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封面文章 | 哈佛大学:异质材料分选与3D打印技术实现Au和SiO₂纳米粒子分选 精选

已有 1389 次阅读 2022-2-22 19:05 |系统分类:论文交流

Sorting Gold and Sand (Silica) Using Atomic Force Microscope‑Based Dielectrophoresis
Chungman Kim, Sunghoon Hong, Dongha Shin, Sangmin An, Xingcai Zhang*, Wonho Jhe*

Nano-Micro Letters (2022)14: 13

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00760-x

本文亮点
1. 介电泳平台与含有微量移液器的原子力显微镜相结合,用于材料和区域的选择性沉积

2. 提出了在正常环境条件下,通过微型喷嘴将多种材料进行分类和打印的可行性。

内容简介
3D打印和微流体技术可以在微观尺度下很好地进行材料图案化和材料分类,这在先进材料应用中非常关键。3D打印近年来作为一种强大的复杂结构制造方法受到广泛研究和关注。由于过程简单,已被广泛应用于各种研究和工业领域,甚至精密电子学器件中。然而,3D打印的喷嘴中往往只能使用单一材料源,这就限制了其在异质材料制造领域的应用。介电泳(DEP)是在非均匀电场中,可对液体介质中的介电材料施加力的一种现象,可用作材料分选方法。将介电泳技术嵌入3D打印过程,有望实现异质打印和打印中的材料分选。近年来,3D打印作为一种简单通用制造复杂三维结构的方法,受到了广泛关注。如果在打印过程中通过单个喷嘴同时分选和沉积不同的物质,可以显著增强其打印和制造功能的多样性。然而,目前的3D打印技术,对同一容器中多种材料的选择性沉积和分选仍然存在局限性。本工作中,哈佛大学Xingcai Zhang与首尔国立大学Wonho Jhe等设计了一种基于移液器的石英音叉(QTF)-原子力显微镜(AFM)平台DEPQA,平台中嵌入了一种基于介电泳(DEP)的材料选择性沉积和分选技术,并演示了通过单个喷嘴进行多材料分选和打印的过程。通过对金和二氧化硅纳米粒子进行分选,得到95%的空间分离精度。这种结合介电泳、原子力显微镜的3D打印技术,有望广泛用于纳米微图案化、多材料结构化、材料分类和各类先进制造。
图文导读
基于介电泳的石英音叉(QTF)-原子力显微镜(AFM)平台DEPQA

图1描述了用于材料分类和打印的DEPQA平台系统。图1a-c分别显示了附带移液器的QTF-AFM、四极负DEP阱及其整体结构,该装置可以在没有微流体装置或水环境的情况下进行选择性沉积。图1d显示了更详细的结构。利用附带移液器的QTF-AFM可以通过监测非常灵敏的AFM尖端的形变幅度和相位变化来实现纳米到亚纳米尺度的孔口和基板之间的距离控制。此外,QTF作为一种高灵敏度的力传感器,可以测量微/纳米级液体通道的机械性能。在光学显微镜的引导下,移液器的顶点位于间隙的中心,形成四极电极形状,允许材料根据施加的DEP力沉积在不同的位置。图1e显示了具有微观尖端孔径移液器的SEM图像。

图1. DEPQA平台的设计示意图。
II 分离金和二氧化硅纳米微粒试验参数的设定

为了实现对不同材料的精确分离和异质打印,需要对DEP的参数进行研究调整。图2显示了预设实验参数的模拟结果。图2a显示了100 nm直径二氧化硅纳米粒子的 fCM频率和实部的计算结果。接近3 MHz的fCM零点的频率是临界频率,因此粒子被 临界频率以下的PDEP(正介电泳)和临界频率以上的NDEP(负介电泳)吸引。图2c, d 显示了实验方案中PDEP力的陷阱能量与布朗运动能量的关系,方向如图2b所示。最小点出现在①处的移液器的外边缘(图2b中的蓝色箭头)和图2c中②处的基板上电极的边缘(图2b中的红色箭头)。基于x和z方向的结果,可以得出结论,PDEP力指向电极的边缘,而NDEP力指向中心。

图2. 100 nm直径二氧化硅纳米粒子的Clausius–Mossotti因子(fCM)示例图。 
III DEP选择性沉积实验

图3b-e是实验结果的SEM图像。Au纳米颗粒在图3b中以圆形沉积,可以看作是对基板上电极边缘和移液管圆形顶点的吸引力,也就是PDEP。图3c中二氧化硅纳米粒子的趋势与Au情况相似。不同的浓度和表面活性剂导致两种情况之间的差异。图3d中的二氧化硅纳米粒子聚集在移液管位置的中心,这表明粒子受到电极的排斥力,也就是NDEP。图3e显示了混合溶液的选择性沉积结果。金纳米颗粒(黄色箭头)沉积在电极的两侧,即图2c中的最大值点,二氧化硅纳米颗粒(绿色圆圈)沉积在电极的中心。因此,作者通过预实验确认了使用DEP进行选择性沉积的可行性。这些SEM图像显示,图3中的纳米颗粒明显受到DEP力的影响。

图3. PDEP和NDEP实验的SEM图像。 
IV DEP选择性沉积的表面增强拉曼(SERS)效应

图4显示了选择性沉积粒子的SERS效应应用。作者使用PDEP组合移液器/QTF-AFM进行粒子沉积,并检测其SERS活性。首先在镀金的基板上组装一层4-硝基苯硫醇分子用于拉曼测量。4-硝基苯硫醇的拉曼信号(图4b)仅在金纳米粒子沉积区域的部位检测到(图4a)。此外,在图4c中,拉曼强度与粒子数量的关系线性良好,这表明的金纳米粒子显著增强了SERS效应。由此可见使用DEPQA系统,可以有效地制作富集纳米粒子的SERS平台,并在很小的区域内用溶液量控制SERS活性。图4a显示了富集的纳米粒子就像溶剂干燥过程中的咖啡环效应,在环状边缘聚集。

图4. 各种PDEP作用下Au纳米聚集体样品的表面增强拉曼结果。
作者简介

Xingcai Zhang

本文通讯作者

美国哈佛大学/麻省理工学院 研究员

主要研究领域

可持续纳米科学、仿生智能材料以及相关的先进应用技术。

主要研究成果

在Nat. Rev. Mater., Nat. Nanotechnol., PNAS, Nat. Commun., Sci. Adv., Nat. Sci. Rev., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Today等期刊发表100多篇文章。担任Springer Nature、Elsevier、Materials Today、ACS、RSC和Wiley的科学作家、编委、编辑、以及顾问委员会成员等职务。曾获Nature Nano Award等多个奖项。在顶级机构作过100+场特邀报告,被主要媒体报道1000余次。

Email: xingcai@mit.edu

个人主页

scholar.harvard.edu/xingcaizhang

Wonho Jhe

本文通讯作者

韩国国立首尔大学教授 哈佛大学访问教授

主要研究领域

师从诺贝尔奖得主Serge Haroche教授,主要从事基于冷原子的非线性、非平衡、临界动力学;基于石英音叉的原子力光谱等研究。

Email: whjhe@snu.ac.kr

个人主页

physics.snu.ac.kr/en/research-faculty/faculty/fulltime?mode=view&profidx=14
撰稿:《纳微快报(英文)》编辑部
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/40820
E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624



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