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(noticias nanowerk) A medida que los dispositivos electrónicos se hacen más pequeños, los materiales necesarios para fabricarlos también se hacen más pequeños. La nanociencia es el estudio de materiales extremadamente pequeños utilizados en almacenamiento de energía, electrónica, aplicaciones de salud y seguridad, y más.
Ahora, un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un nuevo método de autoensamblaje para producir nanohojas 2D multicapa. Una nanohoja es un material extremadamente pequeño, parecido a una lasaña, formado por capas ultrafinas de polímeros y nanopartículas.
Estas nanohojas han reducido significativamente la cantidad de defectos en comparación con métodos anteriores, lo que extenderá la vida útil de algunos productos electrónicos de consumo. Dado que las nanohojas sintetizadas mediante este nuevo método son reciclables, este método también podría permitir un enfoque de fabricación sostenible que reduzca la cantidad de piezas de un dispositivo electrónico que deben enviarse a 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. Los investigadores utilizaron Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.
El avance fue informado 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 comerciales y de fabricación», dijo Ting Xu, científico principal del Laboratorio de Berkeley e investigador principal que dirigió el estudio. «Es realmente emocionante porque tardó décadas en desarrollarse».
Un desafío al utilizar la nanociencia para crear materiales funcionales es que se deben ensamblar muchas piezas pequeñas. Esto permite que el nanomaterial crezca lo suficiente como para ser útil. 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 existentes.
“Si te imaginas construir una estructura 3D a partir de baldosas delgadas y planas, se crean capas en toda la altura de la estructura. Pero dondequiera que se encuentran dos mosaicos, aparecen espacios en cada capa”, dijo la autora principal Emma Vargo, ex estudiante de posgrado y ahora becaria postdoctoral en el Laboratorio de 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 cambio, el equipo mezcló mezclas de materiales que se sabe que se autoensamblan en pequeñas partículas. Utilizaron capas alternas de los materiales componentes suspendidos en un disolvente.
Los experimentos en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, 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 se organizan espontáneamente, formando capas gruesas. Luego se solidifican en densas nanoplacas. 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. Esto evita los problemas de mover “mosaicos” más grandes y los inevitables espacios entre ellos.
Los investigadores predijeron que la mezcla compleja utilizada para el estudio actual tendría dos propiedades ideales. También esperaban que el nuevo sistema de nanohojas se viera mínimamente afectado por las diferentes químicas 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.
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.
En experimentos en la APS, los investigadores examinaron cómo una mezcla de polímeros, pequeñas moléculas orgánicas y nanopartículas forma una película en la pared interna de un tubo capilar de cuarzo a medida que el solvente se evapora lentamente en el aire seco.
«Gracias a los brillantes rayos X producidos por el APS y al sofisticado detector de rayos X colocado en Beamline 8-ID-I, pudimos descubrir cómo interactúa cada componente en una amplia gama de escalas de longitud», dijo el científico de Argonne. Qingteng Zhang, coautor del artículo.
Ahora que han demostrado con éxito cómo un único nanomaterial puede sintetizarse fácilmente en un material funcional versátil para diversas aplicaciones industriales, los investigadores planean optimizar la reciclabilidad del material. También agregarán capacidad de ajuste de color (actualmente disponible en azul) a su repertorio.
El APS está experimentando una importante actualización. Una vez completado, el APS mejorado permitirá el estudio del autoensamblaje de nanopartículas desde la nanoescala hasta la escala de dispositivo, comenzando desde el comienzo del proceso de autoensamblaje.
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