Morfeerbare materialen: onderzoekers overtuigen nanodeeltjes om zichzelf te herconfigureren

Volgens een nieuw onderzoek van onderzoekers aan de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Indiana is het nu mogelijk om inzicht te krijgen in hoe nanobouwstenen zich op commando kunnen herschikken in verschillende georganiseerde structuren. Hiervoor wordt een elektronenmicroscoop, een kleine monsterhouder met microscopische kanalen en computersimulaties gebruikt.

Deze aanpak zou uiteindelijk slimme materialen en coatings mogelijk kunnen maken die kunnen schakelen tussen verschillende optische, mechanische en elektronische eigenschappen.

“Een van mijn favoriete voorbeelden van dit fenomeen in de natuur is bij kameleons”, aldus Tobias Dwyer, UM-doctoraatsstudent in chemische technologie en mede-eerste auteur van de studie. gepubliceerd in Natuur Chemische Technologie.

“Kameleons veranderen van kleur door de afstand tussen nanokristallen in hun huid te veranderen. De droom is om een ​​dynamisch en multifunctioneel systeem te ontwerpen dat net zo goed kan zijn als sommige voorbeelden die we in de biologie zien.”

Met deze beeldvormingstechniek kunnen onderzoekers in realtime zien hoe nanodeeltjes reageren op veranderingen in hun omgeving. Dit biedt een uniek inzicht in hun assemblagegedrag.

In de studie heeft het Indiana-team eerst nanodeeltjes, een klasse van materialen die kleiner zijn dan de gemiddelde bacteriecel, in kleine kanalen van vloeistof op een microfluïdische flowcel gesuspendeerd. Dit type apparaat stelde de onderzoekers in staat om verschillende soorten vloeistof in de cel te spoelen terwijl ze het mengsel onder hun elektronenmicroscoop bekeken.

De onderzoekers ontdekten dat het instrument de nanodeeltjes, die normaal gesproken door elkaar worden aangetrokken, net genoeg elektrostatische afstoting gaf om ze uit elkaar te duwen en ze in geordende samenstellingen te laten samenkomen.

De nanodeeltjes, die kubussen van goud zijn, hadden hun gezichten perfect uitgelijnd in een nette cluster of vormden een rommeligere opstelling. De uiteindelijke opstelling van het materiaal was afhankelijk van de eigenschappen van de vloeistof waarin de blokken waren gesuspendeerd, en het spoelen van nieuwe vloeistoffen in de flowcel zorgde ervoor dat de nanoblokken tussen de twee opstellingen wisselden.

Het experiment was een proof of concept voor hoe nanodeeltjes in gewenste structuren te sturen. Nanodeeltjes zijn te klein om handmatig te manipuleren, maar de aanpak zou ingenieurs kunnen helpen leren om andere nanodeeltjes te herconfigureren door hun omgeving te veranderen.

“Je had de deeltjes misschien al eerder naar nieuwe vloeistoffen kunnen verplaatsen, maar je had toen niet in real-time kunnen zien hoe ze op hun nieuwe omgeving reageerden”, aldus Xingchen Ye, universitair hoofddocent scheikunde aan de IU, die de experimentele techniek ontwikkelde en de hoofdauteur van de studie is.

“We kunnen deze tool gebruiken om veel soorten nanoschaalobjecten in beeld te brengen, zoals ketens van moleculen, virussen, lipiden en samengestelde deeltjes. Farmaceutische bedrijven kunnen deze techniek gebruiken om te leren hoe virussen interacteren met cellen onder verschillende omstandigheden, wat van invloed kan zijn op de ontwikkeling van medicijnen.”

Een elektronenmicroscoop is niet nodig om de deeltjes in praktische morphable materialen te activeren, aldus de onderzoekers. Veranderingen in licht en pH zouden ook dat doel kunnen dienen.

Maar om de techniek uit te breiden naar verschillende soorten nanodeeltjes, moeten de onderzoekers weten hoe ze hun vloeistoffen en microscoopinstellingen moeten veranderen om de deeltjes te ordenen. Computersimulaties die door het UM-team worden uitgevoerd, openen de deur naar dat toekomstige werk door de krachten te identificeren die ervoor zorgden dat de deeltjes interacteerden en zich verzamelden.

“We denken dat we nu een goed genoeg begrip hebben van alle fysica die een rol speelt om te voorspellen wat er zou gebeuren als we deeltjes van een andere vorm of materiaal zouden gebruiken,” zei Tim Moore, UM assistent-onderzoeker chemische technologie en mede-eerste auteur van de studie. Hij ontwierp de computersimulaties samen met Dwyer en Sharon Glotzer, de Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering aan de UM en een corresponderende auteur van de studie.

“De combinatie van experimenten en simulaties is spannend, omdat we nu een platform hebben om samen met onze IU-partners nieuwe, veranderbare materialen in realtime te ontwerpen, voorspellen, maken en observeren”, aldus Glotzer, die ook John Werner Cahn Distinguished University Professor en Stuart W. Churchill Collegiate Professor of Chemical Engineering is.