دانشمندان آرگون به افزایش مقیاس نانومواد برای تولید پایدار کمک می کنند

نویسنده: ترزا دوک و آندره سیلز

مواد جدید خود مونتاژ، بادوام و قابل بازیافت هستند.

اخبار – با کوچکتر شدن وسایل الکترونیکی، مواد مورد نیاز برای ساخت آنها نیز کوچکتر می شوند. علم نانو“>علم نانو مطالعه مواد بسیار کوچکی است که کاربردهایی در ذخیره سازی انرژی، الکترونیک، برنامه های کاربردی بهداشت و ایمنی و غیره پیدا می کنند.

اکنون، تیمی به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) روش جدیدی را برای تولید نانوصفحات دو بعدی چند لایه ایجاد کرده است. نانوصفحات ماده ای بسیار کوچک و لازانیا مانند است که از لایه های بسیار نازک پلیمرها و نانوذرات ساخته شده است.

این نانوصفحات نسبت به روش های قبلی تعداد عیوب را به میزان قابل توجهی کاهش داده اند که باعث افزایش عمر مفید برخی از لوازم الکترونیکی مصرفی می شود. از آنجایی که نانوصفحات سنتز شده با این روش جدید قابل بازیافت هستند، این روش ممکن است یک رویکرد تولید پایدار را نیز فعال کند که تعداد قطعات یک دستگاه الکترونیکی را که باید در محل‌های دفن زباله دفع شوند، کاهش می‌دهد.

“کار ما بر یک مانع دیرینه غلبه می کند علم نانو – گسترش سنتز نانومواد به مواد مفید برای کاربردهای صنعتی و تجاری. این واقعاً هیجان انگیز است زیرا این کار برای چندین دهه انجام شده است.» – تینگ زو، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی

این تیم اولین گروهی است که با موفقیت یک ماده مانع چند منظوره و با کارایی بالا را از نانوصفحات خود مونتاژ شده توسعه داده است. محققان از منبع فوتون پیشرفته (APS)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در آزمایشگاه ملی Argonne DOE استفاده کردند. پیشرفت بود گزارش در مجله Nature.

“کار ما بر یک مانع دیرینه غلبه می کند علم نانو تینگ ژو، دانشمند ارشد آزمایشگاه برکلی، محقق اصلی که این مطالعه را رهبری کرد، گفت: گسترش سنتز نانومواد به مواد مفید برای تولید و کاربردهای تجاری. این واقعاً هیجان انگیز است زیرا این کار برای چندین دهه انجام شده است.

یک چالش اهرمی علم نانو برای ایجاد مواد کاربردی این است که بسیاری از قطعات کوچک باید در کنار هم قرار گیرند. این به این دلیل است که نانومواد می تواند به اندازه کافی بزرگ شود که مفید باشد. در حالی که انباشتن نانوصفحات یکی از ساده‌ترین راه‌ها برای رشد نانومواد به یک محصول است، «نقایص روی هم قرار گرفتن» – شکاف‌های بین نانوصفحات – هنگام کار با نانوصفحات موجود اجتناب‌ناپذیر است.

اگر تصور کنید که یک ساختار سه بعدی از کاشی های نازک و مسطح بسازید، لایه هایی تا ارتفاع سازه خواهید داشت. اما در هر لایه هر جا که دو کاشی به هم می رسند، شکاف هایی خواهید داشت.” وارگو گفت: “کاهش تعداد شکاف ها با بزرگتر کردن کاشی ها وسوسه انگیز است، اما کار با آنها سخت تر می شود.”

مواد نانو ورق جدید با نادیده گرفتن رویکرد ورقه های انباشته شده به طور کلی بر مشکل عیوب انباشته شدن غلبه می کند. در عوض، این تیم مخلوط‌هایی از موادی را با هم مخلوط کردند که به صورت ذرات ریز در خود جمع می‌شوند. آنها از لایه های متناوب مواد تشکیل دهنده معلق در یک حلال استفاده کردند.

آزمایش‌ها در منبع نوترون Spallation، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE در آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE، به محققان کمک کرد تا مراحل اولیه و خام خودآرایی مخلوط‌ها را درک کنند. همانطور که حلال تبخیر می شود، ذرات ریز به هم می پیوندند و به طور خود به خود در لایه های طرح دار ناهموار سازماندهی می شوند. سپس آنها را به نانوصفحات متراکم تبدیل می کنند. به این ترتیب لایه های انباشته به جای اینکه یک به یک در یک فرآیند سریال روی هم چیده شوند، به طور همزمان تشکیل می شوند. قطعات کوچک برای سازماندهی و بستن شکاف ها فقط باید در فواصل کوتاه حرکت کنند. این از مشکلات جابجایی “کاشی”های بزرگتر و شکاف های اجتناب ناپذیر بین آنها جلوگیری می کند.

محققان پیش‌بینی کردند که مخلوط پیچیده مورد استفاده برای مطالعه کنونی دو ویژگی ایده‌آل خواهد داشت. آنها همچنین انتظار داشتند که سیستم نانوصفحات جدید کمتر تحت تأثیر مواد شیمیایی سطحی مختلف قرار گیرد. آنها استدلال کردند که این به همان ترکیب اجازه می دهد تا یک مانع محافظ بر روی سطوح مختلف مانند صفحه شیشه ای یک دستگاه الکترونیکی یا ماسک پلی استر ایجاد کند.

برای آزمایش اثربخشی این ماده به عنوان یک پوشش مانع در چندین کاربرد مختلف، محققان از برخی از مراکز تحقیقاتی برتر در کشور کمک گرفتند.

در طی آزمایش‌هایی در APS، محققان بررسی کردند که چگونه مخلوطی از پلیمرها، مولکول‌های کوچک آلی و نانوذرات، زمانی که حلال به آرامی در هوای خشک تبخیر می‌شود، یک لایه روی دیواره داخلی لوله مویین کوارتز تشکیل می‌دهد.

“با تشکر از درخشان اشعه ایکس چینگتنگ ژانگ، دانشمند Argonne، یکی از نویسندگان مقاله، گفت که توسط APS و آشکارساز پیشرفته اشعه ایکس واقع در Beamline 8-ID-I، ما قادر به ترسیم چگونگی جمع آوری هر جزء در طیف گسترده ای از مقیاس های طولی بودیم. .

اکنون که آنها با موفقیت نشان داده‌اند که چگونه می‌توان یک ماده چند منظوره را برای کاربردهای صنعتی مختلف از یک نانو ماده به راحتی سنتز کرد، محققان قصد دارند قابلیت بازیافت مواد را اصلاح کنند. آنها همچنین سفارشی سازی رنگ (در حال حاضر به رنگ آبی موجود است) را به کارنامه خود اضافه می کنند.

APS در حال ارتقاء کامل است. پس از تکمیل، APS ارتقا یافته، مطالعه خودآرایی نانوذرات را از مقیاس نانوسکوپی تا مقیاس دستگاه، از همان ابتدای فرآیند خودآرایی، امکان پذیر خواهد کرد.

نسخه ای از این نسخه بود ابتدا توسط آزمایشگاه برکلی منتشر شد.

دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر ماموریت (EERE) سرعت بخشیدن به تحقیق، توسعه، نمایش و استقرار فناوری‌ها و راه‌حل‌ها برای گذار عادلانه آمریکا به اقتصاد گازهای گلخانه‌ای صفر خالص حداکثر تا سال 2050 است و تضمین می‌کند که اقتصاد انرژی پاک به نفع همه آمریکایی‌ها است و به خوبی ایجاد می‌کند. – مشاغل پرداختی برای مردم آمریکا – به ویژه کارگران و جوامعی که تحت تأثیر گذار انرژی قرار گرفته اند و از نظر تاریخی تحت تأثیر سیستم انرژی قرار گرفته اند و بار آلودگی را تحمل می کنند.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالت های شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده ای از سیستم های مهندسی مهم از نظر فن آوری از باتری ها به اسپری های انژکتوری که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر سال بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 مقاله در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور پرتو ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و نرم‌افزاری که جمع‌آوری و مدیریت می‌کند. حجم وسیعی از داده های حاصل از اکتشافات در APS.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.