מערכים ורשתות תלת-מימדיים של ננו-מוטות

השיטה תוכל לסייע בהמרצת התכונות האלקטרוניות והמכניות של חומרים המכילים פולימרים בצורת ננו-מוט

שיטה מהירה, פשוטה ולא יקרה להכנת ננו-מוטות, שהם ננו-גבישים מוליכים למחצה בצורת מוט – באמצעות התארגנות עצמאית למבנים מקרוסקופיים חד-, דו- ואפילו תלת-מימדיים פותחה ע"י צוות חוקרים ממשרד האנרגיה של ארה"ב. שיטה זו תוכל לאפשר שימוש יעיל יותר של ננו-מוטות ביישומים של תאים סולאריים, התקני אחסון מגנטיים וחיישנים שונים. כמו-כן, השיטה תוכל לסייע בהמרצת התכונות האלקטרוניות והמכניות של חומרים המכילים פולימרים בצורת ננו-מוט.

צוות המחקר של מדענית הפולימרים Ting Xu מאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה השתמש בבלוק קו-פולימרים – מקטעים ארוכים או "בלוקים" של סוג אחד של מונומר הקשור לבלוקים של סוג אחר של מונומר – כמצע המכווין את ההתארגנות העצמאית של ננו-מוטות לקבלת מבנים מורכבים ותבניות סדורות. לבלוק קו-פולימרים יש יכולת מובנית בתוכם להתארגן עצמאית למערכים מוגדרים היטב של ננו-מבנים לאורך מרחקים מקרוסקופיים.

"השיטה שלנו היא שיטה פשוטה ורב-גונית לבקרה על ההכוונה של ננו-מוטות בתוככי בלוק קופולימרים," מסבירה החוקרת הראשית. "באמצעות שינוי המורפולוגיה של הבלוק קו-פולימרים והטיב הכימי של ננו-המוטות אנו מסוגלים לספק התארגנות עצמאית מבוקרת בננו-מוטות ובננו-מבנים המבוססים עליהם, מבנים שהינם חיוניים עבור הייצור של התקנים אופטיים ואלקטרוניים." ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nano Letters.

ננו-מוטות – חלקיקי חומר הזעירים פי אלפי פעמים מהמיקרו-טכנולוגיות הקיימות היום – מפגינים תכונות אופטיות, אלקטרוניות ואחרות שלא קיימות בחומרים מקרוסקופיים. אולם, על מנת לממש את הפוטנציאל הטכנולוגי הכביר שלהם, הננו-מוטות חייבים לארגן את עצמם לכדי מבנים מורכבים ומערכים מוסדרים, בדומה למה שהטבע משיג בעזרת חלבונים.

קבוצת המחקר גייסה לראשונה את הבלוק קו-פולימרים במאמץ זה של התארגנות עצמאית בשנת 2009, כאשר היא עבדה עם ננו-חלקיקים כדוריים הידועים בשם נקודות קוונטום. במהלך מחקר זה, הם חיברו נקודות קוונטום לבלוק קו-פולימרים דרך מתווך שהיה מולקולות הדבקה קטנות. גם במחקר זה המדענים ניצלו מולקולות הדבקה, אולם הפעם על מנת לחבר בין ננו-מוטות לבין סופר-מולקולות של בלוק קו-פולימרים. סופר-מולקולות היא קבוצת מולקולות המתנהגת כמולקולה יחידה המסוגלת לבצע אוסף מוגדר של תפקידים.

"סופר-מולקולות של בלוק קו-פולימר מתארגנות עצמאית ויוצרות טווח רחב של מורפולוגיות מערכים בגדלים של עשרות או ננו-מטרים אחדים," מציינת החוקרת הראשית. "בזכות כך, המולקולות הללו מספקות שלד מבני אידיאלי להתארגנות המשותפת של ננו-מוטות."

החוקרים ערבבו ננו-מוטות בתוך תמיסות של סופר-מולקולות של בלוק קו-פולימרים היוצרות מיקרו-אזורים כדוריים, גליליים ושכבתיים.

"אנו יכולים לייצר בקלות ספרייה של מערכי ננו-מוטות הכוללת מערכים של ננו-מוטות המקבילים לבלוק קו-פולימרים, רשתות ננו-מוטות רציפות ואשכולות ננו-מוטות," מציינת החוקרת. "מאחר וההכוונה המקרוסקופית של מיקרו-המערכים של בלוק קו-פולימרים ניתנת להשגה בתמיסה הגולמית וכן בשכבות דקיקות באמצעות הפעלת שדות חיצוניים, השיטה שלנו תוכל לפתוח צוהר לנתיב יעיל עבור התפעול של מערכי ננו-מוטות."

שיטה חדשה זו תוכל לסייע בייצור של מערכים סדורים של ננו-מוטות המוכוונים ברמה מקרוסקופית יחד עם מרחקים ברי-כיוונון בין הננו-מוטות הפרטניים – מורפולוגיה שתוכל לסייע בפיתוח של רכיבים פלזמונים (plasmonics), שהינם חומרים בעלי פוטנציאל אדיר בפיתוח של מחשבים סופר-מהירים, מיקרוסקופים אופטיים עוצמתיים מאוד ואפילו הפיתוח של אריגים בלתי-נראים. בנוסף, מערכים כאלו יוכלו להגביר את התכונות המקרוסקופיות של ננו-חומרים, כגון מוליכות חשמלית וחוזק חומרים.

קבוצת המדענים חוקרת עתה את ההתארגנות העצמאית של ננו-גבישים מוליכים למחצה בצורת קוביות ומבנים בעלי ארבע רגליים, שתי צורות בעלות פוטנציאל יישומי חשוב עבור הפיתוח של התקנים פוטו-וולטאים וטכנולוגיות אחרות.

הידיעה על המחקר