2015年5月18日
来自美国的研究人员布鲁克海文国家实验室美国能源部的研究人员已经成功地开发了一种基于激光的方法，可以在纳米尺度上轻松高效地进行自组装。
布鲁克海文实验室科学家凯文·雅格（左）和博士后研究员帕维尔·马耶夫斯基在功能纳米材料中心使用新型激光区域退火仪。欧洲杯足球竞彩
纳米材料所表现出的惊人的十亿分之一米的质量能够改变从数据存储到能源生产的一切。欧洲杯足球竞彩
纳米结构太阳能电池的效率无疑是卓越的，但其精度在工业水平上很难达到。解决这个问题的方法是自组装，或者教分子将自己编织成高性能的结构。
“我们设计的材料可以自欧洲杯足球竞彩己建造，”布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）的科学家凯文·雅格说。欧洲杯足球竞彩“在适当的条件下，分子会自然地形成完美的结构。挑战在于给予这些纳米材料所需的刺激：温度越高，它们移动的速度越快，并形成所需的结构。我们使用激光来提高热量。”欧洲杯足球竞彩
Yager和Brookhaven实验室的博士后研究员Pawel Majewski设计了一种独特的机器，可以将聚焦的激光线扫过样品，从而产生瞬时和瞬时温度峰值。这种被称为激光区域退火（LZA）的新技术以比传统工业炉快1000倍的速度驱动自组装。结果记录在ACS纳米杂志上。
“我们在不到一秒钟的时间内创造出了极其均匀的自组装结构。”马耶夫斯基说。“除了超乎寻常的速度外，我们的激光还减少了烤箱加热材料中存在的缺陷和降解。这种组合使LZA非常适合将小型实验室突破带入工业。”欧洲杯足球竞彩
研究人员在CFN配制了材料并构建了LZA仪器。然后使用CFN的欧洲杯足球竞彩高级电子显微镜和布鲁克海文现已退役的国家同步加速器光源（NSLS）的x射线散射对样品进行评估，这两个实验室都是DOE科学办公室用户设施。欧洲杯线上买球
“非常高兴看到我们的预测是准确的——巨大的温度梯度导致了相应的巨大加速度！”Yager说。
这可以比作烤一个复杂的蛋糕，但是蛋糕不是在烤箱里烤的，但是激光束几乎可以瞬间完美地创造出来。使用最佳烹饪条件，配料将被混合成一道完美的菜肴。这种纳米级配方也非常有效，并产生非凡的效果。
研究人员集中研究嵌段共聚物，这是一种有两个具有不同化学性质和结构的连接块的分子。由于块之间相互排斥，形成了复杂而坚固的纳米级结构。
“其优良机械性能的代价是其自组装的缓慢动力学。”马耶夫斯基说。“他们需要精力和时间来探索各种可能性，直到找到正确的配置。”
通常，为了引发嵌段共聚物的自组装，这些材料要在真空密封炉中加热。欧洲杯足球竞彩样品烘烤24小时，以产生足够的动能将分子固定在合适的位置，从商业可行性的角度来看，这段时间肯定太长了。
由于长时间暴露在高温下会导致热降解，因此在整个样品中会产生裂纹和缺陷。
LZA工艺提供尖锐的热峰，以快速激发聚合物，而不会产生对材料造成损害的能量。
“在几毫秒内，整个样本就完美地对齐了，”Yager说。“当激光扫过材料时，局部的热尖峰实际上消除了纳米结构薄膜中的缺陷。LZA不仅速度更快，而且效果更好。”
LZA产生的温度高于500℃，但温度梯度可以超过4000°/mm。热梯度是温度随材料位置和方向的变化。虽然高温可以改善自组装，这是众所周知的事实，但这是第一次极端梯度造成如此巨大的改善。
“几年前，我们观察到一个微妙的暗示，即温度梯度可以改善自组装，”Yager说。“我开始痴迷于创造越来越多的极端梯度的想法，这最终导致建立了这种激光装置，并开创了一种新技术。”
研究人员需要大量的技术专业知识和世界一流的设施，才能将LZA从提案阶段转移到执行阶段。
“只有在CFN，我们才能如此迅速地开发这项技术，”马耶夫斯基说。“我们可以利用现场洁净室、机械车间和聚合物加工实验室进行快速仪器原型制作和样品制备。然后，我们将CFN电子显微镜与NSLS的x射线研究相结合，对LZA进行了无与伦比的评估。”
Yager补充道，“在CFN制作新样品，然后在NSLS穿过街道，在几秒钟内对其进行表征的能力是这一发现的关键。这两个设施之间的协同作用使我们能够快速迭代到优化设计。”
研究人员开发了一种称为熔痕分析的新型微尺度表面测温技术，用于确定激光脉冲产生的精确热量，并据此调整仪器。
“在了解正确的操作条件之前，我们先烧了一些胶片。”马耶夫斯基说。“看到第一批样品被激光扫描，然后使用NSLS准确地发现发生了什么，真是令人兴奋。”
LZA标志着纳米技术规模化的突破，是全球同类机器中的第一台。还可以使用激光在表面上绘制结构，这意味着纳米结构能够以精确的模式组装。这种惊人的合成方式可以为复杂的应用铺平道路，如电子产品。
“这项技术所能处理的样本大小没有限制，”雅格说。“事实上，您可以在滚动模式下运行它，这是领先的制造技术之一。”
研究人员正在进一步推进技术，以创造多层结构，对改进的太阳能电池、反射涂层和复杂的电子产品产生即时影响。
能源部科学办公室资助了NSLS和CF欧洲杯线上买球N的研究和运营。美国能源部科学办公室支持布鲁克海文国家实验室。