Ting Xu, nhà nghiên cứu polyme, đã đứng đầu nghiên cứu trong đó các siêu phân tử (supramolecules) dựa trên các khối copolyme đã kết hợp với các hạt nano vàng để tạo ra các nanocomposite có thể nhanh chóng tự lắp ráp trong điều kiện ủ dung môi thành các màng mỏng có cấu trúc phân cấp trải rộng trên diện tích vài centimet vuông. Kỹ thuật này tương thích với các quy trình sản xuất nano hiện nay và có khả năng để tạo ra các dòng lớp phủ quang học mới cho các ứng dụng trên phạm vi rộng như năng lượng mặt trời, điện tử nano và thiết bị lưu trữ ổ nhớ máy tính. Kỹ thuật này thậm chí có thế mở đường cho sản xuất các loại siêu vật liệu, các cấu trúc nano nhân tạo có các tính chất quang học đặc biệt.

Các hạt nano có chức năng như các nguyên tử nhân tạo với các tính chất cơ, điện và quang độc đáo. Nếu các hạt nano có thể làm cho tự lắp ráp thành các cấu trúc phức hợp và các mẫu trật tự giống như tự nhiên làm với các protein, thì sẽ cho phép chúng ta sản xuất hàng loạt các loại thiết bị nhỏ hơn hàng nghìn lần so với các thiết bị được sử dụng trong công nghệ vĩ mô hiện nay.

Ting Xu và nhóm nghiên cứu của cô đã dần đạt đến mục tiêu cuối cùng này. Mới đây nhất, tiêu điểm của họ hướng đến việc sử dụng các dung dịch siêu phân tử dựa trên các khối copolymer để điều khiển việc tự lắp ráp của các mạng hạt nano. Siêu phân tử là một nhóm các phân tử hoạt động giống một phân tử đơn có thể thực hiện một tập hợp các chức năng  cụ thể. Các khối copolymer là các chuỗi dài hoặc “khối” của một loại monomer liên kết với các khối của một loại monomer khác có khả năng tự lắp ráp bẩm sinh biến đổi thành các mạng sắp xếp hoàn toàn có cấu trúc cỡ nano trên diện tích lớn.

Trong kỹ thuật siêu phân tử do Xu và các đồng nghiệp phát minh, các mạng hạt nano vàng đã hợp nhất thành các dung dịch siêu phân tử để hình thành các màng chỉ dày 200 nanomét. Do quá trình ủ dung môi, sử dụng chloroform làm dung môi, các mạng hạt nano đã tổ chức thành các miền siêu nhỏ hình trụ ba chiều bị bó chặt thành các mạng tinh thể lục giác bị méo theo hướng song song với bề mặt. Biểu hiện điều chỉnh cấu trúc phân cấp này bên trong hạt nano tự lắp ráp gây ấn tượng sâu sắc nhưng đó mới chỉ là một nửa mục tiêu.

 “Để tương thích với các quy trình sản xuất nano, quy trình chế tạo tự lắp ráp này cũng phải được hoàn tất trong vài phút để giảm tối thiểu bất kỳ sự phân hủy đặc tính hạt nano do tiếp xúc với môi trường xử lý”, Xu cho biết.

Trong quá trình phân tích nhiệt động lực học và động lực học chức năng tự lắp ráp của các màng mỏng hợp chất nano siêu phân tử. Nhóm nghiên cứu của Xu đã phát hiện bằng cách tối ưu hóa một tham số duy nhất, số lượng dung môi, các khối lắp ráp sẽ có thể thiết kế chính xác để sản xuất các màng mỏng cấu trúc phân cấp trong một phút.

 “Bằng cách tạo ra các siêu phân tử trên nền các khối copolymer từ các phân tử nhỏ không hóa trị được gắn với chuỗi polymer, chúng tôi đã thay đổi được bức tranh năng lượng vì thế lượng dung môi đã trở thành nhân tố quan trọng nhất. Điều này cho phép chúng tôi nhanh chóng có được các mạng hạt nano mà chỉ cần một lượng rất nhỏ dung môi”, Xu cho biết.

Các đặc tính quang học của các màng mỏng nanocomposite phụ thuộc vào các đặc tính của các hạt nano đặc trưng và không gian giữa các hạt được xác định theo các phương hướng khác nhau. Để kích thước của các mạng hạt nano vàng có ít nhất một chuỗi kích thước nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến, kỹ thuật siêu phân tử của Xu và đồng nghiệp rất có tiềm năng trong việc tạo ra các loại siêu vật liệu.

Các vật liệu nhân tạo này đã thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây là do các đặc tính điện từ không thể có được trong các vật liệu tư nhiên. Ví dụ siêu vật liệu có thể có chi số khúc xạ âm, khả năng bẻ cong ánh sáng ngược trở lại, không giống như các vật liệu được thấy trong tự nhiên bẻ cong ánh sáng hướng về phía trước.