09 de diciembre de 2023 (Proyector Nanowerk) Nanotecnología – la manipulación de la materia a escala atómica 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 potentes capacidades. Sin embargo, persisten serios obstáculos para ampliar las demostraciones de laboratorio a procesos de fabricación del mundo real. Un objetivo codiciado es la fabricación rápida y de bajo costo de recubrimientos altamente uniformes hechos de nanopartículas. Al disponer cuidadosamente una gran cantidad de nanopartículas adaptadas a medida sobre grandes superficies, los investigadores pretenden crear láminas metasuperficies exhibiendo propiedades mecánicas, electrónicas y ópticas únicas. Las aplicaciones abarcan células solares de próxima generación, dispositivos emisores de luz ultraeficientes, sensores de presión flexibles y pantallas visuales con colores anormalmente vibrantes. 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 se extienden desde pies cuadrados hasta yardas cuadradas requiere máquinas extremadamente complejas en estrictas condiciones de laboratorio. Esto hace que los métodos existentes sean inadecuados e inasequibles para la fabricación en gran volumen. Ahora, un enfoque innovador de investigadores de la Universidad de Texas en Austin demuestra una alternativa transformadora. La nueva técnica de ensamblaje de aerosol dirigido demuestra un rendimiento y una escalabilidad notables y, al mismo tiempo, se basa en equipos accesibles y económicos. Al abordar un cuello de botella clave en la producción, este avance disruptivo abre la puerta a tecnologías comerciales de nanopartículas que podrían dar forma a nuestro futuro en energía, informática y medicina. El equipo publicó sus hallazgos en Materiales avanzados ("Autoensamblaje masivamente escalable de monocapas de nano y micropartículas mediante deposición asistida por aerosol").
a) Diagrama esquemático de una boquilla de aerosolización que genera gotas dispensadoras a escala micrométrica que transportan partículas coloidales submicrónicas. b) Diagrama esquemático del sistema de autoensamblaje monocapa. c) Flujo del proceso que muestra el autoensamblaje de partículas coloidales submicrónicas que se autoensamblan en una interfaz aire-agua en función del tiempo de inyección. (Izquierda) Las gotas atomizadas de alcohol acuoso que se dispensan (naranja) inciden en la superficie del agua (azul). El alcohol genera un gradiente de tensión superficial (naranja) que impulsa partículas coloidales submicrónicas (blancas) radialmente lejos del punto de impacto. Con el tiempo, la inyección continua hace que las partículas submicrónicas se acumulen en un anillo y se autoensamble en una monocapa ordenada (derecha). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El nuevo método, denominado autoensamblaje asistido por aerosol, aprovecha una boquilla de pulverización ultrasónica para generar una fina niebla que contiene las nanopartículas suspendidas en gotas de líquido de apenas micras de tamaño. Este aerosol cargado de nanopartículas se enfoca en un haz estrecho y se dirige a la superficie de un baño de agua. Cuando las microgotas golpean el agua, las nanopartículas se transfieren eficientemente 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 aprovecha los transductores piezoeléctricos que vibran a 120 kilohercios para generar una fina niebla de aerosol a partir de la solución de nanopartículas. Esta niebla contiene discretas gotas de líquido de sólo 15 a 25 micrones de diámetro. Al enfocar estas gotas en un haz estrecho dirigido a la superficie del agua, las nanopartículas pueden transferirse eficientemente a la interfaz aire-agua cuando las gotas chocan. La física subyacente implica equilibrar delicadamente la tensión interfacial y disipar la energía cinética de las gotas para evitar que se rompa la superficie del agua. Esto evita la pérdida de nanopartículas en el líquido a granel. Mientras tanto, las moléculas de surfactante en el aerosol inducen fuertes flujos superficiales a lo largo de la interfaz aire-agua a través del efecto Marangoni. Esto ayuda a impulsar las nanopartículas lejos del lugar del impacto sin agregación.
a – d) Imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de monocapas de nanopartículas (NP) autoensambladas a Φ baja (a, b) y Φ alta (c, d) y soluciones coloidales con baja |𝜁| (a,c) y alta |𝜁| (b,d). Transformada de Fourier de monocapas de NP autoensambladas preparadas mediante el Método 2 con |𝜁| = 30 mV (e,g), |𝜁| = 70 mV (f,h). Todas las barras de escala que se muestran son de 5 μm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Una ventaja clave de esta técnica 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. Este rápido montaje facilita la fabricación escalable de láminas de nanopartículas en grandes superficies. Este ha sido un obstáculo duradero para las aplicaciones de estos nanomateriales en el mundo real. El estudio proporciona nuevos conocimientos sobre los factores físicos que rigen la transferencia y el ensamblaje eficiente de nanopartículas durante el proceso. Específicamente, los investigadores descubrieron que adaptar la carga eléctrica de las nanopartículas es fundamental. Las nanopartículas con una alta carga eléctrica, o potencial zeta, se autoensamblan formando cristales altamente ordenados de manera mucho más efectiva. Estas partículas cargadas resisten la adhesión irreversible, lo que permite que los defectos en la nanoestructura en crecimiento se autocorrijan con el tiempo. Mediante un control cuidadoso de las propiedades de la superficie de las nanopartículas y el flujo de deposición, los investigadores fabricaron conjuntos de nanocristales excepcionalmente uniformes y sin defectos de más de 50 pulgadas cuadradas de área. Esta es una escala relevante para la fabricación comercial. Curiosamente, la técnica también ensambló con éxito nanopartículas más complejas, incluidas partículas de núcleo y cubierta de silicio y titanio con un recubrimiento externo de polímero. Esto demuestra la compatibilidad potencial con una amplia gama de nanomateriales. Las láminas de nanopartículas conservan 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 fabricar recubrimientos ópticos vívidos que exhiben una coloración estructural intensa. Al ofrecer una fabricación rápida, escalabilidad y una amplia flexibilidad de materiales, el nuevo método de ensamblaje de aerosol dirigido proporciona una plataforma fundamental para traducir una serie 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 aprovecha equipos que ya son comunes en entornos de fabricación industrial. La baja complejidad y el alto rendimiento pronto podrían hacer que los intrincados metamateriales ópticos, la energía fotovoltaica ultraeficiente y los nanodispositivos flexibles antes inaccesibles sean competitivos en términos de costos con tecnologías menos sofisticadas. Este nuevo paradigma de fabricación puede ayudar a abrir mercados para la nanotecnología en las economías emergentes. Con un mayor desarrollo, Yu sugiere que el autoensamblaje dirigido de nanopartículas en aerosol podría complementar o incluso reemplazar los métodos litográficos existentes para la nanofabricación, abriendo nuevas oportunidades en todas las disciplinas científicas.
a) Diagrama esquemático de una boquilla de aerosolización que genera gotas dispensadoras a escala micrométrica que transportan partículas coloidales submicrónicas. b) Diagrama esquemático del sistema de autoensamblaje monocapa. c) Flujo del proceso que muestra el autoensamblaje de partículas coloidales submicrónicas que se autoensamblan en una interfaz aire-agua en función del tiempo de inyección. (Izquierda) Las gotas atomizadas de alcohol acuoso que se dispensan (naranja) inciden en la superficie del agua (azul). El alcohol genera un gradiente de tensión superficial (naranja) que impulsa partículas coloidales submicrónicas (blancas) radialmente lejos del punto de impacto. Con el tiempo, la inyección continua hace que las partículas submicrónicas se acumulen en un anillo y se autoensamble en una monocapa ordenada (derecha). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El nuevo método, denominado autoensamblaje asistido por aerosol, aprovecha una boquilla de pulverización ultrasónica para generar una fina niebla que contiene las nanopartículas suspendidas en gotas de líquido de apenas micras de tamaño. Este aerosol cargado de nanopartículas se enfoca en un haz estrecho y se dirige a la superficie de un baño de agua. Cuando las microgotas golpean el agua, las nanopartículas se transfieren eficientemente 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 aprovecha los transductores piezoeléctricos que vibran a 120 kilohercios para generar una fina niebla de aerosol a partir de la solución de nanopartículas. Esta niebla contiene discretas gotas de líquido de sólo 15 a 25 micrones de diámetro. Al enfocar estas gotas en un haz estrecho dirigido a la superficie del agua, las nanopartículas pueden transferirse eficientemente a la interfaz aire-agua cuando las gotas chocan. La física subyacente implica equilibrar delicadamente la tensión interfacial y disipar la energía cinética de las gotas para evitar que se rompa la superficie del agua. Esto evita la pérdida de nanopartículas en el líquido a granel. Mientras tanto, las moléculas de surfactante en el aerosol inducen fuertes flujos superficiales a lo largo de la interfaz aire-agua a través del efecto Marangoni. Esto ayuda a impulsar las nanopartículas lejos del lugar del impacto sin agregación.
a – d) Imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de monocapas de nanopartículas (NP) autoensambladas a Φ baja (a, b) y Φ alta (c, d) y soluciones coloidales con baja |𝜁| (a,c) y alta |𝜁| (b,d). Transformada de Fourier de monocapas de NP autoensambladas preparadas mediante el Método 2 con |𝜁| = 30 mV (e,g), |𝜁| = 70 mV (f,h). Todas las barras de escala que se muestran son de 5 μm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Una ventaja clave de esta técnica 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. Este rápido montaje facilita la fabricación escalable de láminas de nanopartículas en grandes superficies. Este ha sido un obstáculo duradero para las aplicaciones de estos nanomateriales en el mundo real. El estudio proporciona nuevos conocimientos sobre los factores físicos que rigen la transferencia y el ensamblaje eficiente de nanopartículas durante el proceso. Específicamente, los investigadores descubrieron que adaptar la carga eléctrica de las nanopartículas es fundamental. Las nanopartículas con una alta carga eléctrica, o potencial zeta, se autoensamblan formando cristales altamente ordenados de manera mucho más efectiva. Estas partículas cargadas resisten la adhesión irreversible, lo que permite que los defectos en la nanoestructura en crecimiento se autocorrijan con el tiempo. Mediante un control cuidadoso de las propiedades de la superficie de las nanopartículas y el flujo de deposición, los investigadores fabricaron conjuntos de nanocristales excepcionalmente uniformes y sin defectos de más de 50 pulgadas cuadradas de área. Esta es una escala relevante para la fabricación comercial. Curiosamente, la técnica también ensambló con éxito nanopartículas más complejas, incluidas partículas de núcleo y cubierta de silicio y titanio con un recubrimiento externo de polímero. Esto demuestra la compatibilidad potencial con una amplia gama de nanomateriales. Las láminas de nanopartículas conservan 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 fabricar recubrimientos ópticos vívidos que exhiben una coloración estructural intensa. Al ofrecer una fabricación rápida, escalabilidad y una amplia flexibilidad de materiales, el nuevo método de ensamblaje de aerosol dirigido proporciona una plataforma fundamental para traducir una serie 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 aprovecha equipos que ya son comunes en entornos de fabricación industrial. La baja complejidad y el alto rendimiento pronto podrían hacer que los intrincados metamateriales ópticos, la energía fotovoltaica ultraeficiente y los nanodispositivos flexibles antes inaccesibles sean competitivos en términos de costos con tecnologías menos sofisticadas. Este nuevo paradigma de fabricación puede ayudar a abrir mercados para la nanotecnología en las economías emergentes. Con un mayor desarrollo, Yu sugiere que el autoensamblaje dirigido de nanopartículas en aerosol podría complementar o incluso reemplazar los métodos litográficos existentes para la nanofabricación, abriendo nuevas oportunidades en todas las disciplinas científicas.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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