[ad_1]
(Foco Nanowerk) La nanotecnología –la manipulación de la materia a nivel atómico y molecular– ha abierto posibilidades asombrosas en todas las disciplinas científicas. En particular, el ensamblaje ascendente de bloques de construcción a nanoescala promete una producción en masa asequible de dispositivos complejos con funciones poderosas. Sin embargo, persisten obstáculos importantes para ampliar las demostraciones de laboratorio a procesos de fabricación reales.
Un objetivo perseguido es la producción rápida y rentable de recubrimientos altamente uniformes a partir de nanopartículas. Al disponer cuidadosamente una gran cantidad de nanopartículas adaptadas a sus necesidades en grandes superficies, los investigadores pretenden crear metasuperficies en forma de láminas que presenten propiedades mecánicas, electrónicas y ópticas únicas. Las aplicaciones incluyen células solares de próxima generación, dispositivos emisores de luz de alta eficiencia, sensores de presión flexibles y pantallas visuales con colores anormalmente vivos.
Desafortunadamente, a pesar de prometedoras demostraciones a pequeña escala, enormes desafíos han frustrado el progreso hacia el ensamblaje escalable de nanopartículas. La producción de películas impecables de nanopartículas cristalinas en áreas que van desde metros cuadrados a metros cuadrados requiere maquinaria extremadamente compleja en rigurosas condiciones de laboratorio. Esto hace que los métodos existentes sean inadecuados y prohibitivos para la producción en masa.
Ahora, un enfoque innovador de investigadores de la Universidad de Texas en Austin muestra una alternativa transformadora. La nueva técnica de ensamblaje de aerosoles dirigidos demuestra un rendimiento y una escalabilidad notables y, al mismo tiempo, se basa en equipos accesibles y de bajo costo. Al eliminar un cuello de botella clave en la producción, este avance revolucionario abre la puerta a tecnologías comerciales de nanopartículas que podrían dar forma a nuestro futuro en energía, informática y medicina.
El equipo publicó sus resultados en Materiales avanzados (“Autoensamblaje masivamente escalable de monocapas de nano y micropartículas mediante deposición asistida por aerosol”).
El nuevo método, llamado autoensamblaje asistido por aerosol, utiliza una boquilla rociadora ultrasónica para crear una fina niebla que contiene las nanopartículas suspendidas en gotas de líquido de apenas micrómetros de tamaño. Este aerosol cargado de nanopartículas se enfoca en un haz estrecho y se dirige hacia la superficie de un baño de agua. Cuando las microgotas golpean el agua, las nanopartículas se transfieren de manera eficiente a la interfaz aire-agua, donde rápidamente se autoensamblan en una monocapa ordenada.
El avance radica en el uso de una boquilla rociadora ultrasónica que utiliza transductores piezoeléctricos que vibran a 120 kilohercios para producir una fina niebla de aerosol a partir de la solución de nanopartículas. Esta niebla contiene gotas de líquido individuales de sólo 15 a 25 micrómetros de diámetro. Al enfocar estas gotas en un haz estrecho dirigido a la superficie del agua, las nanopartículas se pueden transferir eficientemente a la interfaz aire-agua cuando las gotas impactan.
La física subyacente es equilibrar cuidadosamente la tensión interfacial y disipar la energía cinética de las gotas para evitar que la superficie del agua se rompa. Esto evita la pérdida de nanopartículas en el líquido principal. Mientras tanto, las moléculas de surfactante en el aerosol inducen fuertes corrientes superficiales a lo largo de la interfaz aire-agua a través del efecto Marangoni. Esto hace que las nanopartículas sean expulsadas del lugar del impacto sin agregarse.
Una ventaja clave de esta tecnología es la velocidad. Los investigadores demostraron velocidades de autoensamblaje de nanopartículas de hasta 268 centímetros cuadrados por minuto, 93 veces más rápido que el estado de la técnica anterior. Un ensamblaje tan rápido facilita la fabricación escalable de capas de nanopartículas sobre grandes superficies. Esto representa un obstáculo persistente para la aplicación práctica de estos nanomateriales.
El estudio proporciona nuevos conocimientos sobre los factores físicos que controlan la transferencia y el ensamblaje eficiente de nanopartículas durante el proceso. En particular, los investigadores descubrieron que es crucial ajustar específicamente la carga eléctrica de las nanopartículas. Las nanopartículas con una alta carga eléctrica o potencial zeta son mucho más efectivas para autoensamblarse en cristales altamente ordenados. Estas partículas cargadas evitan que se peguen entre sí de forma irreversible, lo que permite que los defectos en la nanoestructura en crecimiento se corrijan solos con el tiempo.
Al controlar cuidadosamente las propiedades de la superficie de las nanopartículas y el flujo de deposición, los investigadores produjeron matrices de nanocristales excepcionalmente uniformes y sin defectos con un área de más de 50 pulgadas cuadradas. Este es un punto de referencia relevante para la fabricación comercial. Curiosamente, la técnica también logró ensamblar con éxito nanopartículas más complejas, incluidas partículas de núcleo y cubierta de silicio y titanio con un recubrimiento externo de polímero. Esto muestra una posible compatibilidad con una amplia gama de nanomateriales.
Las láminas de nanopartículas mantienen su integridad estructural cuando se transfieren a una variedad de superficies, incluido un sustrato esférico curvo. Esta flexibilidad podría permitir el diseño de ópticas de próxima generación o incluso dispositivos flexibles y portátiles. Para resaltar aplicaciones potenciales, los investigadores utilizaron su técnica para crear recubrimientos ópticos vibrantes con coloración estructural intensa.
Gracias a su rápida fabricación, escalabilidad y gran flexibilidad de materiales, el nuevo método de ensamblaje de aerosoles dirigido proporciona una plataforma fundamental para implementar una variedad de innovaciones de laboratorio en tecnologías comerciales de nanopartículas. El líder del proyecto, el profesor Edward Yu, señaló que su técnica es altamente modular y utiliza equipos que ya son comunes en entornos de fabricación industrial.
La baja complejidad y el alto rendimiento pronto podrían hacer que los metamateriales ópticos complicados, la energía fotovoltaica altamente eficiente y los nanodispositivos flexibles previamente inaccesibles sean competitivos en costos con tecnologías menos exigentes. Este nuevo paradigma de fabricación podría ayudar a abrir mercados para la nanotecnología en los mercados emergentes. Con un mayor desarrollo, Yu sugiere que el autoensamblaje de nanopartículas en aerosol dirigido podría complementar o incluso reemplazar los métodos litográficos existentes para la nanofabricación, abriendo nuevas oportunidades en todas las disciplinas científicas.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]