나노 크기의 난간, 수로 및 기타 모양을 만듭니다.

[아름이]

나노 크기의 난간, 수로 및 기타 모양을 만듭니다.
날짜:
2022년 11월 18일
원천:
DOE/브룩헤이븐 국립 연구소
요약:
과학자들은 단순한 층상 블록 공중합체를 출발 물질로 사용하여 광범위한 새로운 나노스케일 구조의 자가 조립을 안내하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 작업은 센서, 배터리, 필터 등에 사용하기 위한 맞춤형 광학, 전자 및 기계적 특성을 가진 맞춤형 표면 코팅 설계를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 과학자들은 간단한 폴리머를 시작 물질로 사용하여 광범위한 새로운 나노스케일 구조의 자가 조립을 안내하는 새로운 방법을 개발했습니다. 전자현미경으로 보면 이러한 나노미터 규모의 구조물은 미니어처 중세 성곽과 로마 수로의 난간을 포함하여 작은 레고 빌딩 블록처럼 보입니다. 그러나 공상적인 미세한 영역을 구축하는 대신 과학자들은 이러한 새로운 모양이 재료의 기능에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 탐구하고 있습니다.

Brookhaven Lab의 Center for Functional Nanomaterials(CFN) 팀은 Nature Communications 에 방금 발표된 논문에서 자기 조립을 제어하는 ​​새로운 접근 방식을 설명합니다 . 예비 분석에 따르면 모양에 따라 전기 전도도가 크게 다릅니다. 이 작업은 센서, 배터리, 필터 등에 사용하기 위한 맞춤형 광학, 전자 및 기계적 특성을 가진 맞춤형 표면 코팅 설계를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이 연구는 학계와 산업계의 과학자들이 CFN의 전문가들과 협력할 수 있는 광범위한 가능한 응용 프로그램과 기회의 문을 열어줍니다."라고 이 프로젝트의 리더이자 CFN의 전자 나노물질 그룹인 Kevin Yager가 말했습니다. "광학 코팅, 배터리용 전극 또는 태양 전지 설계를 연구하는 데 관심이 있는 과학자들은 필요한 속성을 알려줄 수 있으며, 우리는 이국적인 모양의 재료 라이브러리에서 그들의 요구를 충족하는 올바른 구조를 선택할 수 있습니다."

자동 조립

이색적인 재료를 만들기 위해 팀은 CFN의 오랜 전문 지식인 두 가지 영역에 의존했습니다. 첫 번째는 블록 공중합체라고 불리는 물질의 자가 조립입니다. 여기에는 다양한 형태의 처리가 이러한 분자의 구성 및 재배열에 어떤 영향을 미치는지 포함됩니다. 두 번째는 침투 합성이라는 방법으로, 재배열된 고분자 분자를 금속이나 다른 물질로 대체하여 모양을 기능적으로 만들고 주사 전자 현미경을 사용하여 3차원으로 쉽게 시각화할 수 있습니다.

"자가 조립은 구조를 만드는 정말 아름다운 방법입니다."라고 Yager는 말했습니다. "분자를 설계하면 분자가 자발적으로 원하는 구조로 구성됩니다."

가장 간단한 형태의 공정은 기판 위에 블록 공중합체라고 불리는 긴 사슬 모양의 분자 박막을 증착하는 것으로 시작됩니다. 이 블록 공중합체의 두 말단은 화학적으로 구별되며 기름과 물처럼 서로 분리되길 원합니다. 어닐링이라고 하는 과정을 통해 이 필름을 가열하면 공중합체의 두 끝이 재배열되어 연결된 상태에서 가능한 한 멀리 떨어져 움직입니다. 따라서 이러한 사슬의 자발적 재구성은 두 개의 화학적으로 구별되는 도메인을 가진 새로운 구조를 생성합니다. 그런 다음 과학자들은 도메인 중 하나에 금속 또는 기타 물질을 주입하여 모양을 복제하고 원래 재료를 완전히 태워 버립니다. 그 결과 반도체, 트랜지스터 또는 센서에 유용할 수 있는 10억분의 1미터 크기의 금속 또는 산화물 모양 조각이 만들어졌습니다.

"강력하고 확장 가능한 기술입니다. 이러한 재료로 넓은 영역을 쉽게 덮을 수 있습니다."라고 Yager는 말했습니다. "그러나 단점은 이 공정이 라멜라 또는 나노스케일 실린더라고 불리는 평평한 시트와 같은 층과 같은 단순한 모양만을 형성하는 경향이 있다는 것입니다."

과학자들은 이러한 단순한 배열을 넘어서기 위해 다양한 전략을 시도했습니다. 일부는 더 복잡한 분지 중합체를 실험했습니다. 다른 사람들은 폴리머가 갈 수 있는 곳을 안내하는 작은 기둥이나 채널이 있는 기판을 만들기 위해 미세 가공 방법을 사용했습니다. 그러나 나노 조립을 안내하기 위한 더 복잡한 재료와 도구 및 템플릿을 만드는 것은 노동 집약적이고 비용이 많이 들 수 있습니다.

Yager는 "우리가 보여주려는 것은 간단하고 저렴한 시작 재료를 여전히 사용할 수 있지만 정말 흥미롭고 이국적인 구조를 얻을 수 있는 대안이 있다는 것"이라고 말했습니다.

스태킹 및 담금질

CFN 방법은 블록 공중합체 박막을 층으로 증착하는 방식에 의존합니다.

"우리는 자연적으로 매우 다른 구조를 형성하기를 원하는 두 가지 재료를 취하여 말 그대로 서로 위에 놓습니다."라고 Yager는 말했습니다. 층의 순서와 두께, 화학적 조성, 어닐링 시간과 온도를 포함한 기타 변수 범위를 변경함으로써 과학자들은 이전에 볼 수 없었던 12개 이상의 이국적인 나노 크기 구조를 생성했습니다.

"우리는 두 재료가 실제로 계층화되기를 원하지 않는다는 것을 발견했습니다. 어닐링하면서 혼합하기를 원합니다."라고 Yager는 말했습니다. "혼합으로 인해 더 흥미로운 새로운 구조가 형성되고 있습니다."

어닐링이 완료될 때까지 진행되면 층은 결국 안정적인 구조를 형성하도록 진화할 것입니다. 그러나 다양한 시간에 어닐링 공정을 중단하고 재료를 빠르게 냉각시켜 담금질함으로써 "천이 구조를 끌어내고 다른 흥미로운 모양을 얻을 수 있습니다"라고 Yager는 말했습니다.

주사 전자 현미경 이미지는 "난간" 및 "수로"와 같은 일부 구조가 적층된 공중합체의 순서 및 재구성 선호도에서 파생된 복합 기능을 가지고 있음을 보여주었습니다. 다른 것들은 시작 재료가 선호하는 구성 또는 다른 자체 조립 재료와 다른 구멍 조각이 있는 십자형 패턴 또는 라멜라를 가지고 있습니다.

CFN 과학자들은 기존 재료의 가상 조합을 탐구하고 "가공 이력"을 조사하는 상세한 연구를 통해 특정 조건에서 어떤 구조가 형성될지 설명하고 예측하는 일련의 설계 원칙을 생성했습니다. 그들은 컴퓨터 기반 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 분자가 어떻게 행동하는지 더 깊이 이해했습니다.

"이러한 시뮬레이션을 통해 개별 폴리머 사슬이 재배열될 때 어디로 가는지 볼 수 있습니다."라고 Yager는 말했습니다.

유망한 응용 프로그램

그리고 물론 과학자들은 이러한 독특한 물질이 어떻게 유용할 수 있는지에 대해 생각하고 있습니다. 구멍이 있는 물질은 여과 또는 촉매 작용을 위한 막 역할을 할 수 있습니다. 상단에 난간 모양의 기둥이 있는 것은 넓은 표면적과 전자 연결성 때문에 잠재적으로 센서가 될 수 있다고 Yager는 제안했습니다.

Nature Communications 논문 에 포함된 첫 번째 테스트는 전기 전도도에 중점을 두었습니다. 새로운 형태의 폴리머 배열을 형성한 후, 팀은 새로운 형태의 도메인 중 하나를 산화아연으로 대체하기 위해 침윤 합성을 사용했습니다. 서로 다른 형태의 산화아연 나노구조체의 전기전도도를 측정했을 때 그들은 큰 차이를 발견했다.

"이것은 동일한 시작 분자이며, 우리는 그것들을 모두 산화아연으로 변환하고 있습니다. 하나와 다른 것의 유일한 차이점은 나노스케일에서 서로 로컬로 연결되는 방식입니다."라고 Yager는 말했습니다. "그리고 그것은 최종 재료의 전기적 특성에 큰 차이를 만드는 것으로 밝혀졌습니다. 센서나 배터리용 전극에서 그것은 매우 중요할 것입니다."

과학자들은 현재 다양한 모양의 기계적 특성을 탐구하고 있습니다.

"다음 영역은 다기능성입니다."라고 Yager는 말했습니다. "이제 우리는 이러한 훌륭한 구조에 접근할 수 있으므로 한 속성을 최대화하고 다른 속성을 최소화하는 속성을 선택하거나 둘 다 최대화하거나 최소화하는 방법을 선택할 수 있습니다. 그것이 우리가 원하는 것입니다."

"이 접근 방식을 통해 우리는 많은 통제권을 갖게 되었습니다."라고 Yager는 말했습니다. "우리는 구조가 무엇인지(이 새로 개발된 방법을 사용하여) 제어할 수 있으며 또한 어떤 재료로 구성되는지(침투 합성 전문 지식을 사용하여) 제어할 수 있습니다. 이 접근 방식이 어디에서 이어질 수 있는지에 대해 CFN 사용자와 협력하기를 기대합니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/