211service.com
Een sponsgids voor nanomontage
Een van de voortdurende doelen van nanotechnologie is om eenvoudig en goedkoop hoogwaardige materialen te maken die op nanoschaal zijn gestructureerd. En een van de meest veelbelovende strategieën is om te proberen het opmerkelijke vermogen van de natuur na te bootsen om complexe vormen zelf te assembleren met precisie op nanoschaal. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB), met behulp van aanwijzingen uit zeesponzen, een methode ontwikkeld om halfgeleidende materialen te synthetiseren met bruikbare structuren en nieuwe elektronische eigenschappen. De eerste toepassingen kunnen manieren zijn om materialen te maken voor krachtigere batterijen en zeer efficiënte zonnecellen tegen een lagere prijs.
Deze glasstructuur, gevormd door een soort zeespons, inspireerde wetenschappers om dergelijke organismen te bestuderen om te leren hoe ze gemakkelijk complexe structuren op nanoschaal kunnen samenstellen. (Met dank aan James Weaver en Daniel E. Morse, Universiteit van Californië, Santa Barbara.)
We hebben toegang tot structuren die in sommige gevallen nooit eerder waren bereikt. En in sommige gevallen ontdekken we elektronische eigenschappen die nooit eerder bekend waren voor die klasse van materialen, zegt Daniel morse , hoogleraar moleculaire genetica en biochemie aan de UCSB, die het project leidde. De methode werkt met een grote verscheidenheid aan materialen. Tot nu toe, zegt hij, heeft de groep 30 verschillende soorten oxiden, hydroxiden en fosfaten gemaakt.
[Klik hier voor afbeeldingen van op de natuur gebaseerde materialen op nanoschaal.]
De huidige zonnecellen en batterijen worden gedeeltelijk tegengehouden door hun beperkte vermogen om elektrische ladingsdragers, zoals elektronen en positieve ionen, in en uit actieve materialen te transporteren. Een vooruitgang die zou kunnen helpen, is het vergroten van het oppervlak van een materiaal, terwijl tegelijkertijd een dunnefilmstructuur behouden blijft die gemakkelijk als een elektrodelaag in een apparaat kan worden opgenomen.
Morse en zijn collega's begonnen hun onderzoek door de methoden te bestuderen die door mariene sponzen worden gebruikt om ingewikkelde glazen skeletten te maken die spicules worden genoemd (zie afbeelding). Eén type spons produceert een cilinder die eruitziet alsof hij is gemaakt van geweven glasvezels, hoewel hij helemaal niet is geweven, maar molecuul voor molecuul wordt samengesteld om de structuur te maken.
De onderzoekers bestudeerden met name een soort spons die kleine naaldjes van glas maakt. Ze ontdekten dat de genen die verantwoordelijk zijn voor de glasstructuren coderen voor enzymen die dienen als zowel een fysieke sjabloon voor de structuur als een katalysator voor het assembleren van moleculaire voorlopers in het gewenste materiaal.
De wetenschappers ontwikkelden een synthesemethode die de basisprincipes achter de natuurlijke assemblagemethode gebruikt: langzame katalyse en het gebruik van een fysieke sjabloon. Ze ontdekten dat ze niet alleen glas konden assembleren, maar ook een verscheidenheid aan halfgeleidende materialen die nuttig zouden kunnen zijn in apparaten.
De methode begint met een oplossing van moleculaire voorlopers. De onderzoekers stellen de oplossing vervolgens bloot aan ammoniakdamp, die, terwijl deze langzaam in de oplossing diffundeert, als katalysator werkt. De fysieke sjabloon voor het materiaal is het oppervlak van de oplossing. Op dit oppervlak, waar de dampconcentratie het grootst is, vormt het materiaal een dunne film.
In het begin vormen de kristallen zich aan het [oppervlak], maar na verloop van tijd beginnen ze naar beneden te projecteren in de oplossing, zoals stalactieten die naar beneden groeien vanaf het dak van een grot, zegt Morse. Wat je krijgt is een nanogestructureerde dunne film van halfgeleider met een zeer groot oppervlak vanwege alle uitstekende dunne platen of naalden die naar beneden in de oplossing steken.
De methode werkt bij lage temperaturen, ongeveer kamertemperatuur, terwijl conventionele technieken voor het maken van halfgeleidende dunne films hoge temperaturen vereisen - 400 graden Celsius, zegt Morse. Het vereist ook geen vaak gebruikte agressieve zuren en basen. De milde omstandigheden maken het proces niet alleen goedkoper en gemakkelijker, maar kunnen ook leiden tot apparaten die materialen bevatten die onmogelijk te gebruiken zijn met conventionele processen. Soms worden bijvoorbeeld de materialen die in een apparaat kunnen worden gebruikt, beperkt door de hoge temperaturen die worden gebruikt om de materialen te maken. Als je ze allemaal op kamertemperatuur kunt maken, kun je ze misschien dopen met doteermiddelen die je normaal niet bij hoge temperatuur zou kunnen gebruiken, zegt Angela Belcher , materiaalkunde en engineering en professor biologische engineering aan het MIT, die het werk van Morse erg spannend vindt.
Uiteindelijk kan de beloning van Morse's werk om biologische mechanismen te bestuderen meer zijn dan nieuwe dunne films, zegt Avinda Kini , programmamanager materiaalwetenschap en techniek van het Amerikaanse Department of Energy. Hoewel het huidige proces alleen werkt voor dunne films, zou een beter begrip van de katalyse- en sjabloonmethoden van sponzen het ooit mogelijk kunnen maken om complexe machineonderdelen te fabriceren door moleculen aan elkaar te plakken. Het is nog steeds een droom, maar stel je voor dat het blad van een vliegtuigmotor van onderaf wordt geassembleerd, zonder enige defecten, zonder zeer dure fabricagemethoden, zegt hij. Dat is wat mogelijk is. Dat is waar mensen van dromen.
Homepage-afbeelding met dank aan Kristian Roth, Birgit Schwenzer en Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.