محققان مکعب‌هایی با ابعاد نانو را مهندسی کرده‌اند که به‌طور خودبه‌خود یک الگوی شطرنجی دوبعدی را هنگام انداختن روی سطح آب تشکیل می‌دهند. این کار که در Nature Communications منتشر شده است ، یک رویکرد ساده برای ایجاد نانوساختارهای پیچیده از طریق تکنیکی به نام خود مونتاژی ارائه می‌کند.
آندریا تائو، نویسنده ارشد این مطالعه، استاد گروه مهندسی شیمی و نانو خانواده Aiiso Yufeng Li در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، گفت: “این یک راه جالب برای به دست آوردن مواد برای ساخت خود است.” لازم نیست به آزمایشگاه نانوساخت بروید و این دستکاری های پیچیده و دقیق را انجام دهید.
هر نانو مکعب از یک کریستال نقره با مخلوطی از مولکول های آبگریز (روغنی) و آب دوست (آب دوست) متصل به سطح تشکیل شده است. هنگامی که یک سوسپانسیون از این نانو مکعب ها به سطح آب وارد می شوند، خود را به گونه ای مرتب می کنند که در لبه های گوشه خود لمس می کنند. این چیدمان یک الگوی متناوب از مکعب های جامد و فضاهای خالی ایجاد می کند که در نتیجه یک الگوی شطرنجی ایجاد می شود.
فرآیند خودآرایی توسط شیمی سطح نانومکعب ها هدایت می شود. چگالی بالای مولکول های آبگریز روی سطح، مکعب ها را به هم نزدیک می کند تا تعامل آنها با آب را به حداقل برساند. در همین حال، زنجیره‌های بلند مولکول‌های آبدوست باعث دافعه کافی برای ایجاد فضای خالی بین مکعب‌ها می‌شود و الگوی شطرنجی را ایجاد می‌کند.
برای ساخت این ساختار، محققان قطرات سوسپانسیون نانومکعبی را روی یک ظرف پتری حاوی آب قرار دادند. تخته شطرنجی به دست آمده را می توان به راحتی با فرو بردن زیرلایه در آب و بیرون کشیدن آهسته آن به زیرلایه منتقل کرد و به نانوساختار اجازه می دهد آن را بپوشاند.
این مطالعه از یک تلاش مشترک بین چندین گروه تحقیقاتی که بخشی از مرکز علوم و مهندسی مواد تحقیقاتی UC San Diego (MRSEC) هستند، ناشی می‌شود. این کار دارای ترکیبی هم افزایی از تکنیک های محاسباتی و تجربی بود. تائو گفت: “ما یک حلقه بازخورد پیوسته بین محاسبات و آزمایشات خود ایجاد کرده ایم.” ما از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای کمک به طراحی مواد در مقیاس نانو و پیش‌بینی نحوه رفتار آنها استفاده کردیم. همچنین از نتایج تجربی خود در آزمایشگاه برای اعتبارسنجی شبیه‌سازی‌ها، تنظیم دقیق آنها و ساخت مدل بهتر استفاده کردیم.»
در طراحی این ماده، محققان نانومکعب‌های کریستال نقره را به دلیل تخصص آزمایشگاه تائو در سنتز آنها انتخاب کردند. تعیین شیمی سطح بهینه نیاز به آزمایش محاسباتی گسترده ای داشت که توسط Gaurav Arya، استاد گروه مهندسی مکانیک و علم مواد در دانشگاه دوک و نویسنده ارشد این مطالعه رهبری شد. شبیه‌سازی‌ها بهترین مولکول‌ها را برای اتصال به نانومکعب‌ها شناسایی کردند و پیش‌بینی کردند که چگونه مکعب‌ها بر روی سطح آب برهم‌کنش می‌کنند و جمع می‌شوند. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از داده‌های تجربی به‌دست‌آمده توسط آزمایشگاه تائو به‌طور مکرر اصلاح شدند. میکروسکوپ الکترونی که توسط آزمایشگاه یکی از نویسندگان مطالعه، Alex Frañó، استاد دپارتمان فیزیک دانشگاه UC San Diego انجام شد، تشکیل ساختارهای شطرنجی مورد نظر را تایید کرد.
تائو کاربردهایی را برای تخته شطرنجی نانومکعبی در سنجش نوری پیش بینی کرده است. او توضیح داد: «چنین نانوساختاری می‌تواند نور را به روش‌های جالبی دستکاری کند. فضاهای بین مکعب‌ها، به‌ویژه نزدیک لبه‌های گوشه‌ای که مکعب‌ها به هم متصل می‌شوند، می‌توانند به‌عنوان کانون‌های کوچکی عمل کنند که نور را متمرکز یا به دام می‌اندازند. این می‌تواند برای ساخت انواع جدیدی از عناصر نوری مانند فیلترهای نانومقیاس یا موجبرها مفید باشد.»
Materials provided by University of California – San Diego. Original written by Liezel Labios. Note: Content may be edited for style and length.
