Ongrijpbare 3D-geprinte nanodeeltjes kunnen leiden tot nieuwe vormveranderende materialen

Bij nanomaterialen is vorm het lot. Dat wil zeggen dat de geometrie van het deeltje in het materiaal de fysieke kenmerken van het resulterende materiaal definieert.

“Een kristal gemaakt van nano-kogellagers zal zichzelf anders ordenen dan een kristal gemaakt van nano-dobbelstenen en deze arrangementen zullen zeer verschillende fysieke eigenschappen produceren”, zegt Wendy Gu, assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Stanford University, bij de introductie van haar nieuwste onderzoek. papier die in het journaal verschijnt Natuurcommunicatie.

“We hebben een 3D-nanoprinttechniek gebruikt om een ​​van de meest veelbelovende vormen te produceren die we kennen: Archimedische afgeknotte tetraëders. Het zijn tetraëders op micronschaal waarvan de punten zijn afgehakt.”

In het artikel beschrijven Gu en haar co-auteurs hoe ze tienduizenden van deze uitdagende nanodeeltjes nanoprintten, ze in een oplossing roerden en vervolgens toekeken hoe ze zichzelf assembleerden tot verschillende veelbelovende kristalstructuren. Belangrijker nog is dat deze materialen binnen enkele minuten van toestand kunnen wisselen, simpelweg door de deeltjes in nieuwe geometrische patronen te herschikken.

Dit vermogen om ‘fasen’ te veranderen, zoals materiaalingenieurs de vormveranderende kwaliteit noemen, is vergelijkbaar met de atomaire herschikking die ijzer in gehard staal verandert, of in materialen waarmee computers terabytes aan waardevolle gegevens in digitale vorm kunnen opslaan.

“Als we kunnen leren deze faseverschuivingen in materialen gemaakt van deze Archimedische afgeknotte tetraëders te beheersen, zou dit in veel veelbelovende technische richtingen kunnen leiden”, zei ze.

Ongrijpbare prooi

Er wordt al lang getheoretiseerd dat Archimedische afgeknotte tetraëders (ATT’s) tot de meest wenselijke geometrieën behoren voor het produceren van materialen die gemakkelijk van fase kunnen veranderen, maar tot voor kort een uitdaging waren om te fabriceren – voorspeld in computersimulaties maar toch moeilijk te reproduceren in de echte wereld.

Gu wijst er snel op dat haar team niet de eerste is die in grote hoeveelheden Archimedische afgeknotte tetraëders op nanoschaal produceert, maar dat ze wel tot de eersten, zo niet de eersten behoren die hiervoor 3D-nanoprinting gebruiken.

“Met 3D-nanoprinten kunnen we vrijwel elke gewenste vorm maken. We kunnen de vorm van de deeltjes heel zorgvuldig controleren”, legt Gu uit. “Er is door simulaties voorspeld dat deze specifieke vorm zeer interessante structuren zal vormen. Wanneer je ze op verschillende manieren kunt samenpakken, produceren ze waardevolle fysieke eigenschappen.”

ATT’s vormen ten minste twee zeer wenselijke geometrische structuren. De eerste is een zeshoekig patroon waarin de tetraëders plat op het substraat rusten met hun afgeknotte uiteinden naar boven gericht als een bergketen op nanoschaal. De tweede is misschien nog veelbelovender, zei Gu.

Het is een kristallijne quasi-diamantstructuur waarin de tetraëders elkaar afwisselen in naar boven en naar beneden gerichte oriëntaties, zoals eieren die in een eierdoos rusten. Het diamantarrangement wordt in de fotonicagemeenschap beschouwd als een ‘heilige graal’ en zou tot veel nieuwe en interessante wetenschappelijke richtingen kunnen leiden.

Het allerbelangrijkste is echter dat toekomstige materialen gemaakt van 3D-geprinte deeltjes, als ze op de juiste manier worden ontworpen, snel kunnen worden herschikt en gemakkelijk heen en weer kunnen schakelen tussen fasen met behulp van een magnetisch veld, elektrische stroom, warmte of een andere technische methode.

Gu zei dat ze zich coatings voor zonnepanelen kan voorstellen die gedurende de dag veranderen om de energie-efficiëntie te maximaliseren, nieuwe hydrofobe films voor vliegtuigvleugels en -ramen die ervoor zorgen dat ze nooit beslaan of bevriezen, of nieuwe soorten computergeheugen. De lijst gaat maar door.

“Op dit moment werken we eraan om deze deeltjes magnetisch te maken om te bepalen hoe ze zich gedragen”, zei Gu over haar laatste onderzoek dat al aan de gang is en op nieuwe manieren gebruik maakt van Archimedische afgeknotte tetraëder-nanodeeltjes. “De mogelijkheden beginnen nu pas te worden onderzocht.”