科学者はナノスケールのパラペット、水道橋、およびその他の形状を構築します — ScienceDaily

米国エネルギー省 (DOE) のブルックヘブン国立研究所の科学者は、単純なポリマーを開始材料として使用して、広範囲の新しいナノスケール構造の自己組織化を導く新しい方法を開発しました。 電子顕微鏡下では、これらのナノメートル スケールの構造物は、ミニチュアの中世の城やローマの水道橋の欄干など、小さなレゴのビルディング ブロックのように見えます。 しかし、科学者たちは、空想的な微視的な領地を構築するのではなく、これらの新しい形状が物質の機能にどのように影響するかを調査しています.

Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN) のチームは、自己組織化を制御するための新しいアプローチについて、最近出版された論文で説明しています。 ネイチャー・コミュニケーションズ. 予備分析は、異なる形状が劇的に異なる電気伝導率を持っていることを示しています。 この作業は、センサー、バッテリー、フィルターなどで使用するために調整された光学的、電子的、および機械的特性を備えたカスタム表面コーティングの設計を導くのに役立つ可能性があります。

プロジェクトのリーダーであり CFN の電子ナノ材料グループである Kevin Yager 氏は、次のように述べています。 「光学コーティング、バッテリーの電極、または太陽電池の設計の研究に関心のある科学者は、彼らが必要とする特性を私たちに伝えることができ、私たちは彼らのニーズを満たすために、エキゾチックな形状の材料のライブラリから適切な構造を選択することができます.」

自動組立

エキゾチックな素材を作るために、チームは CFN の長年の専門知識の 2 つの分野に依存しました。 1 つ目は、ブロック共重合体と呼ばれる材料の自己組織化です。これには、さまざまな形式の処理がこれらの分子の組織化と再配置にどのように影響するかが含まれます。 2 つ目は、浸透合成と呼ばれる方法で、再配列されたポリマー分子を金属または他の材料に置き換えて、形状を機能的にし、走査型電子顕微鏡を使用して 3 次元で簡単に視覚化できるようにします。

「自己組織化は、構造を作るための本当に美しい方法です」とイェーガーは言いました。 「分子を設計すると、分子は自発的に組織化されて、望ましい構造になります。」

最も単純な形式では、このプロセスは、ブロック共重合体と呼ばれる長い鎖状分子の薄膜を基板上に堆積させることから始まります。 これらのブロック共重合体の両端は化学的に異なっており、油と水のように互いに分離したいと考えています。 これらのフィルムをアニーリングと呼ばれるプロセスで加熱すると、コポリマーの両端が再配置され、接続されたまま可能な限り離れます。 したがって、この自発的な鎖の再編成により、2 つの化学的に異なるドメインを持つ新しい構造が作成されます。 次に、科学者はドメインの 1 つに金属または他の物質を注入してその形状のレプリカを作成し、元の材料を完全に焼き尽くします。 その結果、半導体、トランジスタ、またはセンサーに役立つ可能性がある、わずか 10 億分の 1 メートルの寸法の金属または酸化物の成形片が得られます。

「これは強力でスケーラブルな技術です。これらの材料で広い領域を簡単にカバーできます」と Yager 氏は述べています。 しかし欠点は、このプロセスでは単純な形状しか形成されない傾向があることです。つまり、ラメラまたはナノスケール シリンダーと呼ばれる平らなシート状の層です。

科学者たちは、これらの単純な取り決めを超えるために、さまざまな戦略を試みてきました。 より複雑な分岐ポリマーを実験した人もいます。 他の人は、微細加工法を使用して、ポリマーがどこに行くことができるかを案内する小さなポストまたはチャネルを備えた基板を作成しました。 しかし、より複雑な材料とナノ アセンブリをガイドするためのツールとテンプレートを作成するには、労働集約的で費用がかかる可能性があります。

「私たちが示そうとしているのは、シンプルで安価な出発材料を使用しながら、非常に興味深いエキゾチックな構造を得ることができる代替手段があるということです」と Yager 氏は述べています。

スタッキングとクエンチング

CFN法は、ブロック共重合体薄膜を層状に堆積させることに依存しています。

「自然に非常に異なる構造を形成したい 2 つの材料を取り上げ、文字通りそれらを互いに重ね合わせます」と Yager 氏は述べています。 層の順序と厚さ、化学組成、アニーリング時間や温度などのさまざまな変数を変化させることで、科学者はこれまでに見られなかった 12 を超える風変わりなナノスケール構造を生成しました。

「この 2 つの材料は層状になりたくないことがわかりました。アニールすると、混ざりたいのです」と Yager 氏は述べています。 「混合により、より興味深い新しい構造が形成されています。」

アニーリングが完了するまで進むと、層は最終的に進化して安定した構造を形成します。 しかし、アニーリング プロセスを何度か停止し、材料を急速に冷却して急冷することで、「一時的な構造を引き出して、他の興味深い形状を得ることができます」と Yager 氏は述べています。

走査型電子顕微鏡画像から、「欄干」や「水路」などの構造には、積層された共重合体の順序と再構成の好みに由来する複合的な特徴があることが明らかになりました。 他のものは、出発材料の好ましい構成のいずれとも異なり、または他の自己組織化材料とは異なり、交差パターンまたは穴のパッチワークを備えたラメラを持っています.

CFN の科学者は、既存の材料の想像力豊かな組み合わせを調査し、その「処理履歴」を調査する詳細な研究を通じて、特定の条件下でどのような構造が形成されるかを説明および予測する一連の設計原則を作成しました。 彼らは、コンピューターベースの分子動力学シミュレーションを使用して、分子の挙動をより深く理解しました。

「これらのシミュレーションにより、個々のポリマー鎖が再編成されたときにどこに向かっているかを確認できます」と Yager 氏は述べています。

有望なアプリケーション

そしてもちろん、科学者たちは、これらのユニークな素材がどのように役立つかについて考えています. 穴のある素材は、ろ過または触媒作用の膜として機能する可能性があります。 上部にパラペットのような柱があるものは、表面積が大きく、電子接続性があるため、潜在的にセンサーになる可能性がある、と Yager は示唆した。

に含まれる最初のテスト ネイチャー・コミュニケーションズ 電気伝導性に着目した紙。 一連の新しい形状のポリマーを形成した後、チームは浸透合成を使用して、新しい形状のドメインの 1 つを酸化亜鉛に置き換えました。 異なる形状の酸化亜鉛ナノ構造の電気伝導率を測定したところ、大きな違いが見つかりました。

「それは同じ出発分子であり、私たちはそれらをすべて酸化亜鉛に変換しています。一方と他方の唯一の違いは、それらがナノスケールで互いに局所的にどのように接続されているかです」とイェーガーは言いました. 「そして、最終的な材料の電気的特性に大きな違いをもたらすことが判明しました。センサーやバッテリーの電極では、それは非常に重要です。」

科学者たちは現在、さまざまな形状の機械的特性を調査しています。

「次のフロンティアは多機能性です」と Yager 氏は言います。 「これらの優れた構造にアクセスできるようになったので、あるプロパティを最大化し、別のプロパティを最小化するものを選択する方法、または両方を最大化または最小化するものを選択するにはどうすればよいでしょうか?」

「このアプローチでは、多くのことを制御できます」と Yager 氏は言います。 「(この新しく開発された方法を使用して)構造が何であるか、また(当社の浸透合成の専門知識を使用して)どのような材料でできているかを制御できます。このアプローチがどこにつながるかについて、CFNユーザーと協力することを楽しみにしています。」

この研究は、DOE 科学局 (BES) によって資金提供されました。 実験的な作業は、現在業界で働いている CFN のポスドク研究員である Sebastian Russell によって主導されました。 その他の共著者には、Brookhaven Lab の National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) の Masafumi Fukuto が含まれます。 CFNのナム・チャンヨン、ペ・スウォン、ニキル・ティワレ、グレゴリー・ドーク。 ストーニーブルック大学(SBU)のアシュワンス・サブラマニアン。 CFN と NSLS-II は、DOE 科学局のユーザー施設です。 この作業では、ブルックヘブン ラボの計算科学イニシアチブのコンポーネントである科学データおよび計算センターによって管理される計算リソースも使用されました。

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