En svamps guide till nanomontering

Ett av de pågående målen med nanoteknik är att enkelt och billigt skapa högpresterande material strukturerade i nanoskala. Och en av de mest lovande strategierna är att försöka efterlikna naturens anmärkningsvärda förmåga att självmontera komplexa former med precision i nanoskala. Nu har forskare vid University of California, Santa Barbara (UCSB), med hjälp av ledtrådar hämtade från marina svampar, utvecklat en metod för att syntetisera halvledande material med användbara strukturer och nya elektroniska egenskaper. De första applikationerna kan vara sätt att tillverka material för kraftfullare batterier och högeffektiva solceller till ett lägre pris.

Denna glasstruktur, bildad av en art av marin svamp, hjälpte till att inspirera forskare att studera sådana organismer för att lära sig hur man enkelt sätter samman komplexa strukturer i nanoskala. (Med tillstånd av James Weaver och Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.)

Vi får tillgång till strukturer som i vissa fall aldrig hade uppnåtts tidigare. Och i vissa fall upptäcker vi elektroniska egenskaper som aldrig tidigare varit kända för den klassen av material, säger Daniel morse , professor i molekylär genetik och biokemi vid UCSB, som ledde projektet. Metoden fungerar med en mängd olika material. Hittills, säger han, har gruppen gjort 30 olika sorters oxider, hydroxider och fosfater.

[ Klicka här för bilder av naturbaserade material i nanoskala.]

Dagens solceller och batterier hålls delvis tillbaka av deras begränsade förmåga att transportera elektriska laddningsbärare, såsom elektroner och positiva joner, in och ut ur aktiva material. Ett framsteg som skulle kunna hjälpa är att öka ytan på ett material, samtidigt som man bibehåller en tunnfilmsstruktur som enkelt kan inkorporeras som ett elektrodlager i en anordning.

Morse och hans kollegor började sin forskning med att studera metoderna som används av marina svampar för att göra invecklade glasskelett som kallas spicules (se illustration). En typ av svamp producerar en cylinder som ser ut som om den var gjord av vävda glasfibrer, även om den inte är vävd alls, utan sammansatt molekyl för molekyl för att göra strukturen.

I synnerhet studerade forskarna en typ av svamp som gör små nålar av glas. De fann att generna som är ansvariga för glasstrukturerna kodar för enzymer som fungerar som både en fysisk mall för strukturen och en katalysator för att montera molekylära prekursorer till det önskade materialet.

Forskarna utvecklade en syntesmetod som använder de grundläggande principerna bakom den naturliga sammansättningsmetoden: långsam katalys och användningen av en fysisk mall. De fann att de kunde montera inte bara glas, utan också en mängd olika halvledande material som kan vara användbara i enheter.

Metoden börjar med en lösning av molekylära prekursorer. Forskarna utsätter sedan lösningen för ammoniakånga, som, när den långsamt diffunderar in i lösningen, fungerar som en katalysator. Den fysiska mallen för materialet är lösningens yta. På denna yta, där ångkoncentrationen är störst, bildar materialet en tunn film.

Först bildas kristallerna vid [ytan], men med tiden börjar de projicera ner i lösningen som stalaktiter som växer ner från taket på en grotta, säger Morse. Det du slutar med är en nanostrukturerad tunn film av halvledare med mycket stor yta på grund av alla utskjutande tunna plattor eller nålar som sticker ut i lösningen.

Metoden fungerar vid låga temperaturer, ungefär rumstemperatur, medan konventionella tekniker för att göra halvledande tunna filmer kräver höga temperaturer – 400 grader Celsius, säger Morse. Det kräver inte heller ofta använda starka syror och baser. Förutom att göra processen billigare och enklare kan de milda förhållandena leda till enheter som innehåller material som skulle vara omöjliga att använda med konventionella processer. Ibland begränsas till exempel materialen som kan användas i en apparat av de höga temperaturer som används för att tillverka materialen. Om du kan göra dem alla i rumstemperatur kan du kanske dopa dem med dopämnen som du normalt inte skulle kunna använda vid hög temperatur, säger Angela Belcher , materialvetenskap och ingenjörs- och biologisk teknikprofessor vid MIT, som tycker att Morses arbete är mycket spännande.

I slutändan kan vinsten från Morses arbete med att studera biologiska mekanismer vara mer än nya tunna filmer, säger Aravinda Kini , U.S. Department of Energy Material Science and engineering program manager. Även om den nuvarande processen endast fungerar för tunna filmer, kan ytterligare förståelse för katalys och mallmetoder för svampar en dag göra det möjligt att tillverka komplexa maskindelar genom att sätta ihop molekyler. Det är fortfarande en dröm, men tänk dig att bladet på en flygplansmotor monteras nerifrån och upp, utan några defekter, utan några mycket dyra tillverkningsmetoder, säger han. Det är vad som är möjligt. Det är vad folk drömmer om.

Bild på hemsidan med tillstånd av Kristian Roth, Birgit Schwenzer och Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.

Dölj