Наноразмерные материалы дарят нам удивительные химические и физические свойства, которые помогают воплотить в реальность такие приложения, как одиночное молекулярное зондирование и минимально инвазивная фототермическая терапия, которые когда-то были всего лишь теориями.

Уникальные способности наночастиц делают их ценными материалами для широкого спектра применений, как в исследовательских, так и в промышленных целях. Однако достижение последнего становится затруднительным из-за отсутствия технологии быстрого и равномерного переноса монослоя наночастиц, что имеет решающее значение для изготовления устройств.

Возможным выходом из этой дилеммы является применение процессов электростатической сборки, при которых наночастицы прикрепляются к противоположно заряженной поверхности, и как только образуется монослой, наночастицы затем самоограничивают дальнейшую сборку, отталкивая другие наночастицы с таким же зарядом от поверхности. К сожалению, этот процесс может занять очень много времени.

В то время как искусственные методы борются с этими недостатками, процессы подводной адгезии, наблюдаемые в природе, превратились в уникальные стратегии решения этой проблемы.

В связи с этим группа исследователей из Института науки и технологий Кванджу под руководством доктора философии. студент Доын Ким (первый автор) и доцент Хён-Хо Чон (автор-корреспондент) разработали метод однократной сборки наночастиц, вдохновленный мидиями, который переносит материалы из воды в микроскопических объемах на 2-дюймовые пластины за 10 секунд, при этом обеспечивая однослойную 2D-сборку с превосходным покрытием поверхности около 40%.

Их работа была опубликована в журнале Advanced Materials и выделена на фронтисписе.

«Наш ключевой подход к решению существующей проблемы основан на наблюдении за тем, как мидии достигают целевой поверхности против воды. Мы увидели, что мидии одновременно излучают аминокислоты, чтобы диссоциировать молекулы воды на поверхности, что позволяет быстро прикрепить химический клей к целевой поверхности. », — объясняет г-жа Ким, говоря о мотивации уникального подхода, вдохновленного природой.

«Мы поняли, что аналогична ситуация, когда мы вводим избыточные протоны для удаления гидроксильных групп с поверхности мишени, тем самым увеличивая силу электростатического притяжения между наночастицами и поверхностью и ускоряя процесс сборки».

Исследователи разработали электростатический поверхностный потенциал как для поверхности мишени, так и для наночастиц, управляемый динамикой протонов. Это привело к тому, что наночастицы равномерно удерживались на поверхности мишени в течение нескольких секунд.

Чтобы проверить эффективность внедрения протонной инженерии в процесс электростатической сборки, команда сравнила время сборки монослоя с традиционно используемыми методами. Результаты показали, что скорость нанесения покрытия с помощью новой технологии была в 100–1000 раз выше, чем у ранее сообщавшихся методов. Причина ускоренной диффузии и сборки наночастиц связана со способностью протонов удалять нежелательные гидроксильные группы в целевой области.

Исследователи также обнаружили, что зарядочувствительная природа основного процесса обеспечивает детерминированное «исцеление» монослойных пленок и формирование наноструктуры «выбирай и размещай» в масштабе пластины. Кроме того, предлагаемая технология также позволяет изготавливать полноцветную отражающую метаповерхность на уровне пластины с помощью плазмонной архитектуры, открывая тем самым новые возможности для производства полноцветных картин и устройств оптического шифрования.

Эта новая, вдохновленная природой проверка концепции является важным шагом на пути к широкому распространению функциональных однослойных материалов наноматериалов.

«Мы предполагаем, что это исследование ускорит влияние функциональных наноматериалов на нашу жизнь и будет способствовать массовому производству однослойных пленок, тем самым облегчая широкий спектр применений, начиная от фотонных и электронных устройств и заканчивая новыми функциональными материалами для энергетики и защиты окружающей среды», — заключает профессор Чон.