Относительно быстрый, простой и недорогой метод для производства наностержней – палочковидных полупроводниковых нанокристаллов – их возможность самостоятельно собираться в одно-, двух-и даже трехмерные макроскопические структуры была разработана группой исследователей совместно с U.S. Department of Energy (DOE)’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Эта техника должна обеспечивать более эффективное использование наностержней в солнечных батареях, магнитных запоминающих устройствах и датчиках. Она также должна помочь повысить электрические и механические свойства наностержневых-полимерных композитов.

слева направо: Ting Xu, Kari Thorkelsson
и Peter Ercius

Во главе проекта – Ting Xu, ученая, которая руководит совместной работой Лаборатории науки о материалах Беркли и университета Калифорнии и Факультетами Материаловедения, инженерным и химическим( Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and the University of California (UC) Berkeley’s Departments of Materials Sciences and Engineering, and Chemistry). Xu и ее исследовательская группа использовали блоки сополимеров – длинных последовательностей или «блоков» из одного типа мономера связаных с блоками другого типа мономеров – в качестве базы для самоорганизации наностержней в сложные структуры и иерархические модели. Блоки сополимеров заведомо обладают способностью самостоятельно собираться в четко определенные массивы наноразмерных структур на макроскопическом уровне.

«Мы создали простой и универсальный метод для контроля ориентации наностержней в блоках сополимеров,» говорит Xu. «Путем изменения морфологии блоков сополимеров и химической природы наностержней, мы можем обеспечить контролируемую самоорганизацию самих наностержней и нанокомпозитов на основе наностержней, что является принципиальным для их использования в производстве оптических и электронных устройств».

Xu является автором соответствующего документа, который был опубликован в журнале Nano Letters под названием Direct Nanorod Assembly Using Block Copolymer-Based Supramolecules в соавторстве сумаги были Kari Thorkelsson, Alexander Mastroianni и Peter Ercius.

Наностержни – это частицы, размерами в тысячу раз меньшие, чем основные материалы микротехнологий сегодняшнего дня – показывают весьма важные оптические, электронные и другие свойства, которыми не обладают макроскопические материалы. Однако, чтобы в полной мере реализовать свой огромный технологический потенциал, наностержни должны быть в состоянии собраться в сложные структуры и иерархические модели, представляющие собой нечто похожее натуральные белковые структуры.

а) электронный микроскоп показывает конструкцию из наностержней из сульфида кадмия (б) выровненных параллельно доменам

Xu и ее исследовательская группа впервые использовала блоки сополимеров в качестве базовых элементов для самоорганизации в 2009 году, работая со сферическими наночастицами, широко известными как квантовые точки. В этом исследовании, они направляли квантовые точки на блоки сополимеров с помощью «посредника» в виде «адгезивных» молекул меньшего размера. В последней разработке, Xu и ее группа снова использовали «клей» из молекул, но на этот раз в качестве посредника между наностержнями и основой из блоков сополимеров. Основа – это супрамолекула – группа молекул, которые выступают в качестве одной молекулы и способны выполнять определенный набор функций.

«Супрамолекулы базы блока сополимеров самоорганизуются и могут образовывать широкий спектр форм, чьи размеры могут обычно достигать нескольких десятков нанометров,» поясняет Xu. «Поскольку их размер сопоставим с наночастицами, микродомены из супрамолекул обеспечивают идеальную структурную основу для совместного собирания наностержней».

Xu и ее группа формируют из наностержней и супрамолекул сферические, цилиндрические и пластинчатые микродомены. В процессе сушки энергия подводится к системе благодаря взаимодействию между лигандами наностержней и полимеров, энтропии, связанной с деформацией полимерной цепи при соединении наностержней, а также взаимодействию между отдельными наностержнями. Xu и ее группа отметили, что эти энергетические взаимодействия определяют размещение и распределение наностержней, а также общую морфологию композитов на основе наностержней. Эти энергетические потоки могут быть легко контролируемы путем изменения надмолекулярной морфологии, которая достигается просто с помощью присоединения различных типов малых молекул на боковые цепи блоков сополимеров.

«Мы можем легко достичь широкого спектра возможных сборок наностержней, в том числе, например, массивы наностержней расположены вдоль цилиндрических микродоменов из блоков сополимеров, или непрерывные наностержневые сети и наностержневые кластеры», говорит Xu. «Поскольку макроскопические структуры из микродоменов блоков сополимеров могут быть получены в обычных и тонких пленках путем применения внешних полей, наша методика должна открыть надежный путь к управлению макроскопическим выравниванием наностержней».

Эта новая технология позволяет создавать упорядоченные массивы наностержней, которые макроскопически выравниваются в зависимости от расстояния между отдельными стержнями. Такая морфология лежит в основе производства плазмоников – материалов, которые весьма перспективны для построения сверхбыстрых компьютеров, ультрамощных оптических микроскопов, и даже создания плащей-невидимок. Это также перспективная техника самосборки частиц, которая позволит производить непрерывную сеть наностержней, позиционируемых на наноразмерных расстояниях. Такие сети могут повысить макроскопические свойства нанокомпозитов, в том числе электропроводность и прочность материала.

собранные наностержни на томографическом изображении

Xu полагает, что большая часть успеха этих исследований заключается в исключительных возможностях лабораторий и сотрудников Национального центра по электронной микроскопии (NCEM), в Лаборатории Беркли, в котором находятся самые мощные в мире электронные микроскопы.

«Для изучения трехмерных сборок из наностержней, нам необходима была томография с высоким разрешением, что создало проблемы не только для сбора данных и их визуализации ", говорит Xu. "Опыт и мастерство Peter Ercius из NCEM были бесценны для нас.»

Большая часть этой работы была сделана на 200kV NCEM-овском монохроматизированном UT Tecnai микроскопе, приборе, предназначенном для создания оптимально высокого разрешения и в просвечивающем, и в сканирующем режимах работы микроскопа.

Xu и ее группа в настоящее время заняты исследованием самоорганизации полупроводниковых нанокристаллов, которые могут принимать форму куба или тетрапода, оба из которых имеют значительный потенциал для применения в фотоэлектрике и других областях.

«Мы также хотели бы исследовать самоорганизацию наночастиц в комбинации различных форм», делится Xu.

Данное исследование производится при поддержке DOE Office of Science.