Ein Schwamm-Leitfaden für die Nanomontage

Eines der ständigen Ziele der Nanotechnologie ist es, einfach und kostengünstig hochleistungsfähige Materialien mit nanoskaliger Struktur herzustellen. Und eine der vielversprechendsten Strategien ist der Versuch, die bemerkenswerte Fähigkeit der Natur nachzuahmen, komplexe Formen mit Präzision im Nanomaßstab selbst zusammenzubauen. Forscher der University of California in Santa Barbara (UCSB) haben nun mithilfe von Hinweisen aus Meeresschwämmen eine Methode entwickelt, um halbleitende Materialien mit nützlichen Strukturen und neuartigen elektronischen Eigenschaften zu synthetisieren. Erste Anwendungen könnten Möglichkeiten sein, Materialien für leistungsstärkere Batterien und hocheffiziente Solarzellen kostengünstiger herzustellen.

Diese Glasstruktur, die von einer Art Meeresschwamm gebildet wird, half Wissenschaftlern, solche Organismen zu untersuchen, um zu lernen, wie man komplexe Strukturen im Nanomaßstab leicht zusammenbaut. (Mit freundlicher Genehmigung von James Weaver und Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.)

Wir greifen auf Strukturen zurück, die zum Teil noch nie da waren. Und in einigen Fällen entdecken wir elektronische Eigenschaften, die für diese Materialklasse noch nie zuvor bekannt waren, sagt Daniel Morse , Professor für Molekulargenetik und Biochemie an der UCSB, der das Projekt leitete. Die Methode funktioniert mit einer Vielzahl von Materialien. Bisher habe die Gruppe 30 verschiedene Arten von Oxiden, Hydroxiden und Phosphaten hergestellt.



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Heutige Solarzellen und Batterien werden teilweise durch ihre begrenzte Fähigkeit gebremst, elektrische Ladungsträger wie Elektronen und positive Ionen in und aus Aktivmaterialien zu transportieren. Ein Fortschritt, der dabei helfen könnte, ist die Vergrößerung der Oberfläche eines Materials bei gleichzeitiger Beibehaltung einer Dünnfilmstruktur, die sich leicht als Elektrodenschicht in ein Gerät integrieren lässt.

Morse und seine Kollegen begannen ihre Forschungen mit der Untersuchung der Methoden, mit denen Meeresschwämme komplizierte Glasskelette, sogenannte Spicules, herstellen (siehe Abbildung). Eine Art Schwamm produziert einen Zylinder, der aussieht wie aus gewobenen Glasfasern, obwohl er gar nicht gewebt ist, sondern Molekül für Molekül zu der Struktur zusammengefügt wird.

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Die Forscher untersuchten insbesondere eine Art Schwamm, der winzige Nadeln aus Glas herstellt. Sie fanden heraus, dass die für die Glasstrukturen verantwortlichen Gene für Enzyme kodieren, die sowohl als physikalische Vorlage für die Struktur als auch als Katalysator für den Zusammenbau molekularer Vorstufen zum gewünschten Material dienen.

Die Wissenschaftler entwickelten eine Synthesemethode, die die Grundprinzipien der natürlichen Assemblierungsmethode nutzt: langsame Katalyse und die Verwendung eines physikalischen Templats. Sie fanden heraus, dass sie nicht nur Glas, sondern auch eine Vielzahl von halbleitenden Materialien zusammenbauen konnten, die in Geräten nützlich sein könnten.

Das Verfahren beginnt mit einer Lösung molekularer Vorstufen. Anschließend setzen die Forscher die Lösung Ammoniakdampf aus, der, wenn er langsam in die Lösung diffundiert, als Katalysator wirkt. Die physikalische Vorlage für das Material ist die Oberfläche der Lösung. An dieser Oberfläche, wo die Dampfkonzentration am größten ist, bildet das Material einen dünnen Film.

Zuerst bilden sich die Kristalle an der [Oberfläche], aber mit der Zeit fangen sie an, in die Lösung zu ragen wie Stalaktiten, die vom Dach einer Höhle herabwachsen, sagt Morse. Am Ende erhalten Sie einen nanostrukturierten dünnen Halbleiterfilm mit einer sehr großen Oberfläche aufgrund all der hervorstehenden dünnen Platten oder Nadeln, die nach unten in die Lösung ragen.

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Das Verfahren funktioniert bei niedrigen Temperaturen, etwa bei Raumtemperatur, während herkömmliche Techniken zur Herstellung halbleitender Dünnschichten hohe Temperaturen erfordern – 400 Grad Celsius, sagt Morse. Es erfordert auch keine häufig verwendeten scharfen Säuren und Basen. Abgesehen davon, dass das Verfahren billiger und einfacher wird, könnten die milden Bedingungen zu Geräten führen, die Materialien enthalten, die mit herkömmlichen Verfahren nicht verwendet werden könnten. Manchmal sind beispielsweise die Materialien, die in einem Gerät verwendet werden können, durch die hohen Temperaturen begrenzt, die zur Herstellung der Materialien verwendet werden. Wenn Sie sie alle bei Raumtemperatur herstellen können, können Sie sie möglicherweise mit Dotierstoffen dotieren, die Sie normalerweise bei hohen Temperaturen nicht verwenden könnten, sagt Angela Belcher , Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Bioingenieurwesen am MIT, der Morses Arbeit sehr spannend findet.

Letztendlich könnte sich Morses Arbeit, die biologische Mechanismen untersucht, mehr als nur neuartige dünne Filme auszahlen, sagt Aravinda Kini , Programmmanager für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften des US-Energieministeriums. Obwohl das derzeitige Verfahren nur für dünne Schichten funktioniert, könnte ein besseres Verständnis der Katalyse- und Templatmethoden von Schwämmen eines Tages die Herstellung komplexer Maschinenteile durch Zusammenfügen von Molekülen ermöglichen. Es ist immer noch ein Traum, aber stellen Sie sich vor, die Schaufel eines Flugzeugtriebwerks würde von unten nach oben montiert, ohne Mängel, ohne sehr teure Herstellungsmethoden, sagt er. Das ist möglich. Davon träumen die Leute.

Bild der Homepage mit freundlicher Genehmigung von Kristian Roth, Birgit Schwenzer und Daniel E. Morse, University of California, Santa Barbara.

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