als I, II, III en IV in (c). De schaalbalk vertegenwoordigt 10 µm. e) SEM-afbeeldingen van de nanostructuren van micropilaren gemarkeerd als I, II en III in (d). De schaalbalk vertegenwoordigt 200 nm. f) FESEM-afbeelding van een micropilaar gefreesd met FIB. De schaalbalk vertegenwoordigt 5 µm. g) FESEM-afbeelding van de dwarsdoorsnede van een micropilaar bestaande uit een enkele (links) en binaire compositie (rechts). De schaalbalk vertegenwoordigt 200 nm. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
Dit stimuleert ideeën voor het vervaardigen van nog complexere colloïdale machines door er verschillende in te integreren nanomaterialen, katalysatoren of eiwitten binnen één enkele 3D-geprinte pijler. De breedte van de mogelijkheden laat zien hoe het bedrieglijk eenvoudige pen-op-papier-concept van de onderzoekers de toolkit voor geavanceerde nano-engineering fundamenteel uitbreidt.
De verdampingsvulpenmethodologie omzeilt ook de beperkingen die alternatieve fabricagestrategieën tegenhouden. Methoden die afhankelijk zijn van grensvlakgradiënten tussen vaste stoffen en vloeistoffen kunnen alleen gebruik maken van zelfassemblage van deeltjes in één of twee dimensies. Recentere sjabloongestuurde 3D-printbenaderingen hebben met succes centimeters hoge plasmonische superroosters gebouwd. Ze hebben echter moeite om kleine batches van op maat gemaakte pijlerontwerpen te maken die nodig zijn voor iteratieve nano-engineering.
Er is ook een wisselwerking tussen patrooncomplexiteit en grootschalige uniformiteit, aangezien de nanostructuren nog steeds over een uitgebreid verdampingsgebied groeien in plaats van over een beperkte zone. Dit leidt tot praktische uitdagingen voor het efficiënt vertalen van laboratoriumgebaseerde innovatie naar gespecialiseerde modules en nanoapparaten.
De gerapporteerde NFP-techniek functioneert in wezen als een krimpende 3D-printer, maar met natuurlijk geleide in plaats van extern opgelegde montage. Door alles te lokaliseren op het microscopische grensvlak tussen het oppervlak en de penpunt, is een voortreffelijke spatio-temporele controle mogelijk zonder verlies van schaalbaarheid.
Het resulterende vermogen om parameters tijdens de fabricage voortdurend te veranderen en heterogene pijlers van minder dan 10 micron breed te construeren, ontsluit nieuwe horizonten voor snelle nanoprototyping. Je kunt je voorstellen dat wetenschappers in een mum van tijd aangepaste NP-structuren ontwerpen om aan prestatiedoelstellingen te voldoen of verschillende doeleinden te dienen binnen een geïntegreerd nanosysteem.
Deze baanbrekende studie biedt een sterke basis voor veel opwindende richtingen. De volgende fase omvat de uitbreiding naar meer soorten nanodeeltjes en inkten met een breder scala aan functionaliteiten die verder gaan dan plasmonics. Onderzoekers moeten ook de printsnelheid, architectuurstabiliteit en interfacegroottes optimaliseren om de grenzen te verleggen.
Een andere cruciale taak zal het onderzoeken van alternatieve substraten zijn, aangezien de huidige afhankelijkheid van silicawafels uitdagingen met zich meebrengt voor de integratie van nanostructuren in apparaten of op niet-vlakke oppervlakken. Ten slotte kan het verkennen van reservoirtechniek of multi-pen-technieken de afstembare compositorische complexiteit voor 3D-colloïdale assemblage verder verbreden.
De vulpenmethodologie van de onderzoekers vertegenwoordigt een cruciale vooruitgang in nanofabricage, waarbij de veelzijdige voordelen van gerichte assemblage worden gecombineerd met de schaalbaarheid van zelfassemblage. Deze studie transformeert in wezen een alledaagse droogpen in een krachtig maar toch toegankelijk platform voor nanopatronen.
De gerapporteerde techniek kan dienen als een ideale brug tussen nanowetenschappelijk onderzoek en echte technologieontwikkeling. De capaciteit om uiteenlopende nanostructuursamenstellingen en geometrieën te testen vergemakkelijkt snelle prototyping om ontwerpen voor doeltoepassingen te optimaliseren. Ondertussen maakt de voorspelbare fysica, beperkt tot een kleine interface, eenvoudige opschaling voor massaproductie mogelijk.
De commerciële en maatschappelijke gevolgen kunnen diepgaand zijn als onderzoekers de generaliseerbaarheid van deze aanpak over sectoren heen benutten. Op het biomedische front kunnen op maat gemaakte 3D-nucleïnezuurnanostructuren gerichte medicijnafgifte of transfectie van afzonderlijke cellen mogelijk maken. Plasmonische pijlers met programmeerbare optische resonanties zouden de basis kunnen vormen van ultragevoelige moleculaire detectieplatforms. Het mixen en matchen van metamaterialen met behulp van de techniek kan leiden tot verbeterde katalytische processen en energieconversiesystemen.
Vooruitkijkend zijn er volop mogelijkheden voor het integreren van multi-materiaalprinten, functionele nanodeeltjesinkten en 3D-patronen op niet-vlakke oppervlakken, waardoor de ontwerpcomplexiteit enorm toeneemt.
Op vulpen geïnspireerd schrijven op micrometerschalen. a) Schema van schrijven met een vulpen. b) Ultrafijne vulpen voor NP-gedispergeerde inkt. De schaalbalk vertegenwoordigt 5 µμm. c) Schema van puntachtige colloïdale assemblage. d) Tekst op micrometerformaat geschreven door de colloïdale assemblage (links) en SEM-afbeelding van een halve donutstructuur (rechts). De schaalbalken van de linker- en rechterafbeelding vertegenwoordigen respectievelijk 50 en 1 µm. e) Schema van 3D-colloïdale assemblage. f) Diverse 3D-colloïdale assemblages (links) en pakking van NP (rechts). De schaalbalk vertegenwoordigt 10 µm (zwart) en 1 µm (wit). (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
Dankzij deze doorbraak kunnen optische en structurele eigenschappen van submicron-pijlers nauwkeurig worden afgestemd door deeltjesgroottes en nanomaterialen te mengen. Als proof of concept demonstreren de onderzoekers op vocht reagerende NP/biomateriaal-actuatoren. Deze fundamentele vooruitgang creëert een uiterst veelzijdig en toegankelijk platform voor het ontwerpen van op maat gemaakte plasmonic metamaterialen.
Deze goedkope oplossingsverwerkingstechniek met hoge doorvoer maakt het mogelijk optische eigenschappen af te stemmen door deeltjesgroottes en materialen binnen één enkele pijler te mengen. De onderzoekers presenteren potentiële toepassingen zoals op vocht reagerende nanoactuators. De vooruitgang creëert een uiterst veelzijdig platform voor het vervaardigen van op maat gemaakte 3D-plasmonische structuren nanofotonica, fotokatalyse en apparaten op nanoschaal.
De belangrijkste innovatie ligt in het verkleinen en opnieuw bedenken van de basismechanismen van een inktpen. Op macroschaal vertrouwen vulpennen erop dat er voortdurend natte inkt wordt aangevoerd terwijl het oplosmiddel op papier verdampt. Het onderzoeksteam ontwierp een taps toelopende glazen microcapillaire buis die dit schrijfproces op microscopisch niveau nabootst.
Wanneer het in colloïdale NP-inkt wordt gedompeld, vormt de smalle buispunt een verdampende capillaire brug van slechts enkele micron breed. Terwijl de inkt zich op dit kleine grensvlak zelf assembleert, kunnen onderzoekers pilaren omhoog trekken, variërend van hexagonaal opeengepakte bollen tot spiraalvormige nanostructuren. Het veranderen van de deeltjesconcentratie in de inkt of het mengen van twee verschillende NP-oplossingen maakt een nauwkeurige afstemming van 3D-architecturen mogelijk.
Het combineren van 80 nm gouden NP's (AuNP's) met kleinere 20 nm AuNP's verhoogt bijvoorbeeld de maximale pijlerhoogte aanzienlijk. Dit gebeurt omdat het nanoporeuze samenstel capillaire opstijging van vloeistof binnen de 3D-pilaar mogelijk maakt, waardoor het verdampingsgebied wordt vergroot voor het aanvullen van de inktstroom. Als gevolg hiervan wordt de groeisnelheid niet langer beperkt door diffusie vanuit de kleiner wordende capillaire brug.
De theoretische analyse van het team levert vergelijkingen op die fabricageparameters zoals vochtigheid en deeltjesdichtheid relateren aan experimenteel gemeten uitzettingssnelheden van de pilaar. Dit niveau van kwantitatief inzicht zal van onschatbare waarde zijn voor degenen die de techniek voor specifieke toepassingen willen aanpassen.
Als proof of concept demonstreerden de onderzoekers een verscheidenheid aan optische afstembaarheid met behulp van de NFP. Het mengen van AuNP's en zilveren NP's leverde zelf-samengestelde halve donutvormen op met een gelijkmatig verdeelde samenstelling. Door de verhoudingen van kleine en grote AuNP's te veranderen, ontstonden pijler-nanostructuren die gecontroleerde lichtabsorptie-eigenschappen vertoonden.
Het team printte asymmetrische ‘Janus’-pilaren met NP-inkt aan de ene kant en functionele biologische inkt met staafachtige M13-bacteriofagen aan de andere kant. De reactiesnelheid van M13 op vochtigheidsgradiënten veroorzaakte omkeerbare buigbewegingen, waardoor in feite miniatuur-vochtigheidsaangedreven actuatoren uit de tweezijdige pijlers ontstonden.
Verticale groei van een binaire colloïdale cluster. a) Reeks optische microfoto's die de verticale groei van de binaire colloïdale cluster tonen. De schaalbalk vertegenwoordigt 50 µm. b) Beschikbare groeisnelheden gebaseerd op de 80 nm AuNP-oplossing. c) Beschikbare groeisnelheden gebaseerd op de 20 nm AuNP-oplossing gemengd met 2 deeltjes = fL van 80 nm AuNP-oplossing. d) SEM-afbeeldingen van de micropilaren gemarkeerd als I, II, III en IV in (c). De schaalbalk vertegenwoordigt 10 µm. e) SEM-afbeeldingen van de nanostructuren van micropilaren gemarkeerd als I, II en III in (d). De schaalbalk vertegenwoordigt 200 nm. f) FESEM-afbeelding van een micropilaar gefreesd met FIB. De schaalbalk vertegenwoordigt 5 µm. g) FESEM-afbeelding van de dwarsdoorsnede van een micropilaar bestaande uit een enkele (links) en binaire compositie (rechts). De schaalbalk vertegenwoordigt 200 nm. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag)
Dit stimuleert ideeën voor het vervaardigen van nog complexere colloïdale machines door er verschillende in te integreren nanomaterialen, katalysatoren of eiwitten binnen één enkele 3D-geprinte pijler. De breedte van de mogelijkheden laat zien hoe het bedrieglijk eenvoudige pen-op-papier-concept van de onderzoekers de toolkit voor geavanceerde nano-engineering fundamenteel uitbreidt.
De verdampingsvulpenmethodologie omzeilt ook de beperkingen die alternatieve fabricagestrategieën tegenhouden. Methoden die afhankelijk zijn van grensvlakgradiënten tussen vaste stoffen en vloeistoffen kunnen alleen gebruik maken van zelfassemblage van deeltjes in één of twee dimensies. Recentere sjabloongestuurde 3D-printbenaderingen hebben met succes centimeters hoge plasmonische superroosters gebouwd. Ze hebben echter moeite om kleine batches van op maat gemaakte pijlerontwerpen te maken die nodig zijn voor iteratieve nano-engineering.
Er is ook een wisselwerking tussen patrooncomplexiteit en grootschalige uniformiteit, aangezien de nanostructuren nog steeds over een uitgebreid verdampingsgebied groeien in plaats van over een beperkte zone. Dit leidt tot praktische uitdagingen voor het efficiënt vertalen van laboratoriumgebaseerde innovatie naar gespecialiseerde modules en nanoapparaten.
De gerapporteerde NFP-techniek functioneert in wezen als een krimpende 3D-printer, maar met natuurlijk geleide in plaats van extern opgelegde montage. Door alles te lokaliseren op het microscopische grensvlak tussen het oppervlak en de penpunt, is een voortreffelijke spatio-temporele controle mogelijk zonder verlies van schaalbaarheid.
Het resulterende vermogen om parameters tijdens de fabricage voortdurend te veranderen en heterogene pijlers van minder dan 10 micron breed te construeren, ontsluit nieuwe horizonten voor snelle nanoprototyping. Je kunt je voorstellen dat wetenschappers in een mum van tijd aangepaste NP-structuren ontwerpen om aan prestatiedoelstellingen te voldoen of verschillende doeleinden te dienen binnen een geïntegreerd nanosysteem.
Deze baanbrekende studie biedt een sterke basis voor veel opwindende richtingen. De volgende fase omvat de uitbreiding naar meer soorten nanodeeltjes en inkten met een breder scala aan functionaliteiten die verder gaan dan plasmonics. Onderzoekers moeten ook de printsnelheid, architectuurstabiliteit en interfacegroottes optimaliseren om de grenzen te verleggen.
Een andere cruciale taak zal het onderzoeken van alternatieve substraten zijn, aangezien de huidige afhankelijkheid van silicawafels uitdagingen met zich meebrengt voor de integratie van nanostructuren in apparaten of op niet-vlakke oppervlakken. Ten slotte kan het verkennen van reservoirtechniek of multi-pen-technieken de afstembare compositorische complexiteit voor 3D-colloïdale assemblage verder verbreden.
De vulpenmethodologie van de onderzoekers vertegenwoordigt een cruciale vooruitgang in nanofabricage, waarbij de veelzijdige voordelen van gerichte assemblage worden gecombineerd met de schaalbaarheid van zelfassemblage. Deze studie transformeert in wezen een alledaagse droogpen in een krachtig maar toch toegankelijk platform voor nanopatronen.
De gerapporteerde techniek kan dienen als een ideale brug tussen nanowetenschappelijk onderzoek en echte technologieontwikkeling. De capaciteit om uiteenlopende nanostructuursamenstellingen en geometrieën te testen vergemakkelijkt snelle prototyping om ontwerpen voor doeltoepassingen te optimaliseren. Ondertussen maakt de voorspelbare fysica, beperkt tot een kleine interface, eenvoudige opschaling voor massaproductie mogelijk.
De commerciële en maatschappelijke gevolgen kunnen diepgaand zijn als onderzoekers de generaliseerbaarheid van deze aanpak over sectoren heen benutten. Op het biomedische front kunnen op maat gemaakte 3D-nucleïnezuurnanostructuren gerichte medicijnafgifte of transfectie van afzonderlijke cellen mogelijk maken. Plasmonische pijlers met programmeerbare optische resonanties zouden de basis kunnen vormen van ultragevoelige moleculaire detectieplatforms. Het mixen en matchen van metamaterialen met behulp van de techniek kan leiden tot verbeterde katalytische processen en energieconversiesystemen.
Vooruitkijkend zijn er volop mogelijkheden voor het integreren van multi-materiaalprinten, functionele nanodeeltjesinkten en 3D-patronen op niet-vlakke oppervlakken, waardoor de ontwerpcomplexiteit enorm toeneemt.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64376.php
