擴大納米技術以實現可持續製造

主要要點

• 研究人員開發了一種多用途高性能塗層材料，該材料由2D納米片自組裝而成。

• 新材料能夠顯著延長電子產品、能源儲存以及健康與安全應用的消費品的保質期。

• 該材料還具有可回收性，支持一種可持續製造方法，能夠阻止一次性包裝和電子產品進入垃圾填埋場。

• 這一突破克服了納米科學中的一個長期障礙——擴大納米材料合成以用於製造和商業應用。

一種新的自組裝納米片有可能徹底加速功能性和可持續納米材料的發展，應用於電子產品、能源儲存、健康與安全等領域。

由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的團隊開發的這種新型自組裝納米片可以顯著延長消費品的保質期。由於這種新材料是可回收的，因此也可能促進一種可持續的製造方法，使一次性包裝和電子產品不會進入垃圾填埋場。

研究背景

該團隊首次成功開發了由自組裝納米片製成的多用途高性能屏障材料。這項突破今天報導於《自然》期刊。

「我們的工作克服了納米科學中的一個長期障礙——將納米材料合成擴大為可用於製造和商業應用的材料。」該研究的主要研究員丁旭（Ting Xu）說。「這非常令人興奮，因為這一成果已有數十年的積累。」

丁旭是伯克利實驗室材料科學部的高級科學家，並且是加州大學伯克利分校的化學與材料科學與工程教授。

在利用納米科學創造功能性材料的過程中，一個挑戰是需要許多小部件聚集在一起，才能使納米材料成長到足夠的尺寸以便於使用。儘管堆疊納米片是將納米材料轉變為產品的最簡單方法之一，但在使用現有的納米片或納米薄片時，「堆疊缺陷」——即納米片之間的間隙——是無法避免的。

「如果你把構建3D結構視作用薄平磚建造，那麼你將擁有向上延伸的層，但是每層中兩塊磚相接的地方仍然會有間隙。」該研究的首位作者、前研究生Emma Vargo說，現在是伯克利實驗室材料科學部的博士後學者。「雖然通過增大磚塊尺寸來減少間隙是很有誘惑力，但這樣會使它們變得不易操作。」

新的納米片材料

這種新的納米片材料通過完全跳過串行堆疊薄片的方法來克服堆疊缺陷的問題。相反，團隊混合了已知能自組裝成小顆粒的材料，這些材料在溶劑中以交替層的形式存在。為了設計系統，研究人員使用了複雜的納米粒子、小分子和基於嵌段共聚物的超分子混合物，這些材料均可商業獲得。

在橡樹嶺國家實驗室的缺口中子源的實驗幫助研究人員了解這些混合物自組裝的早期粗糙階段。隨著溶劑蒸發，小顆粒聚集並自發組織，粗略模板化層，然後固化成密集的納米片。以這種方式形成的有序層是同時的，而不是一個一個地堆疊。小部件只需要移動短距離以組織並閉合間隙，從而避免移動較大「磚塊」的問題以及它們之間不可避免的間隙。

根據丁旭之前的研究，研究人員知道將含有多個「建築塊」的納米複合材料混合在一起，這些構件的大小和化學性質各異，包括複雜的聚合物和納米粒子，不僅能夠適應雜質，還能釋放系統的熵——這是材料混合物固有的無序性，丁旭的團隊利用這一特性來分配材料的基礎構件。

未來的應用

這項新的研究建立在之前的工作基礎上。研究人員預測，當前研究使用的複雜混合物將具有兩個理想特性：除了具有高熵以推動同時形成的數百層納米片的自組裝外，他們還預期新的納米片系統對不同的表面化學性質受到的影響最小。他們推測，這將使相同的混合物能夠在多種表面上形成保護屏障，例如電子設備的玻璃屏幕或聚酯面具。

為了測試該材料在多種應用中作為屏障塗層的性能，研究人員獲得了全國頂尖研究設施的協助。

在阿貢國家實驗室的先進光源中進行的實驗中，研究人員繪製了每個組件的結合情況，並量化了其流動性及每個組件如何移動以生成功能性材料。

根據這些定量研究結果，研究人員通過將聚合物、有機小分子和納米粒子的稀釋溶液應用於各種基材來製造屏障塗層——特氟龍燒杯和膜、聚酯薄膜、厚薄矽薄膜、玻璃，甚至是一個微電子設備的原型，然後控制薄膜形成的速率。

在伯克利實驗室分子工廠的透射電子顯微鏡實驗中顯示，當溶劑蒸發後，超過200層堆疊的納米片的高度有序層結構以極低的缺陷密度自組裝在基板上。研究人員還成功地使每個納米片厚度達到100納米，並且幾乎沒有孔洞，這使得該材料在防止水蒸氣、揮發性有機化合物和電子通過方面尤其有效，Vargo表示。

在分子工廠的其他實驗顯示該材料作為介電材料的潛力良好，這是一種常用於電容器中的絕緣「電子屏障」材料，適用於能源儲存和計算應用。

與伯克利實驗室能源技術區的研究人員合作，丁旭及其團隊展示了這種材料用於塗覆多孔特氟龍膜（通常用於製作防護面具）時，能有效過濾出影響室內空氣質量的揮發性有機化合物。

最後在丁旭實驗室進行的實驗中，研究人員展示了該材料可以重新溶解並重新鑄造，以產生新的屏障塗層。

現在他們已成功證明如何輕鬆合成一種多功能材料，應用於各種工業應用，研究人員計劃進一步調整該材料的可回收性，並添加顏色可調性（目前為藍色）。

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Meta Title: 擴大納米技術以實現可持續製造

Meta Description: 本文介紹了一種新型自組裝納米片材料的突破，該材料可顯著延長消費品的保質期，並支援可持續製造方法。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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