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Una novedosa nanohoja autoensamblable tiene el potencial de acelerar significativamente la producción de nanomateriales sostenibles y útiles para una variedad de aplicaciones, incluido el almacenamiento de energía, la electrónica, la salud y la seguridad.
La novedosa nanohoja autoensamblable, desarrollada por un equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), tiene el potencial de extender significativamente la vida útil de los productos de consumo. Además, la reciclabilidad del nuevo material podría permitir la implementación de una estrategia de fabricación sostenible que evite que los productos electrónicos y los envases de un solo uso acaben en los vertederos.
El grupo es el primero en desarrollar eficazmente un material de barrera con múltiples usos y excelente eficiencia utilizando nanohojas autoensamblables. Naturaleza publicó un informe sobre el avance el 8 de noviembre.Th2023.
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. Es realmente emocionante porque tomó décadas desarrollarlo.
Ting Xu, investigador principal y científico senior de la facultad, División de Ciencia de Materiales, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Usar la nanociencia para crear materiales funcionales es un problema porque el nanomaterial debe unirse en piezas lo suficientemente grandes como para ser útiles. Además, aunque convertir nanomateriales en un producto apilando nanohojas es uno de los métodos más simples, trabajar con nanohojas o nanoplacas preexistentes conduciría inevitablemente a «errores de apilamiento» o espacios entre las nanohojas.
Si imagina construir una estructura 3D a partir de mosaicos planos y delgados, tendrá capas en toda la altura de la estructura, pero también tendrá espacios en cada capa donde se unen dos mosaicos. Es tentador reducir la cantidad de espacios aumentando el tamaño de los mosaicos, pero resulta más difícil trabajar con ellos.
Emma Vargo, autora principal del estudio e investigadora postdoctoral, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Al eliminar por completo la tecnología de láminas apiladas en serie, el novedoso material de nanohojas resuelve el problema de los errores de apilamiento. Más bien, el grupo combinó capas alternas de los ingredientes suspendidos en un disolvente con mezclas de compuestos que se sabe que se autoensamblan en pequeñas partículas.
Para construir el sistema, los investigadores utilizaron mezclas complicadas de moléculas pequeñas, supramoléculas y nanopartículas basadas en copolímeros de bloque, todas ellas disponibles comercialmente.
Los experimentos en la fuente de neutrones de espalación en el 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 consolidan y organizan espontáneamente, formando capas de plantilla gruesas antes de solidificarse en gruesas nanohojas.
En lugar de apilarse una tras otra en un proceso en serie, las capas ordenadas se forman simultáneamente. Las piezas pequeñas sólo necesitan recorrer una corta distancia para organizarse y cerrar huecos. Esto elimina los problemas asociados con el movimiento de “mosaicos” más grandes y los inevitables espacios entre ellos.
La combinación de mezclas de nanocompuestos con múltiples «bloques de construcción» de diferentes tamaños y químicas, como polímeros complejos y nanopartículas, no sólo eliminaría las impurezas sino que también desbloquearía la entropía de un sistema, o el desorden inherente en las mezclas de materiales, que el grupo de Xu solía distribuir. bloques de construcción del material. Este conocimiento proviene de un estudio previo dirigido por Xu.
Este trabajo previo se amplía en este nuevo estudio. Los investigadores esperaban dos propiedades perfectas de la complicada mezcla utilizada en este estudio: además de tener una alta entropía para facilitar el autoensamblaje de cientos de nanohojas fabricadas simultáneamente, esperaban que la nueva estructura de nanohojas apenas se viera afectada por diferentes químicas de superficie. ser influenciado.
Concluyeron que esto permitiría que la misma mezcla creara una barrera protectora en una variedad de superficies, como las máscaras de poliéster o la pantalla de vidrio de los dispositivos electrónicos.
Fácil automontaje y alto rendimiento
Los investigadores colaboraron con algunos de los principales centros de investigación del país para evaluar la eficacia del material como revestimiento de barrera en diversas aplicaciones.
Los investigadores midieron la movilidad de cada componente y la forma en que se mueve para formar un material funcional mapeando cómo encaja cada componente durante las pruebas en la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne.
Aplicando una solución diluida de polímeros, pequeñas moléculas orgánicas y nanopartículas a una variedad de sustratos, incluyendo 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 regulando la velocidad alrededor de la película. formación Para mejorar esto, los investigadores desarrollaron recubrimientos de barrera basados en estos estudios cuantitativos.
Los experimentos de microscopía electrónica de transmisión en la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley muestran que cuando el solvente se evaporó, más de 200 nanohojas apiladas se habían autoensamblado en una estructura en capas altamente organizada con una densidad de defectos muy baja en los sustratos.
Además, los investigadores fabricaron cada nanohoja con un espesor de 100 nanómetros y algunos agujeros y huecos. Según Vargo, esto hace que el material sea particularmente eficaz a la hora de bloquear el paso de electrones, vapor de agua y moléculas orgánicas volátiles.
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, según pruebas adicionales realizadas por Molecular Foundry.
Xu y sus colegas, en colaboración con investigadores del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley, demostraron que el material es extremadamente eficaz para filtrar compuestos orgánicos volátiles que pueden afectar la calidad del aire interior cuando se aplica a membranas porosas de teflón, un material que se utiliza a menudo para fabricar máscaras. máscaras de protección facial.
Además, el material se puede disolver y refundir para crear una nueva capa de barrera, como demostraron los investigadores en un experimento final en el laboratorio de Xu.
Después de haber demostrado que se puede utilizar un solo nanomaterial para producir un material funcional diverso para una variedad de aplicaciones industriales, los investigadores ahora quieren mejorar la reciclabilidad del material y agregar capacidad de ajuste del color (ahora está disponible en azul).
Los otros autores del estudio son Hugo Destaillats, Ivan Kuzmenko, Jan Ilavsky, Wei-Ren Chen, William Heller, Robert O. Ritchie, Yi Liu, Le Ma, He Li, Qingteng Zhang, Junpyo Kwon, Katherine M. Evans y Xiaochen. Tang, Victoria L. Tovmasyan, Jasmine Jan y Ana C. Arias.
El programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de Berkeley Lab y la Oficina de Ciencias del DOE proporcionaron fondos para el estudio. La Fundación Nacional de Ciencias, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa y el Departamento de Defensa contribuyeron con fondos adicionales.
Referencia de la revista:
Vargo, E., et al. (2023) Compuestos funcionales mediante la programación del crecimiento de nanohojas impulsado por la entropía. Naturaleza. doi:10.1038/s41586-023-06660-x
Fuente: https://www.lbl.gov/
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