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(noticias nanowerk) Una nueva nanohoja autoensamblable podría acelerar radicalmente el desarrollo de nanomateriales funcionales y sostenibles para la electrónica, el almacenamiento de energía, la salud y la seguridad, y más.
Las tesis centrales
Investigación
Desarrollada por un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), la nueva nanohoja autoensamblable podría extender significativamente la vida útil de los productos de consumo. Y como el nuevo material es reciclable, también podría permitir un enfoque de fabricación sostenible que evite que los envases y productos electrónicos de un solo uso terminen en los vertederos.
El equipo es el primero en desarrollar con éxito un material de barrera versátil y de alto rendimiento elaborado a partir de nanohojas autoensamblables. El avance fue informado en línea en la revista. Naturaleza (“Compuestos funcionales mediante la programación del crecimiento de nanohojas controlado por entropía”).
«Nuestro trabajo supera un obstáculo de larga data en la nanociencia: extender la síntesis de nanomateriales a materiales útiles para aplicaciones industriales y comerciales», dijo Ting Xu, el investigador principal que dirigió el estudio. «Es realmente emocionante porque tardó décadas en desarrollarse».
Xu es científico senior del Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.
Un desafío al utilizar la nanociencia para crear materiales funcionales es que se deben ensamblar muchas piezas pequeñas para que el nanomaterial pueda crecer lo suficiente como para ser útil. Y si bien apilar nanohojas es una de las formas más fáciles de procesar nanomateriales para convertirlos en un producto, los “errores de apilamiento” (espacios entre nanohojas) son inevitables cuando se trabaja con nanohojas o nanoplacas existentes.
«Si imagina construir una estructura 3D a partir de mosaicos delgados y planos, tendrá capas a lo largo de toda la altura de la estructura, pero también tendrá espacios en cada capa donde se unen dos mosaicos», dijo la autora principal Emma Vargo, ex estudiante de posgrado. en el grupo Xu y ahora becario postdoctoral en el Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio Berkeley. «Es tentador reducir el número de espacios aumentando el tamaño de las losas, pero resulta más difícil trabajar con ellas», dijo Vargo.
El nuevo material de nanohojas supera el problema de los errores de apilamiento al saltarse por completo el enfoque de hojas apiladas en serie. En lugar de ello, el equipo mezcló mezclas de materiales que se sabe que se autoensamblan en pequeñas partículas con capas alternas de los materiales componentes suspendidos en un disolvente. Para diseñar el sistema, los investigadores utilizaron mezclas complejas de nanopartículas, moléculas pequeñas y supramoléculas basadas en copolímeros de bloque, todas ellas disponibles comercialmente.
Los experimentos en la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ayudaron a los investigadores a comprender las primeras etapas generales del autoensamblaje de las mezclas. A medida que el disolvente se evapora, las pequeñas partículas se fusionan y organizan espontáneamente, formando capas gruesas y luego solidificándose en densas nanohojas. De este modo, las capas ordenadas se forman simultáneamente y no se apilan individualmente en un proceso en serie. Las piezas pequeñas sólo necesitan recorrer distancias cortas para organizarse y cerrar huecos, evitando los problemas de mover «baldosas» más grandes y los inevitables huecos entre ellas.
De un estudio anterior dirigido por Xu (ACS Nano«La diversificación de la composición conduce a compuestos jerárquicos con flexibilidad de diseño y fidelidad estructural»), los investigadores sabían que la combinación de mezclas de nanocompuestos con múltiples «bloques de construcción» de diferentes tamaños y químicas, incluidos polímeros y nanopartículas complejos, no solo se adaptaría a los contaminantes, sino también a los contaminantes. Descifrar la entropía de un sistema, el desorden inherente a las mezclas de materiales, que el grupo de Xu utilizó para distribuir los componentes básicos del material.
El nuevo estudio se basa en este trabajo anterior. Los investigadores predijeron que la mezcla compleja utilizada para el estudio actual tendría dos propiedades ideales: no solo esperaban que una alta entropía impulsara el autoensamblaje de una pila de cientos de nanohojas formadas simultáneamente, sino que también esperaban que un nuevo sistema de nanohojas Hacer esto está mínimamente influenciado por la diferente química de la superficie. Argumentaron que esto permitiría que la misma mezcla formara una barrera protectora en una variedad de superficies, como la pantalla de vidrio de un dispositivo electrónico o una máscara de poliéster.
Fácil automontaje y alto rendimiento
Para probar el rendimiento del material como revestimiento de barrera en diversas aplicaciones, los investigadores contaron con la ayuda de algunas de las principales instituciones de investigación del país.
Durante los experimentos en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores descubrieron cómo se unen los componentes individuales y cuantificaron su movilidad y la forma en que cada componente se mueve para formar un material funcional.
Basándose en estos estudios cuantitativos, los investigadores crearon recubrimientos de barrera aplicando una solución diluida de polímeros, pequeñas moléculas orgánicas y nanopartículas a varios sustratos: una copa y membrana de teflón, una película de poliéster, películas de silicio gruesas y delgadas, vidrio e incluso un prototipo de dispositivo microelectrónico. – y luego controlar la velocidad de formación de la película.
Los experimentos de microscopía electrónica de transmisión en la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley muestran que cuando el solvente se evaporó, se había formado en los sustratos una estructura en capas altamente ordenada de más de 200 nanohojas apiladas con muy baja densidad de defectos. Los investigadores también lograron hacer cada nanohoja de 100 nanómetros de espesor y con pocos agujeros y espacios, lo que hace que el material sea particularmente efectivo para prevenir el paso de vapor de agua, compuestos orgánicos volátiles y electrones, dijo Vargo.
Otros experimentos en Molecular Foundry mostraron que el material tiene un gran potencial como dieléctrico, un material aislante de «barrera electrónica» comúnmente utilizado en condensadores para almacenamiento de energía y aplicaciones informáticas.
Trabajando con investigadores del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley, Xu y su equipo han demostrado que cuando el material se utiliza para recubrir membranas porosas de teflón (un material común utilizado para fabricar máscaras protectoras), es muy eficaz para filtrar compuestos orgánicos volátiles que Esto puede afectar la calidad del aire interior.
Y en un experimento final en el laboratorio de Xu, los investigadores demostraron que el material se puede redisolver y refundir para crear una nueva capa de barrera.
Ahora que han demostrado con éxito cómo sintetizar fácilmente un material funcional versátil para diversas aplicaciones industriales a partir de un único nanomaterial, los investigadores planean optimizar la reciclabilidad del material y agregar capacidad de ajuste de color a su repertorio (actualmente está disponible en azul).
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