随着电子设备变得越来越小，制造它们所需的材料也越来越小。纳米科学是对极小材料的研究，这些材料可用于储能、电子、健康和安全应用等。
现在，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室领导的一个团队开发了一种新的自组装方法来制造多层2D纳米片。纳米片是一种极小的千层面状材料，由聚合物和纳米颗粒的超薄层制成。
与以前的方法相比，这些纳米片大大减少了缺陷的数量，这将延长一些消费电子产品的保质期。由于通过这种新方法合成的纳米片是可回收的，因此这种方法还可以实现可持续的制造方法，从而减少电子设备上需要倾倒到垃圾填埋场的零件数量。
该团队是第一个成功开发出由自组装纳米片制成的多用途、高性能阻隔材料的团队。研究人员利用了先进光子源，这是美国能源部阿贡国家实验室的能源部科学办公室用户设施。
这一突破发布在《自然》杂志上。
“我们的工作克服了纳米科学中长期存在的障碍 - 将纳米材料合成放大为用于制造和商业应用的有用材料，”领导这项研究的首席研究员伯克利实验室高级科学家Ting Xu说。“这真的很令人兴奋，因为这已经酝酿了几十年。”
利用纳米科学创造功能材料的一个挑战是，许多小块需要组合在一起。这是为了让纳米材料长得足够大而有用。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，你就会有层层叠叠的结构高度。但是，无论两块瓷砖在哪里相遇，每一层都会有间隙，“第一作者Emma Vargo说，她曾是研究生研究员，现在是伯克利实验室的博士后学者，”通过使瓷砖变大来减少间隙的数量很诱人，但它们变得更难处理，“Vargo说。
新的纳米片材料通过完全跳过串行堆叠片方法克服了堆叠缺陷的问题。取而代之的是，该团队将已知可以自组装成小颗粒的材料混合物混合在一起。他们使用悬浮在溶剂中的组分材料的交替层。
美国能源部橡树岭国家实验室的科学办公室用户设施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糙阶段。随着溶剂的蒸发，小颗粒聚结并自发组织，形成粗模板层。然后它们凝固成致密的纳米片。这样，有序层同时形成，而不是在串行过程中一个接一个地堆叠。小块只需要短距离移动即可组织并缩小间隙。这避免了移动更大的“瓷砖”的问题以及它们之间不可避免的间隙。
研究人员预测，用于当前研究的复合混合物将具有两种理想的特性。他们还预计，新的纳米片系统将受到不同表面化学成分的影响最小。他们认为，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口罩。
为了测试这种材料在几种不同应用中作为阻隔涂层的性能，研究人员寻求了一些全国最好的研究机构的帮助。
在APS的实验中，研究人员研究了当溶剂在干燥空气中缓慢蒸发时，聚合物，有机小分子和纳米颗粒的混合物如何在石英毛细管的内壁上形成薄膜。
“多亏了APS产生的明亮的X射线和驻扎在Beamline 8-ID-I的复杂X射线探测器，我们能够绘制出每个组件如何在广泛的长度尺度上聚集在一起，”阿贡科学家Qingteng Zhang说，他是该论文的合著者。
现在，他们已经成功地展示了如何从单一纳米材料中轻松合成一种用于各种工业应用的多功能功能材料，研究人员计划对材料的可回收性进行微调。他们还将在其曲目中添加颜色可调性。
APS正在进行全面升级。完成后，升级后的APS将能够从自组装过程的一开始就探测纳米颗粒的自组装，从纳米级到设备级。
