Gąbkowy przewodnik po nanomontażu

Jednym z bieżących celów nanotechnologii jest łatwe i niedrogie tworzenie wysokowydajnych materiałów ustrukturyzowanych w nanoskali. Jedną z najbardziej obiecujących strategii jest próba naśladowania niezwykłej zdolności natury do samodzielnego składania złożonych kształtów z precyzją w nanoskali. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), wykorzystując wskazówki zebrane z gąbek morskich, opracowali metodę syntezy materiałów półprzewodnikowych o użytecznych strukturach i nowatorskich właściwościach elektronicznych. Pierwszymi zastosowaniami mogą być sposoby wytwarzania materiałów do potężniejszych baterii i wysoce wydajnych ogniw słonecznych po niższej cenie.

Ta szklana struktura, utworzona przez gatunek gąbki morskiej, zainspirowała naukowców do badania takich organizmów, aby nauczyć się, jak łatwo składać złożone struktury w nanoskali. (Dzięki uprzejmości Jamesa Weavera i Daniela E. Morse'a, University of California, Santa Barbara.)

Uzyskujemy dostęp do struktur, które w niektórych przypadkach nigdy wcześniej nie zostały osiągnięte. A w niektórych przypadkach odkrywamy właściwości elektroniczne, które nigdy wcześniej nie były znane dla tej klasy materiałów, mówi Daniel Morse , profesor genetyki molekularnej i biochemii na UCSB, który kierował projektem. Metoda działa z szeroką gamą materiałów. Do tej pory, mówi, grupa wyprodukowała 30 różnych rodzajów tlenków, wodorotlenków i fosforanów.

[Kliknij tutaj, aby zobaczyć zdjęcia materiałów naturalnych w nanoskali.]

Dzisiejsze ogniwa słoneczne i baterie są częściowo powstrzymywane przez ich ograniczoną zdolność do przenoszenia nośników ładunków elektrycznych, takich jak elektrony i jony dodatnie, do i z materiałów aktywnych. Jednym z postępów, które mogą pomóc, jest zwiększenie pola powierzchni materiału, przy jednoczesnym zachowaniu struktury cienkowarstwowej, którą można łatwo wprowadzić jako warstwę elektrody w urządzeniu.

Morse i jego koledzy rozpoczęli badania od zbadania metod wykorzystywanych przez gąbki morskie do wytwarzania skomplikowanych szklanych szkieletów zwanych spikułami (patrz ilustracja). Jeden rodzaj gąbki wytwarza cylinder, który wygląda, jakby był zrobiony z tkanych włókien szklanych, chociaż wcale nie jest tkany, ale składa się cząsteczka po cząsteczce, aby stworzyć strukturę.

W szczególności naukowcy zbadali rodzaj gąbki, z której wytwarza się maleńkie szklane igły. Odkryli, że geny odpowiedzialne za struktury szkła kodują enzymy, które służą zarówno jako fizyczny szablon struktury, jak i katalizator do łączenia prekursorów molekularnych w pożądany materiał.

Naukowcy opracowali metodę syntezy, która wykorzystuje podstawowe zasady stojące za metodą naturalnego montażu: powolną katalizę i użycie fizycznego szablonu. Odkryli, że są w stanie złożyć nie tylko szkło, ale także różne materiały półprzewodnikowe, które mogą być przydatne w urządzeniach.

Metoda zaczyna się od roztworu prekursorów molekularnych. Następnie naukowcy wystawiają roztwór na działanie pary amoniaku, która powoli dyfundując do roztworu działa jak katalizator. Fizycznym szablonem materiału jest powierzchnia roztworu. Na tej powierzchni, gdzie stężenie pary jest największe, materiał tworzy cienką warstwę.

Na początku kryształy tworzą się na [powierzchni], ale z czasem zaczynają spływać w głąb roztworu jak stalaktyty wyrastające z dachu jaskini, mówi Morse. W efekcie otrzymujemy nanostrukturalną cienką warstwę półprzewodnika o bardzo dużej powierzchni ze względu na wszystkie wystające cienkie płytki lub igły, które wystają w głąb roztworu.

Metoda działa w niskich temperaturach, zbliżonych do temperatury pokojowej, podczas gdy konwencjonalne techniki wytwarzania cienkich warstw półprzewodnikowych wymagają wysokich temperatur – 400 stopni Celsjusza – mówi Morse. Nie wymaga również stosowania często używanych ostrych kwasów i zasad. Poza tym, że proces będzie tańszy i łatwiejszy, łagodne warunki mogą doprowadzić do powstania urządzeń, które zawierają materiały, które byłyby niemożliwe do wykorzystania w konwencjonalnych procesach. Czasami, na przykład, materiały, które można zastosować w urządzeniu, są ograniczone przez wysokie temperatury stosowane do wytwarzania materiałów. Jeśli potrafisz zrobić je wszystkie w temperaturze pokojowej, możesz być w stanie domieszkować je domieszkami, których normalnie nie można użyć w wysokiej temperaturze, mówi Angela Belcher , materiałoznawstwo i inżynieria oraz profesor inżynierii biologicznej na MIT, dla którego praca Morse'a jest bardzo ekscytująca.

Ostatecznie, korzyści płynące z pracy Morse'a badającej mechanizmy biologiczne mogą być czymś więcej niż nowatorskimi cienkimi filmami, mówi Aravinda Kini , kierownik studiów inżynierskich w Departamencie Energii USA. Chociaż obecny proces działa tylko w przypadku cienkich warstw, dalsze zrozumienie metod katalizy i szablonowania gąbek może pewnego dnia umożliwić wytwarzanie skomplikowanych części maszyn poprzez łączenie ze sobą cząsteczek. To wciąż marzenie, ale wyobraźcie sobie, że łopata silnika lotniczego jest montowana od podstaw, bez żadnych wad, bez bardzo kosztownych metod produkcji – mówi. To jest możliwe. O tym ludzie marzą.

Zdjęcie na stronie głównej dzięki uprzejmości Kristiana Rotha, Birgit Schwenzer i Daniela E. Morse'a z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara.

ukryć