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小有机分子、嵌段共聚物基超分子和无机纳米颗粒的插图-丁旭和她的团队在美国化学会纳米. 来源:伯克利实验室

由劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Laboratory)领导的一个研究小组已经证明了微小的同心纳米圆能够精确高效地自组装成光学材料。

他们的工作克服了纳米科学中长期存在的分子杂质问题。研究人员在期刊上描述了他们的工作美国化学会纳米先进材料.

这项新发现可能使由不同成分制成的多功能纳米复合材料的大规模制造成为可能,规模达到十亿分之一米。这种材料可以使先进的光纤用于高速宽带通信,以及用于建筑、汽车和航空航天的多功能涂层。

在中报告美国化学会纳米这项新技术在向混合物中添加杂质(如有机小分子)几分钟内,就可以将各种聚合物和纳米颗粒的混合物诱导成自发形成微小的嵌套环。

“这完全出乎我们的意料,”资深作家徐婷说,他是伯克利实验室材料科学部的资深教授,也是加州大学伯克利分校化学与材料科学与工程教授。“在纳米科学中,一种材料通常必须有具有化学亲和力或相容性的完美成分,否则就是‘垃圾进入,垃圾排出’。因此,当我们10多年前首次进行观察时,我们无法解释,但事实证明,通过增加成分多样性,复杂系统获得了自我适应和以可控的方式处理缺陷。"

当有机小分子扮演重要角色时

对于美国化学会纳米研究中,研究人员知道“相似的事物寻找相似的事物”,因此预测到一定数量的有机小分子当与各种不同大小的颗粒、纳米颗粒和分子混合时,会分散在混合物中的不同区域或“纳米区域”。

他们预测,这种分子迁移将释放系统的熵,一种有助于分配物质的能量积木并驱动无机纳米粒子组织成一系列同心环。

为了验证他们的假设,徐团队混合了14种不同的含有氧化铁和油酸纳米粒子(直径为20-30纳米)的混合物;嵌段共聚物基超分子;有机小分子;二氧化硅颗粒(直径100-300纳米)涂有大约6-14纳米厚的聚苯乙烯刷子。

研究小组随后在伯克利实验室的分子铸造厂进行了电子显微镜实验,并在伯克利实验室的先进光源进行了X射线研究,以揭示所得到材料中每种成分的结构和空间分布。

通过这些实验,徐团队证明了含有四种或更多不同尺寸和化学成分的纳米复合混合物,包括复杂聚合物和纳米颗粒,可以容纳杂质。

此外,他们还证明,在这种情况下,向纳米复合材料中添加适量的有机小分子会导致混合物中的其他分子在几分钟内自发形成完美嵌套的纳米环。

“对于制造商来说,这是一种更宽容的方法,可以在大规模的商业规模上设计功能性纳米材料,”徐说。“分子的组合不再需要根据具体的配方来调整。”

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自组装同心纳米环的原子力显微镜图像先进材料. 来源:伯克利实验室

自组装纳米圆能引导光束吗?

在随后的先进材料她说,在这项研究中,徐和她的团队展示了从各种聚合物溶液中自组装而成的同心环,“作为一个试验台,看看我们能在多大程度上控制系统,并观察系统对杂质的反应。”。

利用他们的技术,徐教授的团队制造出了直径只有500纳米的自组装纳米圈,甚至比光波还小。

伯克利实验室材料科学部教授、加州大学伯克利分校材料科学与工程副教授姚洁说:“如果我们想利用这些微观结构来控制光在光纤通信或光电子领域的传播,这一点非常重要。”先进材料和徐同学一起学习。

由姚明领导的一个团队在加州大学伯克利分校和伯克利实验室的材料科学部进行了实验。研究人员发现,当一束可见光通过一个同心纳米圆脉冲时,这种结构与一种称为轨道角动量(OAB)的光的物理性质相互作用,这种物理性质将光束的形状转变为螺旋形或螺旋形。

他们还了解到,某些纳米圆设计可以将光引导到螺旋形的左边或右边,这是物理学中称为螺旋度的特性。

姚补充说,将螺旋度编码成光束的纳米材料可以将传统光纤用于互联网通信的带宽提高一倍甚至三倍,并推动了自由空间光学等新的无线通信技术。

这项新技术还可以节省工业时间和金钱。他说:“采用徐氏团队的方法,制造纳米结构只需几分钟,因此成本降低,而且这种方法可以反复重复,适合大规模生产。”。

“我们相信纳米复合材料是功能材料的未来,”徐说。“经过十几年的探索,我们终于克服了一个瓶颈,将研究人员在实验室学到的知识转化为现实世界的制造业。这是非常令人满意的。”

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