Zephyrnet Logosu

Çığır açan nanodolma kalem yöntemi nanofotoniği dönüştürebilir

Tarih:

10 Ocak 2024 (Nanowerk Gündemi) Işığı nano ölçekte kontrol etmek, lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) adı verilen tuhaf bir kuantum mekaniksel olgudan yararlanmaya çalışan araştırmacıları uzun süredir cezbetmektedir. Işık metalle etkileşime girdiğinde nanopartiküller (NP'ler) dalga boyundan çok daha küçük olduğundan, birçok dikkate değer şey meydana gelir. Enerji nanometrik sıcak noktalara sıkıştırılır, elektronlar kolektif olarak rezonans frekanslarında dans eder ve optik alanlar katlanarak yoğunlaşır; bu da ışık tabanlı teknolojiler için yeni olasılıkların önünü açar. Ancak ilerleme, LSPR'den tamamen yararlanan karmaşık 3D NP yapıları oluşturmaya yönelik yöntemlerin eksikliği nedeniyle yavaşlamaya devam ediyor. Kalıcı zorluk, kompozisyon ve mimari üzerinde ince ayarlı kontrolü korurken NP'leri dikey olarak istiflemenin basit ama ölçeklenebilir yollarını bulmaktır. Kendi kendine bir araya gelme teknikleri, NP kümelerini kendiliğinden büyütebilir, ancak geleneksel kimya yaklaşımları, özel geometriler yapmak veya parçacıkları bilinçli olarak konumlandırmak konusunda zorluk çeker. Katı-sıvı arayüzey gradyanlarına dayanan yöntemler, yalnızca bir veya iki boyutta parçacıkların kendi kendine birleşmesini güçlendirebilir. Daha yeni şablon kılavuzlu 3D baskı yaklaşımları, santimetre yüksekliğinde plazmonik süper kafesleri başarıyla oluşturdu. Ancak yinelemeli çalışmalar için gereken özelleştirilmiş sütun tasarımlarından oluşan küçük partiler oluşturmakta zorlanıyorlar. nano mühendislik. Nanoyapılar hala kapalı bir bölge yerine geniş bir buharlaşma alanı boyunca büyüdüğünden, desen karmaşıklığı ile büyük ölçekli tekdüzelik arasında da bir denge vardır. Bu, laboratuvar tabanlı inovasyonun özel modüllere ve nanocihazlara verimli bir şekilde dönüştürülmesinde pratik zorluklara yol açmaktadır. Bulgularını raporlayarak Küçük (“Hibrit Plazmonik Mimariler Yazmak için Nano Dolma Kalem”), Güney Kore'den mühendis ve bilim adamlarından oluşan disiplinlerarası bir ekip, özel olarak hazırlanmış NP kombinasyonlarından oluşan çeşitli bağımsız "kolloidal sütunların" 3D baskısı için yaratıcı bir strateji geliştirdi. NP süspansiyonlarının akışkan kendiliğinden birleşmesini yönlendirmek için kılcal akışı ve solvent buharlaşmasını dengeleyen özel dolma kalemler üretiyorlar; esasen maddenin özerk organizasyonuna fizik aracılığıyla rehberlik ediyorlar. Mikrometre ölçeklerinde dolma kalemden ilham alan yazı Mikrometre ölçeklerinde dolma kalemden ilham alan yazı. a) Dolma kalem kullanarak yazma şeması. b) NP dağınık mürekkep için ultra ince dolma kalem. Ölçek çubuğu 5 µμm'yi temsil eder. c) Nokta benzeri koloidal düzeneğin şeması. d) Kolloidal düzenek tarafından yazılan mikrometre boyutunda metin (solda) ve yarım halka yapısının SEM görüntüsü (sağda). Sol ve sağ görüntülerin ölçek çubukları sırasıyla 50 ve 1 µm'yi temsil eder. e) 3 boyutlu kolloidal düzeneğin şeması. f) Çeşitli 3 boyutlu koloidal düzenekler (solda) ve NP'nin paketlenmesi (sağda). Ölçek çubuğu 10 µm (siyah) ve 1 µm'yi (beyaz) temsil eder. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Bu buluş, mikron altı sütunların optik ve yapısal özelliklerinin, parçacık boyutları ve nanomalzemelerin karıştırılmasıyla hassas bir şekilde ayarlanmasına olanak tanıyor. Konseptin kanıtı olarak araştırmacılar, neme duyarlı NP/biyomateryal aktüatörleri gösteriyor. Bu temel ilerleme, özelleştirilmiş plazmonik tasarımı için son derece çok yönlü ve erişilebilir bir platform oluşturur. metamalzemeler. Bu düşük maliyetli, yüksek verimli çözüm işleme tekniği, parçacık boyutlarını ve malzemeleri tek bir sütunda karıştırarak optik özelliklerin ayarlanmasına olanak tanır. Araştırmacılar, neme duyarlı nanoaktüatörler gibi potansiyel uygulamaları sergiliyor. Bu ilerleme, özel 3 boyutlu plazmonik yapılar üretmek için son derece çok yönlü bir platform oluşturuyor. nanofotonik, fotokataliz ve nano ölçekli cihazlar. Temel yenilik, mürekkepli kalemin boyutunun küçültülmesinde ve temel mekaniğinin yeniden tasarlanmasında yatıyor. Makro ölçekte dolma kalemler, çözücü kağıt üzerinde buharlaşırken ıslak mürekkebin sürekli olarak beslenmesine dayanır. Araştırma ekibi, bu yazma sürecini mikroskobik düzeyde taklit eden, konik bir cam mikrokapiller tüp tasarladı. Koloidal NP mürekkebine batırıldığında dar tüpün ucu, yalnızca birkaç mikron genişliğinde buharlaşan bir kılcal köprü oluşturur. Mürekkep bu küçük arayüzde kendiliğinden bir araya geldikçe, araştırmacılar altıgen şeklinde paketlenmiş kürelerden sarmal nanoyapılara kadar çeşitli sütunları yukarı çekebiliyorlar. Mürekkepteki parçacık konsantrasyonunu değiştirmek veya iki farklı NP çözümünü karıştırmak, 3D mimarilerin hassas şekilde ayarlanmasını sağlar. Örneğin, 80 nm altın NP'leri (AuNP'ler) daha küçük 20 nm AuNP'lerle birleştirmek, maksimum sütun yüksekliğini önemli ölçüde artırır. Bunun nedeni, nano gözenekli düzeneğin 3 boyutlu sütun içindeki sıvının kılcal yükselişine izin vererek mürekkep akışını yenilemek için buharlaşma alanını arttırmasıdır. Sonuç olarak, büyüme hızı artık azalan kılcal köprüden difüzyonla sınırlı değildir. Ekibin teorik analizi, nem ve parçacık yoğunluğu gibi üretim parametrelerini deneysel olarak ölçülen sütun genişleme oranlarıyla ilişkilendiren denklemler sağlıyor. Bu düzeydeki niceliksel içgörü, tekniği belirli uygulamalara uyarlamak isteyenler için çok değerli olacaktır. Konseptin bir kanıtı olarak araştırmacılar, NFP'yi kullanarak çeşitli optik ayarlanabilirlik gösterdiler. AuNP'lerin ve gümüş NP'lerin karıştırılması, eşit dağılmış bileşime sahip, kendiliğinden monte edilmiş yarım çörek şekilleri verdi. Küçük ve büyük AuNP'lerin değişen oranları, kontrollü ışık emme özellikleri sergileyen sütun nanoyapıları üretti. Ekip, bir tarafında NP mürekkep, diğer tarafında ise çubuk benzeri M13 bakteriyofajları içeren işlevsel bir biyolojik mürekkep kullanarak asimetrik "Janus" sütunları bastı. M13'ün nem değişimlerine karşı duyarlılığı, tersinir bükülme hareketlerine neden oldu ve esas olarak iki yüzlü sütunlardan nemle çalışan minyatür aktüatörler yarattı. İkili koloidal kümenin dikey büyümesi İkili kolloidal kümenin dikey büyümesi. a) İkili koloidal kümenin dikey büyümesini gösteren optik mikrograf serisi. Ölçek çubuğu 50 µm'yi temsil eder. b) 80 nm AuNP çözümüne dayalı olarak mevcut büyüme hızları. c) Mevcut büyüme hızları, 20 parçacıkla karıştırılmış 2 nm AuNP çözeltisine dayalı olarak = 80 nm AuNP çözeltisinin fL'si. d) (c)'de I, II, III ve IV olarak işaretlenen mikropillerin SEM görüntüleri. Ölçek çubuğu 10 µm'yi temsil eder. e) (d)'de I, II ve III olarak işaretlenen mikropillerin nanoyapılarının SEM görüntüleri. Ölçek çubuğu 200 nm'yi temsil eder. f ) FIB ile frezelenmiş bir mikro sütunun FESEM görüntüsü. Ölçek çubuğu 5 µm'yi temsil eder. g) Tek (solda) ve ikili bileşimden (sağda) oluşan bir mikro sütunun kesitinin FESEM görüntüsü. Ölçek çubuğu 200 nm'yi temsil eder. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Bu, farklı teknolojileri birleştirerek daha karmaşık koloidal makinelerin üretilmesine yönelik fikirleri teşvik eder. nanomalzemelerden, tek bir 3D baskılı sütun içindeki katalizörler veya proteinler. Olasılıkların genişliği, araştırmacıların yanıltıcı derecede basit olan kağıt üzerine kalem konseptinin, ileri nanomühendislik araç setini temelden nasıl genişlettiğini vurguluyor. Buharlaşmalı dolma kalem metodolojisi aynı zamanda alternatif üretim stratejilerini engelleyen sınırlamaları da ortadan kaldırır. Katı-sıvı arayüzey gradyanlarına dayanan yöntemler, yalnızca bir veya iki boyutta parçacıkların kendi kendine birleşmesini güçlendirebilir. Daha yeni şablon kılavuzlu 3D baskı yaklaşımları, santimetre yüksekliğinde plazmonik süper kafesleri başarıyla oluşturdu. Ancak yinelemeli nanomühendislik için ihtiyaç duyulan özelleştirilmiş sütun tasarımlarından oluşan küçük partiler oluşturmakta zorlanıyorlar. Nanoyapılar hala kapalı bir bölge yerine geniş bir buharlaşma alanı boyunca büyüdüğünden, desen karmaşıklığı ile büyük ölçekli tekdüzelik arasında da bir denge vardır. Bu, laboratuvar tabanlı inovasyonun özel modüllere ve nanocihazlara verimli bir şekilde dönüştürülmesinde pratik zorluklara yol açmaktadır. Bildirilen NFP tekniği esasen küçülen bir 3D yazıcı olarak işlev görüyor ancak dışarıdan dayatılan montaj yerine doğal olarak yönlendiriliyor. Her şeyi yüzey ve kalem ucu arasındaki mikroskobik arayüze lokalize etmek, ölçeklenebilirliği kaybetmeden mükemmel uzay-zamansal kontrol sağlar. Üretimin ortasında parametreleri sürekli olarak değiştirme ve 10 mikrondan daha az genişliğe sahip heterojen sütunlar oluşturma kapasitesi, hızlı nanoprototipleme için yeni ufukların kilidini açıyor. Bilim adamlarının, performans hedeflerini karşılamak veya entegre bir nanosistem içerisinde farklı amaçlara hizmet etmek için özel NP yapıları anında tasarlayabilecekleri düşünülebilir. Bu çığır açıcı çalışma birçok heyecan verici yön için güçlü bir temel sağlıyor. Bir sonraki aşama, daha fazla nanopartikül türüne ve plazmoniklerin ötesinde daha geniş bir işlevsellik yelpazesine sahip mürekkeplere doğru genişlemeyi gerektirir. Araştırmacıların sınırları zorlamak için baskı hızını, mimari kararlılığını ve arayüz boyutlarını da optimize etmesi gerekiyor. Bir diğer kritik görev ise, silika plakalara olan mevcut bağımlılığın, nanoyapıların cihazlara veya düzlemsel olmayan yüzeylere entegre edilmesinde zorluklar yaratması nedeniyle alternatif substratların araştırılması olacaktır. Son olarak, rezervuar mühendisliği veya çoklu kalem tekniklerinin araştırılması, 3 boyutlu koloidal düzenek için ayarlanabilir bileşimsel karmaşıklığı daha da genişletebilir. Araştırmacıların dolma kalem metodolojisi, yönlendirilmiş montajın çok yönlü avantajlarını kendi kendine montajın ölçeklenebilirliği ile birleştiren nanofabrikasyonda çok önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Bu çalışma esas olarak günlük kullanılan bir kurutma kalemini güçlü ancak erişilebilir bir nano desenleme platformuna dönüştürüyor. Bildirilen teknik, nanobilim araştırmaları ile gerçek dünyadaki teknoloji gelişimi arasında ideal bir köprü görevi görebilir. Geniş kapsamlı nanoyapı kompozisyonlarını ve geometrilerini test etme kapasitesi, hedef uygulamalara yönelik tasarımları optimize etmek için hızlı prototip oluşturmayı kolaylaştırır. Bu arada, küçük bir arayüzle sınırlı öngörülebilir fizik, seri üretim için doğrudan ölçeklendirmeye olanak tanıyor. Araştırmacılar bu yaklaşımın sektörler arasında genellenebilirliğinden yararlandıkça ticari ve toplumsal etkiler derin olabilir. Biyomedikal cephede, özelleştirilmiş 3 boyutlu nükleik asit nanoyapıları, hedefe yönelik ilaç dağıtımını veya tek hücre transfeksiyonunu mümkün kılabilir. Programlanabilir optik rezonanslara sahip plazmonik sütunlar, ultra duyarlı moleküler tespit platformlarının temelini oluşturabilir. Tekniği kullanan meta malzemeleri karıştır ve eşleştir, gelişmiş katalitik süreçlere ve enerji dönüşüm sistemlerine yol açabilir. İleriye baktığımızda, çok malzemeli baskıyı, fonksiyonel nanopartikül mürekkeplerini ve düzlemsel olmayan yüzeylere 3D desenlemeyi birleştirmeye yönelik çok sayıda olasılık var; bu da tasarım karmaşıklığını büyük ölçüde artırıyor.


Michael Berger
By

Michael
Berger



– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©


Nanowerk LLC

Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.

spot_img

En Son İstihbarat

spot_img