Veelzijdige ‘nanocrystal gel’ kan vooruitgang mogelijk maken op het gebied van energie, defensie en telecommunicatie

Nieuwe toepassingen op het gebied van energie, defensie en telecommunicatie zouden een boost kunnen krijgen nadat een team van de Universiteit van Texas in Austin een nieuw type “nanocrystal gel” had gemaakt – een gel die is samengesteld uit minuscule nanokristallen die elk 10.000 keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar dat zijn met elkaar verbonden tot een georganiseerd netwerk.

De kern van de ontdekking van het team is dat dit nieuwe materiaal gemakkelijk afstembaar is. Dat wil zeggen, het kan tussen twee verschillende toestanden worden geschakeld door de temperatuur te wijzigen. Dit betekent dat het materiaal kan werken als een optisch filter en verschillende frequenties van licht absorbeert, afhankelijk van of het in een gegeleerde staat is of niet. Het kan dus bijvoorbeeld aan de buitenkant van gebouwen worden gebruikt om verwarming of koeling dynamisch te regelen. Dit type optische filter heeft ook toepassingen voor verdediging, met name voor thermische camouflage.

De gels kunnen worden aangepast voor deze uiteenlopende toepassingen omdat zowel de nanokristallen als de moleculaire linkers die ze in netwerken verbinden designercomponenten zijn. Nanokristallen kunnen chemisch worden afgestemd om bruikbaar te zijn voor het routeren van communicatie via glasvezelnetwerken of om de temperatuur van ruimtevaartuigen op afgelegen planetaire lichamen stabiel te houden. Linkers kunnen worden ontworpen om ervoor te zorgen dat gels overschakelen op basis van omgevingstemperatuur of detectie van milieutoxines.

“Je zou de schijnbare warmtesignatuur van een object kunnen veranderen door de infraroodeigenschappen van de huid te veranderen”, zegt Delia Milliron, professor en voorzitter van de McKetta Department of Chemical Engineering aan de Cockrell School of Engineering. “Het kan ook nuttig zijn voor telecommunicatie die allemaal infrarode golflengten gebruiken.”

Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in het recente nummer van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang.

Het team, geleid door afgestudeerde studenten Jiho Kang en Stephanie Valenzuela, deed dit werk via het Centre for Dynamics and Control of Materials van de universiteit, een National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center dat ingenieurs en wetenschappers van over de hele campus samenbrengt om samen te werken aan materialen wetenschappelijk onderzoek.

Dankzij de laboratoriumexperimenten kon het team het materiaal heen en weer zien veranderen tussen de twee toestanden van gel en niet-gel (dat wil zeggen, vrij zwevende nanokristallen gesuspendeerd in vloeistof) die ze veroorzaakten door specifieke temperatuurveranderingen.

Supercomputersimulaties uitgevoerd in het Texas Advanced Computing Center van de UT hielpen hen te begrijpen wat er op microscopisch niveau in de gel gebeurde toen warmte werd toegepast. Gebaseerd op theorieën van scheikunde en natuurkunde, onthulden de simulaties de soorten chemische bindingen die de nanokristallen bij elkaar houden in een netwerk, en hoe die bindingen breken wanneer ze met hitte worden geraakt, waardoor de gel afbreekt.

Dit is de tweede unieke nanokristalgel die door dit team is gemaakt en ze blijven vooruitgang op dit gebied nastreven. Kang werkt momenteel aan het maken van een nanokristalgel die tussen vier toestanden kan veranderen, waardoor het nog veelzijdiger en nuttiger wordt. Die gel zou een mengsel zijn van twee verschillende soorten nanokristallen, die elk in staat zijn om tussen toestanden te schakelen als reactie op chemische signalen of temperatuurveranderingen. Dergelijke afstembare nanokristalgels worden “programmeerbare” materialen genoemd.