10 de enero de 2024
(Proyector Nanowerk) El control de la luz a nanoescala ha atraído durante mucho tiempo a los investigadores que buscan explotar un extraño fenómeno de la mecánica cuántica llamado resonancia de plasmón superficial localizado (LSPR). Cuando la luz interactúa con el metal. nanopartículas (NP) mucho más pequeñas que su longitud de onda, ocurren varias cosas notables. La energía se comprime en puntos nanométricos, los electrones bailan colectivamente a frecuencias resonantes y los campos ópticos se intensifican exponencialmente, abriendo nuevas posibilidades para las tecnologías basadas en la luz.
Sin embargo, el progreso sigue estando frenado por la falta de métodos para construir intrincadas estructuras NP en 3D que aprovechen completamente el LSPR. El desafío permanente es encontrar formas simples pero escalables de apilar NP verticalmente mientras se mantiene un control preciso sobre la composición y la arquitectura. Las técnicas de autoensamblaje pueden hacer crecer espontáneamente grupos de NP, pero los enfoques químicos tradicionales luchan por crear geometrías especializadas o posicionar partículas deliberadamente.
Los métodos que dependen de gradientes de interfaz sólido-líquido solo pueden aprovechar el autoensamblaje de partículas en una o dos dimensiones. Los enfoques más recientes de impresión 3D guiada por plantillas han construido con éxito superredes plasmónicas de centímetros de altura. Sin embargo, tienen dificultades para crear pequeños lotes de diseños de pilares personalizados necesarios para tareas iterativas. nanoingeniería.
También existe un equilibrio entre la complejidad del patrón y la uniformidad a gran escala, ya que las nanoestructuras aún crecen en una extensa área de evaporación en lugar de en una zona confinada. Esto genera desafíos prácticos para traducir de manera eficiente la innovación basada en laboratorio en módulos y nanodispositivos especializados.
Informar sus hallazgos en Pequeño (“Pluma nanofuente para escribir arquitecturas plasmónicas híbridas”), un equipo interdisciplinario de ingenieros y científicos de Corea del Sur desarrolló una estrategia creativa para imprimir en 3D diversos “pilares coloidales” independientes hechos de combinaciones de NP hechas a medida. Construyen plumas estilográficas especializadas que equilibran el flujo capilar y la evaporación de disolventes para dirigir el autoensamblaje fluídico de suspensiones de NP, guiando esencialmente la organización autónoma de la materia a través de la física.
Escritura inspirada en una pluma estilográfica en escalas micrométricas. a) Esquema de escritura con pluma estilográfica. b) Pluma estilográfica ultrafina para tinta dispersa NP. La barra de escala representa 5 µμm. c) Esquema de ensamblaje coloidal puntual. d) Texto de tamaño micrométrico escrito por el conjunto coloidal (izquierda) e imagen SEM de una estructura de medio donut (derecha). Las barras de escala de las imágenes izquierda y derecha representan 50 y 1 µm, respectivamente. e) Esquema de ensamblaje coloidal 3D. f) Diversos conjuntos coloidales 3D (izquierda) y empaquetamiento de NP (derecha). La barra de escala representa 10 µm (negro) y 1 µm (blanco). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
El avance permite ajustar con precisión las propiedades ópticas y estructurales de los pilares submicrónicos mezclando tamaños de partículas y nanomateriales. Como prueba de concepto, los investigadores demuestran actuadores de biomateriales/NP sensibles a la humedad. Este avance fundamental establece una plataforma extremadamente versátil y accesible para diseñar plasmónicos personalizados. metamateriales.
Esta técnica de procesamiento de soluciones de bajo costo y alto rendimiento permite ajustar las propiedades ópticas mezclando tamaños de partículas y materiales dentro de un solo pilar. Los investigadores muestran aplicaciones potenciales, como los nanoactuadores sensibles a la humedad. El avance establece una plataforma extremadamente versátil para fabricar estructuras plasmónicas 3D personalizadas para nanofotónica, fotocatálisis y dispositivos a nanoescala.
La innovación clave radica en reducir y reinventar la mecánica básica de un bolígrafo de tinta. A escala macro, las plumas estilográficas dependen del suministro continuo de tinta húmeda mientras el disolvente se evapora en el papel. El equipo de investigación diseñó un tubo microcapilar de vidrio cónico que imita este proceso de escritura a nivel microscópico.
Cuando se sumerge en tinta coloidal NP, la punta estrecha del tubo forma un puente capilar de evaporación de sólo unas pocas micras de ancho. A medida que la tinta se autoensambla en esta pequeña interfaz, los investigadores pueden levantar pilares que van desde esferas empaquetadas hexagonalmente hasta nanoestructuras helicoidales. Cambiar la concentración de partículas en la tinta o mezclar dos soluciones NP diferentes permite un ajuste preciso de las arquitecturas 3D.
Por ejemplo, la combinación de NP de oro de 80 nm (AuNP) con AuNP más pequeñas de 20 nm aumenta significativamente la altura máxima del pilar. Esto sucede porque el conjunto nanoporoso permite el ascenso capilar del fluido dentro del pilar 3D, lo que aumenta el área de evaporación para reponer el flujo de tinta. Como resultado, la velocidad de crecimiento ya no está limitada por la difusión desde el puente capilar en disminución.
El análisis teórico del equipo proporciona ecuaciones que relacionan parámetros de fabricación como la humedad y la densidad de partículas con las tasas de expansión de los pilares medidas experimentalmente. Este nivel de conocimiento cuantitativo será invaluable para aquellos que buscan adaptar la técnica para aplicaciones específicas.
Como prueba de concepto, los investigadores demostraron diversas posibilidades de sintonización óptica utilizando el NFP. La mezcla de AuNP y NP de plata produjo formas de media dona autoensambladas con una composición distribuida uniformemente. La alteración de las proporciones de AuNP pequeñas y grandes produjo nanoestructuras de pilares que exhiben propiedades controladas de absorción de luz.
El equipo imprimió pilares asimétricos "Janus" utilizando tinta NP en un lado y una tinta biológica funcional que contenía bacteriófagos M13 en forma de varilla en el otro. La capacidad de respuesta de M13 a los gradientes de humedad indujo movimientos de flexión reversibles, creando esencialmente actuadores en miniatura impulsados por la humedad a partir de los pilares de dos caras.
Crecimiento vertical de un grupo coloidal binario. a) Serie de micrografías ópticas que muestran el crecimiento vertical del cúmulo coloidal binario. La barra de escala representa 50 µm. b) Velocidades de crecimiento disponibles basadas en la solución AuNP de 80 nm. c) Velocidades de crecimiento disponibles basadas en la solución AuNP de 20 nm mezclada con 2 partículas = fL de solución AuNP de 80 nm. d) Imágenes SEM de los micropilares marcados como I, II, III y IV en (c). La barra de escala representa 10 µm. e) Imágenes SEM de las nanoestructuras de micropilares marcadas como I, II y III en (d). La barra de escala representa 200 nm. f ) Imagen FESEM de un micropilar fresado con FIB. La barra de escala representa 5 µm. g) Imagen FESEM de la sección transversal de un micropilar compuesto por una composición única (izquierda) y binaria (derecha). La barra de escala representa 200 nm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
Esto estimula ideas para fabricar máquinas coloidales aún más complejas incorporando diferentes nanomateriales, catalizadores o proteínas dentro de un único pilar impreso en 3D. La amplitud de posibilidades resalta cómo el concepto engañosamente simple de lápiz sobre papel de los investigadores amplía fundamentalmente el conjunto de herramientas para la nanoingeniería avanzada.
La metodología de la pluma estilográfica evaporativa también evita las limitaciones que frenan las estrategias de fabricación alternativas. Los métodos que dependen de gradientes de interfaz sólido-líquido solo pueden aprovechar el autoensamblaje de partículas en una o dos dimensiones. Los enfoques más recientes de impresión 3D guiada por plantillas han construido con éxito superredes plasmónicas de centímetros de altura. Sin embargo, tienen dificultades para crear pequeños lotes de diseños de pilares personalizados necesarios para la nanoingeniería iterativa.
También existe un equilibrio entre la complejidad del patrón y la uniformidad a gran escala, ya que las nanoestructuras aún crecen en una extensa área de evaporación en lugar de en una zona confinada. Esto genera desafíos prácticos para traducir de manera eficiente la innovación basada en laboratorio en módulos y nanodispositivos especializados.
La técnica NFP reportada funciona esencialmente como una impresora 3D que se encoge, pero con un ensamblaje guiado naturalmente en lugar de impuesto externamente. Localizar todo en la interfaz microscópica entre la superficie y la punta del lápiz permite un control espaciotemporal exquisito sin perder escalabilidad.
La capacidad resultante para alterar continuamente los parámetros durante la fabricación y construir pilares heterogéneos de menos de 10 micrones de ancho abre nuevos horizontes para la creación rápida de nanoprototipos. Uno puede imaginar a los científicos diseñando estructuras NP personalizadas sobre la marcha para cumplir objetivos de rendimiento o servir diferentes propósitos dentro de un nanosistema integrado.
Este innovador estudio proporciona una base sólida para muchas direcciones interesantes. La siguiente fase implica expandirse a más tipos de nanopartículas y tintas con una gama más amplia de funcionalidades más allá de las plasmónicas. Los investigadores también deben optimizar la velocidad de impresión, la estabilidad de la arquitectura y los tamaños de las interfaces para superar los límites.
Otra tarea fundamental será investigar sustratos alternativos, ya que la actual dependencia de las obleas de sílice plantea desafíos para la integración de nanoestructuras dentro de dispositivos o en superficies no planas. Finalmente, explorar la ingeniería de yacimientos o las técnicas de múltiples plumas puede ampliar aún más la complejidad compositiva ajustable para el ensamblaje coloidal 3D.
La metodología de la pluma estilográfica de los investigadores representa un avance fundamental en la nanofabricación, combinando las ventajas versátiles del ensamblaje dirigido con la escalabilidad del autoensamblaje. Básicamente, este estudio transforma una pluma de secado cotidiana en una plataforma de nanopatrones poderosa pero accesible.
La técnica reportada puede servir como un puente ideal entre la investigación en nanociencia y el desarrollo tecnológico del mundo real. La capacidad de probar una amplia gama de composiciones y geometrías de nanoestructuras facilita la creación rápida de prototipos para optimizar los diseños para las aplicaciones específicas. Mientras tanto, la física predecible confinada a una interfaz diminuta permite una ampliación sencilla para la producción en masa.
Los impactos comerciales y sociales podrían ser profundos a medida que los investigadores exploten la generalización de este enfoque en todos los sectores. En el frente biomédico, las nanoestructuras de ácido nucleico 3D personalizadas podrían permitir la administración dirigida de fármacos o la transfección de células individuales. Los pilares plasmónicos con resonancias ópticas programables podrían formar la base de plataformas de detección molecular ultrasensibles. Mezclar y combinar metamateriales utilizando esta técnica puede conducir a procesos catalíticos y sistemas de conversión de energía mejorados.
De cara al futuro, abundan las posibilidades para incorporar impresión multimaterial, tintas de nanopartículas funcionales y patrones 3D en superficies no planas, lo que amplía enormemente la complejidad del diseño.
Escritura inspirada en una pluma estilográfica en escalas micrométricas. a) Esquema de escritura con pluma estilográfica. b) Pluma estilográfica ultrafina para tinta dispersa NP. La barra de escala representa 5 µμm. c) Esquema de ensamblaje coloidal puntual. d) Texto de tamaño micrométrico escrito por el conjunto coloidal (izquierda) e imagen SEM de una estructura de medio donut (derecha). Las barras de escala de las imágenes izquierda y derecha representan 50 y 1 µm, respectivamente. e) Esquema de ensamblaje coloidal 3D. f) Diversos conjuntos coloidales 3D (izquierda) y empaquetamiento de NP (derecha). La barra de escala representa 10 µm (negro) y 1 µm (blanco). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
El avance permite ajustar con precisión las propiedades ópticas y estructurales de los pilares submicrónicos mezclando tamaños de partículas y nanomateriales. Como prueba de concepto, los investigadores demuestran actuadores de biomateriales/NP sensibles a la humedad. Este avance fundamental establece una plataforma extremadamente versátil y accesible para diseñar plasmónicos personalizados. metamateriales.
Esta técnica de procesamiento de soluciones de bajo costo y alto rendimiento permite ajustar las propiedades ópticas mezclando tamaños de partículas y materiales dentro de un solo pilar. Los investigadores muestran aplicaciones potenciales, como los nanoactuadores sensibles a la humedad. El avance establece una plataforma extremadamente versátil para fabricar estructuras plasmónicas 3D personalizadas para nanofotónica, fotocatálisis y dispositivos a nanoescala.
La innovación clave radica en reducir y reinventar la mecánica básica de un bolígrafo de tinta. A escala macro, las plumas estilográficas dependen del suministro continuo de tinta húmeda mientras el disolvente se evapora en el papel. El equipo de investigación diseñó un tubo microcapilar de vidrio cónico que imita este proceso de escritura a nivel microscópico.
Cuando se sumerge en tinta coloidal NP, la punta estrecha del tubo forma un puente capilar de evaporación de sólo unas pocas micras de ancho. A medida que la tinta se autoensambla en esta pequeña interfaz, los investigadores pueden levantar pilares que van desde esferas empaquetadas hexagonalmente hasta nanoestructuras helicoidales. Cambiar la concentración de partículas en la tinta o mezclar dos soluciones NP diferentes permite un ajuste preciso de las arquitecturas 3D.
Por ejemplo, la combinación de NP de oro de 80 nm (AuNP) con AuNP más pequeñas de 20 nm aumenta significativamente la altura máxima del pilar. Esto sucede porque el conjunto nanoporoso permite el ascenso capilar del fluido dentro del pilar 3D, lo que aumenta el área de evaporación para reponer el flujo de tinta. Como resultado, la velocidad de crecimiento ya no está limitada por la difusión desde el puente capilar en disminución.
El análisis teórico del equipo proporciona ecuaciones que relacionan parámetros de fabricación como la humedad y la densidad de partículas con las tasas de expansión de los pilares medidas experimentalmente. Este nivel de conocimiento cuantitativo será invaluable para aquellos que buscan adaptar la técnica para aplicaciones específicas.
Como prueba de concepto, los investigadores demostraron diversas posibilidades de sintonización óptica utilizando el NFP. La mezcla de AuNP y NP de plata produjo formas de media dona autoensambladas con una composición distribuida uniformemente. La alteración de las proporciones de AuNP pequeñas y grandes produjo nanoestructuras de pilares que exhiben propiedades controladas de absorción de luz.
El equipo imprimió pilares asimétricos "Janus" utilizando tinta NP en un lado y una tinta biológica funcional que contenía bacteriófagos M13 en forma de varilla en el otro. La capacidad de respuesta de M13 a los gradientes de humedad indujo movimientos de flexión reversibles, creando esencialmente actuadores en miniatura impulsados por la humedad a partir de los pilares de dos caras.
Crecimiento vertical de un grupo coloidal binario. a) Serie de micrografías ópticas que muestran el crecimiento vertical del cúmulo coloidal binario. La barra de escala representa 50 µm. b) Velocidades de crecimiento disponibles basadas en la solución AuNP de 80 nm. c) Velocidades de crecimiento disponibles basadas en la solución AuNP de 20 nm mezclada con 2 partículas = fL de solución AuNP de 80 nm. d) Imágenes SEM de los micropilares marcados como I, II, III y IV en (c). La barra de escala representa 10 µm. e) Imágenes SEM de las nanoestructuras de micropilares marcadas como I, II y III en (d). La barra de escala representa 200 nm. f ) Imagen FESEM de un micropilar fresado con FIB. La barra de escala representa 5 µm. g) Imagen FESEM de la sección transversal de un micropilar compuesto por una composición única (izquierda) y binaria (derecha). La barra de escala representa 200 nm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)
Esto estimula ideas para fabricar máquinas coloidales aún más complejas incorporando diferentes nanomateriales, catalizadores o proteínas dentro de un único pilar impreso en 3D. La amplitud de posibilidades resalta cómo el concepto engañosamente simple de lápiz sobre papel de los investigadores amplía fundamentalmente el conjunto de herramientas para la nanoingeniería avanzada.
La metodología de la pluma estilográfica evaporativa también evita las limitaciones que frenan las estrategias de fabricación alternativas. Los métodos que dependen de gradientes de interfaz sólido-líquido solo pueden aprovechar el autoensamblaje de partículas en una o dos dimensiones. Los enfoques más recientes de impresión 3D guiada por plantillas han construido con éxito superredes plasmónicas de centímetros de altura. Sin embargo, tienen dificultades para crear pequeños lotes de diseños de pilares personalizados necesarios para la nanoingeniería iterativa.
También existe un equilibrio entre la complejidad del patrón y la uniformidad a gran escala, ya que las nanoestructuras aún crecen en una extensa área de evaporación en lugar de en una zona confinada. Esto genera desafíos prácticos para traducir de manera eficiente la innovación basada en laboratorio en módulos y nanodispositivos especializados.
La técnica NFP reportada funciona esencialmente como una impresora 3D que se encoge, pero con un ensamblaje guiado naturalmente en lugar de impuesto externamente. Localizar todo en la interfaz microscópica entre la superficie y la punta del lápiz permite un control espaciotemporal exquisito sin perder escalabilidad.
La capacidad resultante para alterar continuamente los parámetros durante la fabricación y construir pilares heterogéneos de menos de 10 micrones de ancho abre nuevos horizontes para la creación rápida de nanoprototipos. Uno puede imaginar a los científicos diseñando estructuras NP personalizadas sobre la marcha para cumplir objetivos de rendimiento o servir diferentes propósitos dentro de un nanosistema integrado.
Este innovador estudio proporciona una base sólida para muchas direcciones interesantes. La siguiente fase implica expandirse a más tipos de nanopartículas y tintas con una gama más amplia de funcionalidades más allá de las plasmónicas. Los investigadores también deben optimizar la velocidad de impresión, la estabilidad de la arquitectura y los tamaños de las interfaces para superar los límites.
Otra tarea fundamental será investigar sustratos alternativos, ya que la actual dependencia de las obleas de sílice plantea desafíos para la integración de nanoestructuras dentro de dispositivos o en superficies no planas. Finalmente, explorar la ingeniería de yacimientos o las técnicas de múltiples plumas puede ampliar aún más la complejidad compositiva ajustable para el ensamblaje coloidal 3D.
La metodología de la pluma estilográfica de los investigadores representa un avance fundamental en la nanofabricación, combinando las ventajas versátiles del ensamblaje dirigido con la escalabilidad del autoensamblaje. Básicamente, este estudio transforma una pluma de secado cotidiana en una plataforma de nanopatrones poderosa pero accesible.
La técnica reportada puede servir como un puente ideal entre la investigación en nanociencia y el desarrollo tecnológico del mundo real. La capacidad de probar una amplia gama de composiciones y geometrías de nanoestructuras facilita la creación rápida de prototipos para optimizar los diseños para las aplicaciones específicas. Mientras tanto, la física predecible confinada a una interfaz diminuta permite una ampliación sencilla para la producción en masa.
Los impactos comerciales y sociales podrían ser profundos a medida que los investigadores exploten la generalización de este enfoque en todos los sectores. En el frente biomédico, las nanoestructuras de ácido nucleico 3D personalizadas podrían permitir la administración dirigida de fármacos o la transfección de células individuales. Los pilares plasmónicos con resonancias ópticas programables podrían formar la base de plataformas de detección molecular ultrasensibles. Mezclar y combinar metamateriales utilizando esta técnica puede conducir a procesos catalíticos y sistemas de conversión de energía mejorados.
De cara al futuro, abundan las posibilidades para incorporar impresión multimaterial, tintas de nanopartículas funcionales y patrones 3D en superficies no planas, lo que amplía enormemente la complejidad del diseño.
– 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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