Нанопиллар
Наностолбики — это новая технология в области наноструктур . Наностолбики представляют собой наноструктуры в форме столбов диаметром около 10 нанометров, которые можно группировать в решетчатые массивы. [1] Это тип метаматериала , а это означает, что наностолбы приобретают свои свойства благодаря группировке в искусственно созданные структуры, а не благодаря своим естественным свойствам. Наностолбики выделяются среди других наноструктур благодаря своей уникальной форме. Каждый наностолбик имеет форму столба внизу и конический заостренный конец сверху. Такая форма в сочетании со способностью наностолбиков группироваться вместе демонстрирует множество полезных свойств. Наностолбики имеют множество применений, включая эффективные солнечные панели , анализ с высоким разрешением и антибактериальные поверхности.
Приложения
[ редактировать ]Солнечные панели
[ редактировать ]Благодаря своим коническим концам наностолбики очень эффективно улавливают свет. Поверхности солнечных коллекторов, покрытые наностолбиками, в три раза эффективнее солнечных элементов на основе нанопроволоки . [2] Для создания солнечного элемента из наностолбиков требуется меньше материала по сравнению с обычными полупроводниковыми материалами. Они также хорошо выдерживают процесс производства солнечных панелей. Такая долговечность позволяет производителям использовать более дешевые материалы и менее дорогие методы производства солнечных панелей. Исследователи изучают возможность введения легирующих добавок в нижнюю часть наностолбиков. [3] чтобы увеличить время, в течение которого фотоны будут отражаться от столбов и, следовательно, количество улавливаемого света. Использование наностолбов в солнечных панелях не только позволит более эффективно улавливать свет, но и сделает их гибкими. Гибкость дает производителям больше возможностей в выборе формы своих солнечных панелей, а также снижает затраты с точки зрения деликатного обращения с панелями. [4] Хотя наностолбики более эффективны и дешевле стандартных материалов, учёным пока не удалось начать их массовое производство. Это существенный недостаток использования наностолбиков в производственном процессе.
Антибактериальные поверхности
[ редактировать ]Наностолбы также выполняют функции, выходящие за рамки электроники, и могут имитировать защиту природы. Крылья цикад покрыты крошечными палочками в форме наностолбиков. Когда бактерия садится на крыло цикады, ее клеточная мембрана прилипает к наностолбикам и щелям между ними, разрывая их. Поскольку палочки цикад примерно того же размера и формы, что и искусственные наностолбы, люди могут скопировать эту защиту. Поверхность, покрытая наностолбиками, немедленно уничтожила бы все бактерии с мягкими мембранами. Более жесткие бактерии с большей вероятностью не разорвутся. Если наностолбы будут массово производиться и устанавливаться повсюду, они смогут снизить значительную часть риска передачи заболеваний через прикосновение к инфицированным поверхностям. [5]
Антибактериальный механизм
[ редактировать ]Существует несколько моделей, предложенных для объяснения антибактериального механизма нанопилларов. Согласно модели растяжения и механоиндуцирования, [6] для относительно однородных нанотопографий, таких как наностолбики, обнаруженные на крыле цикады, бактерии умирают из-за разрыва бактериальной клеточной стенки, которая подвешена между двумя соседними наностолбиками, в отличие от механизма прокола. Было обнаружено, что такие особенности наностолбиков, как высота, плотность и острота наностолбиков, влияют на общие антибактериальные свойства наностолбиков. Однако относительную корреляцию характеристик наностолбиков установить сложно из-за нескольких противоречивых результатов в литературе. [7] Альтернативный антибактериальный механизм нанопилларов включает потенциальное воздействие силы сдвига, [8] отрицательная физиологическая реакция бактерий, [9] и эффекты внутреннего давления в результате взаимодействия между бактериальными поверхностными белками и нанопилларами. [10]
Молекулярный анализ высокого разрешения
[ редактировать ]Еще одно применение нанопилларов — наблюдение за клетками. Наностолбики настолько хорошо улавливают свет, что когда на них падает свет, свечение, излучаемое наностолбиками, затухает при длине волны около 150 нанометров. Поскольку это расстояние меньше длины волны света, оно позволяет исследователям наблюдать небольшие объекты без вмешательства фонового света. [11] Это особенно полезно при клеточном анализе. Клетки группируются вокруг наностолбиков из-за их небольшого размера и распознают их как органеллы. [12] Наностолбики просто удерживают клетки на месте, пока за ними наблюдают.
Квантовое зондирование на основе алмазов
[ редактировать ]Наностолбы используются в квантовых технологиях для повышения эффективности вывода фотонов флуоресцентных дефектов. Наностолбики особенно эффективны в контексте центров окраски, расположенных в алмазе . [13] Из-за высокого показателя преломления алмаза большая часть фотонов, возникающих в результате флуоресценции, например, центров азота-вакансии (NV), теряется из-за полного внутреннего отражения . Наностолбики могут повысить эффективность вывода и направленность излучения центра окраски. Это позволяет значительно повысить чувствительность применения квантового зондирования NV как в контексте наномасштабного ядерного магнитного резонанса , так и в квантовой магнитометрии (например, в форме сканирующей зондовой микроскопии ). Чжу и др. показали, что крайне важно включить соответствующее сужение наностолбиков для максимизации эффективности сбора. [13]
История
[ редактировать ]В 2006 году исследователи из Университета Небраски-Линкольна и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса разработали более дешевый и эффективный способ создания наностолбиков. Они использовали комбинацию наносферной литографии (способ организации решетки) и реактивного ионного травления (придание наностолбикам нужной формы), чтобы создать большие группы кремниевых столбиков диаметром менее 500 нм. [14] Затем, в 2010 году, исследователи разработали способ изготовления наностолбиков с заостренными концами. [15] Прежняя конструкция столба с плоской тупой вершиной отражала большую часть света, попадающего на столбы. Конические верхние части позволяют свету проникать в лес наностолбов, а более широкое нижнее поглощает почти весь падающий на него свет. Эта конструкция улавливает около 99% света, тогда как наностержни одинаковой толщины улавливают только 85% света. После появления конических концов исследователи начали находить гораздо больше применений наностолбиков.
См. также
[ редактировать ]
Производственный процесс
[ редактировать ]Создание наностолбиков — простая, но длительная процедура, которая может занять несколько часов. [16] Процесс создания наностолбиков начинается с анодирования формы из алюминиевой фольги толщиной 2,5 мм. Анодирование фольги создает в фольге поры глубиной в микрометр и шириной 60 нанометров. Следующий шаг — обработка фольги фосфорной кислотой, которая расширяет поры до 130 нанометров. Фольга еще раз анодируется, делая ее поры глубже на микрометр. Наконец, в поры добавляется небольшое количество золота, чтобы катализировать реакцию роста полупроводникового материала. Когда алюминий соскребают, внутри оболочки из оксида алюминия остается лес наностолбиков. [17] Кроме того, столбчатые и трубчатые структуры также могут быть изготовлены с помощью нисходящего подхода, сочетающего литографию глубокого УФ-излучения (DUV) и осаждение атомных слоев (ALD). [18] [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фан З, Кападиа Р., Леу П.В., Чжан Х, Чуэ Ю.Л., Такей К., Ю К., Джамшиди А., Ратор А.А., Рюбуш DJ, Ву М, Джави А. (октябрь 2010 г.). «Упорядоченные массивы наностолбиков двойного диаметра для максимального оптического поглощения» (PDF) . Нано-буквы . 10 (10): 3823–7. дои : 10.1021/nl1010788 . ПМИД 20491498 .
- ^ «Основы нанопилляров» . НаноАлл .
- ^ Хенг Л. «Наностолбики значительно повышают эффективность преобразования энергии тонкопленочных солнечных элементов» . phys.org. ; Вонг С.М., Ю ХИ, Ли Дж.С., Чжан Г., Ло П.Г., Квонг Д.Л. (февраль 2010 г.). «Разработка высокоэффективного тонкопленочного солнечного элемента с кремниевой наностолбчатой текстурой». Письма об электронных устройствах IEEE . 31 (4): 335–337. дои : 10.1109/LED.2010.2040062 . S2CID 32851076 .
- ^ Пройсс П. (9 июля 2009 г.). «Наностолбики обещают дешевые, эффективные и гибкие солнечные элементы» . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
- ^ Квирк Т. (2013). «Крылья насекомых разрывают бактерии на куски» . Природа . Издательская группа «Природа». дои : 10.1038/nature.2013.12533 . S2CID 87292424 .
- ^ Погодин С., Хасан Дж., Баулин В.А., Уэбб Х.К., Труонг В.К., Фонг Нгуен Т.Х. и др. (февраль 2013 г.). «Биофизическая модель взаимодействия бактериальных клеток с наноузорчатыми поверхностями крыльев цикад» . Биофизический журнал . 104 (4): 835–840. Бибкод : 2013BpJ...104..835P . дои : 10.1016/j.bpj.2012.12.046 . ПМЦ 3576530 . ПМИД 23442962 .
- ^ Ишак М.И., Лю X, Дженкинс Дж., Ноббс А.Х., Су Б (октябрь 2020 г.). «Выступающие наноструктурированные поверхности для антимикробных и остеогенных титановых имплантатов» . Покрытия . 10 (8): 756. doi : 10.3390/coatings10080756 . hdl : 1983/37cef22d-b7c3-4d16-9bb9-0bfdbdbb5c69 . ISSN 2079-6412 .
- ^ Бандара С.Д., Сингх С., Афара И.О., Вольф А., Тесфамихаэль Т., Остриков К., Олойде А. (март 2017 г.). «Бактерицидное действие естественной нанотопографии крыла стрекозы на Escherichia coli». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (8): 6746–6760. дои : 10.1021/acsami.6b13666 . hdl : 10072/401989 . ПМИД 28139904 .
- ^ Дженкинс Дж., Мантелл Дж., Нил С., Голиния А., Веркаде П., Ноббс А.Х., Су Б (апрель 2020 г.). «Антибактериальные эффекты поверхностей нанопилляров опосредуются импедансом клеток, проникновением и индукцией окислительного стресса» . Природные коммуникации . 11 (1): 1626. Бибкод : 2020NatCo..11.1626J . дои : 10.1038/s41467-020-15471-x . ПМЦ 7118135 . ПМИД 32242015 .
- ^ Ишак М.И., Дженкинс Дж., Кулкарни С., Келлер Т.Ф., Бриско В.Х., Ноббс А.Х., Су Б (декабрь 2021 г.). «Понимание сложных взаимодействий наностолбиков и бактерий: роль нанотопографии и поверхностных белков бактерий» . Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 604 : 91–103. Бибкод : 2021JCIS..604...91I . doi : 10.1016/j.jcis.2021.06.173 . ПМИД 34265695 .
- ^ «Наностолбики позволяют получить молекулярную фотографию более высокого разрешения» . Курцвейл. 11 апреля 2011 года . Проверено 29 октября 2013 г.
- ^ де Соуза Н. (апрель 2011 г.). «Наностолбы света» . Природные методы . 8 (4). Природа Америки: 284–285. дои : 10.1038/nmeth0411-284a . ПМИД 21574270 .
- ^ Jump up to: а б Чжу, Тяньци; Рензиус, Ян; Херб, Константин; Дамле, Вирадж; Пуэбла-Хеллманн, Габриэль; Деген, Кристиан Л.; Яниц, Эрика (22 ноября 2023 г.). «Многоконусные алмазные волноводы для наномасштабного квантового зондирования». Нано-буквы . 23 (22): 10110–10117. arXiv : 2306.02966 . дои : 10.1021/acs.nanolett.3c02120 . ISSN 1530-6984 .
- ^ Майкл Б. (14 февраля 2006 г.). «Новый, недорогой процесс изготовления наностолбиков» . Нановерк.
- ^ Коксворт Б. (23 ноября 2010 г.). «Нанопиллярные полупроводники создают более качественные и дешевые солнечные элементы» . Гизмаг.
- ^ Квон Дж.Т., Шин Х.Г., Со Ю.Х., Ким Б.Х., Ли Х.Г., Ли Дж.С. (2009). «Простой метод изготовления иерархических наностолбов с использованием процессов анодирования алюминия». Современная прикладная физика . 9 (2): е81–е85. Бибкод : 2009CAP.....9E..81K . дои : 10.1016/j.cap.2008.12.034 .
- ^ Патель П. «Наностолбики, улавливающие больше света» . Обзор технологий MIT.
- ^ Шкондин Е, Такаяма О, Панах М.А., Лю П., Ларсен П.В., Мар М.Д., Дженсен Ф., Лавриненко А.В. (2017). «Крупномасштабные массивы наностолбиков ZnO, легированных Al, с высоким аспектным соотношением как анизотропные метаматериалы» (PDF) . Оптические материалы Экспресс . 7 (5): 1606–1627. Бибкод : 2017OMExp...7.1606S . дои : 10.1364/OME.7.001606 .
- ^ Шкондин Э., Алимадади Х., Такаяма О., Дженсен Ф., Лавриненко А.В. (2020). «Изготовление полых коаксиальных автономных нанотрубок Al2O3 / ZnAl2O4 с высоким аспектным соотношением на основе эффекта Киркендалла» (PDF) . Журнал вакуумной науки и технологий А. 38 (1): 1606–1627. Бибкод : 2020JVSTA..38a3402S . дои : 10.1116/1.5130176 . S2CID 209898658 .