一种新的自组装纳米片可以从根本上加速电子、能源存储、健康和安全等领域功能性和可持续纳米材料的开发。

这种新型自组装纳米片由劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)领导的团队开发，可以显着延长消费品的保质期。而且由于新材料是可回收的，它还可以实现可持续的制造方法，使一次性包装和电子产品远离垃圾填埋场。

该团队是第一个利用自组装纳米片成功开发出多用途、高性能阻隔材料的团队。《自然》杂志报道了这一突破。

领导这项研究的首席研究员TingXu表示：“我们的工作克服了纳米科学领域长期存在的障碍——将纳米材料合成规模扩大为用于制造和商业应用的有用材料。”“这真的很令人兴奋，因为这已经酝酿了几十年了。”

徐是伯克利实验室材料科学部的高级科学家，也是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授。

利用纳米科学来制造功能材料的一个挑战是，需要将许多小部件聚集在一起，以便纳米材料能够长得足够大以发挥作用。虽然堆叠纳米片是将纳米材料生长成产品的最简单方法之一，但在使用现有纳米片或纳米片时，“堆叠缺陷”(纳米片之间的间隙)是不可避免的。

“如果你想象用薄而平坦的瓷砖建造一个3D结构，你会在结构的高度上有层，但在两块瓷砖相遇的地方，每一层也会有间隙，”第一作者、前研究员艾玛·瓦戈(EmmaVargo)说。徐教授课题组研究生研究员，现为伯克利实验室材料科学部博士后。“通过增大瓷砖来减少间隙数量很诱人，但它们变得更难处理，”瓦戈说。

新的纳米片材料通过完全跳过串行堆叠片材方法来克服堆叠缺陷的问题。相反，该团队将已知可自组装成小颗粒的材料与交替的成分材料层混合在一起，悬浮在溶剂中。为了设计该系统，研究人员使用了纳米颗粒、小分子和基于嵌段共聚物的超分子的复杂混合物，所有这些都是市售的。

橡树岭国家实验室散裂中子源的实验帮助研究人员了解了混合物自组装的早期、粗略阶段。

当溶剂蒸发时，小颗粒聚结并自发组织，形成粗糙的模板层，然后固化成致密的纳米片。通过这种方式，有序层同时形成，而不是在串行过程中单独堆叠。小块只需要移动短距离即可组织起来并缩小间隙，避免了移动较大“瓷砖”以及它们之间不可避免的间隙的问题。

从徐领导的先前研究中，研究人员知道，将含有多种不同尺寸和化学成分的纳米复合材料混合物(包括复杂的聚合物和纳米颗粒)结合起来，不仅可以适应杂质，还可以释放系统的熵，即系统固有的无序性。徐的团队利用这些材料的混合物来分配材料的构建块。

这项新研究建立在这项早期工作的基础上。研究人员预测，当前研究中使用的复杂混合物将具有两个理想的特性：除了具有高熵来驱动同时形成的数百个纳米片堆叠的自组装之外，他们还预计新的纳米片系统将具有受不同表面化学物质的影响最小。他们推断，这将允许相同的混合物在各种表面上形成保护屏障，例如电子设备的玻璃屏幕或聚酯面罩。

展示新型二维纳米片的自组装简易性和高性能

为了测试该材料在几种不同应用中作为阻隔涂层的性能，研究人员寻求了美国一些最好的研究机构的帮助。

微电子设备由加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系制造。电钙测试证明了自组装纳米片作为微电子产品氧屏障的潜力，例如被称为有机光伏的薄膜太阳能材料。图片来源：JasmineJan，加州大学伯克利分校

在阿贡国家实验室先进光子源的实验中，研究人员绘制了每个组件如何组合在一起的图解，并量化了它们的迁移率以及每个组件移动以生长功能材料的方式。

基于这些定量研究，研究人员通过将聚合物、有机小分子和纳米颗粒的稀溶液应用于各种基材(聚四氟乙烯烧杯和膜、聚酯薄膜、厚硅膜和薄硅膜、玻璃，甚至原型)来制造阻隔涂层。微电子器件的制造——然后控制成膜速率。

伯克利实验室分子铸造厂的透射电子显微镜实验表明，当溶剂蒸发时，由200多个堆叠的纳米片组成的高度有序的层状结构(缺陷密度非常低)已在基底上自组装。Vargo说，研究人员还将每个纳米片制成100纳米厚，几乎没有孔和间隙，这使得该材料在防止水蒸气、挥发性有机化合物和电子通过方面特别有效。

分子铸造厂的其他实验表明，该材料作为电介质具有巨大的潜力，这是一种绝缘的“电子势垒”材料，通常用于能量存储和计算应用的电容器中。

徐和团队与伯克利实验室能源技术领域的研究人员合作证明，当该材料用于涂覆多孔聚四氟乙烯膜(一种用于制造防护口罩的常见材料)时，它可以非常有效地过滤掉挥发性有机化合物，这些化合物可以损害室内空气质量。

在徐实验室的最后一项实验中，研究人员表明，该材料可以重新溶解并重新铸造，以产生新的阻隔涂层。

现在，他们已经成功演示了如何从单一纳米材料轻松合成用于各种工业应用的多功能功能材料，研究人员计划微调该材料的可回收性，并在其功能中添加颜色可调性(目前为蓝色)。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：