나노 크기의 블록이 물 속에서 자발적으로 조립되어 작은 떠다니는 체커보드를 만듭니다.

연구자들은 물 표면에 떨어뜨렸을 때 자발적으로 2차원 체커보드 패턴을 형성하는 나노 크기의 큐브를 설계했습니다. 에 출판된 작품 네이처커뮤니케이션즈자기 조립이라는 기술을 통해 복잡한 나노 구조를 만드는 간단한 접근 방식을 제시합니다.

캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 Aiiso Yufeng Li 가족 화학 및 나노 공학과 교수이자 연구 공동 수석 저자인 Andrea Tao는 "이것은 스스로 구축할 수 있는 재료를 얻는 멋진 방법입니다."라고 말했습니다. "나노제조 연구실에 가서 복잡하고 정밀한 조작을 모두 할 필요가 없습니다."

각 나노큐브는 소수성(유성) 분자와 친수성(물을 좋아하는) 분자의 혼합물이 표면에 부착된 은 결정으로 구성됩니다. 이러한 나노큐브의 현탁액이 수면에 도입되면 나노큐브는 모서리 가장자리에 닿도록 배열됩니다. 이러한 배열은 단단한 큐브와 빈 공간이 교대로 반복되는 패턴을 만들어 체커보드 패턴을 만듭니다.

자기 조립 과정은 나노큐브의 표면 화학에 의해 주도됩니다. 표면의 높은 밀도의 소수성 분자는 큐브를 하나로 모아 물과의 상호 작용을 최소화합니다. 한편, 친수성 분자의 긴 사슬은 충분한 반발력을 일으켜 큐브 사이에 공극을 만들어 체커보드 패턴을 만듭니다.

구조를 제작하기 위해 연구자들은 물이 담긴 페트리 접시에 나노큐브 현탁액 방울을 적용했습니다. 생성된 체커보드는 기판을 물에 담갔다가 천천히 빼내면 나노구조가 코팅될 수 있어 쉽게 기판으로 옮겨질 수 있습니다.

이 연구는 UC San Diego 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(MRSEC)의 일부인 여러 연구 그룹 간의 공동 노력에서 비롯되었습니다. 이 작업은 계산 기술과 실험 기술의 시너지 효과를 결합한 것이 특징입니다. Tao는 "우리는 계산과 실험 사이에 지속적인 피드백 루프를 구축했습니다."라고 말했습니다. "우리는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 나노 규모의 재료를 설계하고 어떻게 작동할지 예측했습니다. 또한 실험실의 실험 결과를 사용하여 시뮬레이션을 검증하고 미세 조정하며 더 나은 모델을 구축했습니다."

재료를 설계할 때 연구원들은 Tao 연구소의 합성 전문 지식으로 인해 은 결정 나노큐브를 선택했습니다. 최적의 표면 화학을 결정하려면 듀크 대학교 기계 공학 및 재료 과학과 교수이자 이번 연구의 공동 저자인 Gaurav Arya가 이끄는 광범위한 컴퓨터 실험이 필요했습니다. 시뮬레이션은 나노큐브에 부착할 가장 좋은 분자를 식별하고 큐브가 물 표면에서 어떻게 상호 작용하고 조립되는지 예측했습니다. 시뮬레이션은 Tao의 연구실에서 얻은 실험 데이터를 사용하여 반복적으로 개선되었습니다. UC 샌디에고 물리학과 교수이자 연구 공동 저자인 Alex Frañó 연구실이 수행한 전자 현미경을 통해 원하는 체커보드 구조가 형성되었음을 확인했습니다.

Tao는 광학 감지 분야에서 나노큐브 체커보드의 응용을 구상하고 있습니다. “이러한 나노구조는 흥미로운 방식으로 빛을 조작할 수 있습니다.”라고 그녀는 설명했습니다. "큐브 사이의 공간, 특히 큐브가 연결되는 모서리 가장자리 근처의 공간은 빛을 집중시키거나 가두는 작은 핫스팟 역할을 할 수 있습니다. 이는 나노 규모 필터 또는 도파관과 같은 새로운 유형의 광학 요소를 만드는 데 유용할 수 있습니다."

연구진은 향후 연구에서 체커보드의 광학적 특성을 조사할 계획입니다.

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation), UC San Diego 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(DMR-2011924)의 지원을 받았습니다. 이 작업은 국립과학재단(ECCS-2025752 부여)의 지원을 받는 국립 나노기술 조정 인프라(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure)의 회원인 UC San Diego의 SDNI(샌디에고 나노기술 인프라)에서 부분적으로 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240613140320.htm