Wetenschappers ontwerpen 3D-gegroeid materiaal dat de productie van nieuwe technologieën voor slimme gebouwen en robotica zou kunnen versnellen

Kristallisatie is een van de meest fundamentele processen in de natuur – en het is wat mineralen, edelstenen, metalen en zelfs eiwitten hun structuur geeft.

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers geprobeerd te ontdekken hoe natuurlijke kristallen zichzelf assembleren en groeien – en hun baanbrekende werk heeft geleid tot een aantal opwindende nieuwe technologieën – van de kwantumstippen achter kleurrijke QLED-tv-schermen tot peptoïden, een eiwit-nabootsende dat heeft geleid tot tientallen biotech-doorbraken.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley een nanodeeltjescomposiet ontwikkeld dat uitgroeit tot 3D-kristallen. De wetenschappers zeggen dat het nieuwe materiaal, dat ze een 3D PGNP-kristal (polymeer-geënt nanodeeltje) noemen in hun recent gepubliceerde Natuurcommunicatie studie – zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën die in 3D zijn gegroeid in plaats van in 3D geprint.

“We hebben een nieuwe hefboom gedemonstreerd om als het ware een kristallijn materiaal te laten groeien tot een composiet of gestructureerd materiaal voor toepassingen variërend van fotonica op nanoschaal voor slimme gebouwen tot actuatoren voor robotica”, zegt Ting Xu, senior auteur van de studie . Xu is een facultaire senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar chemie en materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

Xu zei dat hun nieuwe methode compatibel is met de eisen van massaproductie. “Veel slimme geesten hebben elegante chemicaliën ontworpen, zoals DNA’s en supramoleculen, om nanodeeltjes te kristalliseren. Ons systeem is in wezen een mengsel van nanodeeltjes en polymeren – die vergelijkbaar zijn met de ingrediënten die mensen gebruiken om vliegtuigvleugels of autobumpers te maken. Maar wat nog meer is interessant is dat we niet hadden verwacht dat onze methode zo eenvoudig en zo snel zou zijn,” zei Xu.

Een toevallige ontdekking

Hoofdauteur Yiwen Qian, een Ph.D. student-onderzoeker in de Xu Group van UC Berkeley, ontdekte de 3D PGNP-nanokristallen bij toeval in een gewoon laboratoriumexperiment.

Een paar dagen eerder had ze een oplossing van tolueenoplosmiddel en gouden nanodeeltjes geënt met polystyreen (Au-PS) in een centrifugebuis op een laboratoriumteller achtergelaten. Toen ze naar het monster keek onder een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), merkte ze iets vreemds op. “Nanodeeltjes waren snel uitgekristalliseerd. Dat was niet normaal”, zei ze.

Om dit te onderzoeken, werkte Xu samen met Peter Ercius, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab’s Molecular Foundry, en Wolfgang Theis en Alessandra DaSilva van de Universiteit van Birmingham, die allemaal algemeen worden beschouwd vanwege hun expertise in STEM-tomografie (scanning-transmissie-elektronenmicroscopie), een elektronenmicroscopietechniek die een sterk gefocuste elektronenstraal gebruikt om beelden van de 3D-structuur van een materiaal met hoge resolutie te reconstrueren.

Met behulp van microscopen in de Molecular Foundry, een toonaangevende gebruikersfaciliteit in STEM-tomografie, legden de onderzoekers eerst kristallijne 3D-patronen van de Au-PS-nanodeeltjes vast.

Op jacht naar meer aanwijzingen voerden Xu en Qian vervolgens nucleaire magnetische resonantiespectroscopie-experimenten uit bij UC Berkeley, waar ze ontdekten dat een klein spoor van polyolefinemoleculen uit de voering van de centrifugebuis op de een of andere manier in de mix was gekomen. Polyolefinen, waaronder polyethyleen en polypropyleen, behoren tot de meest voorkomende kunststoffen ter wereld.

Qian herhaalde het experiment en voegde meer polyolefine toe aan de Au-PS-oplossing – en deze keer kregen ze binnen enkele minuten grotere 3D PGNP-kristallen.

Xu was verrast. “Ik dacht: ‘Dit zou niet zo snel moeten gebeuren'”, herinnert ze zich. “In het laboratorium hebben kristallen van nanodeeltjes meestal dagen nodig om te groeien.”

Een zegen voor de industrie: materialen kweken op nanoniveau

Daaropvolgende experimenten onthulden dat als het tolueenoplosmiddel snel verdampt bij kamertemperatuur, het polyolefine-additief de Au-PS-nanodeeltjes helpt om 3D PGNP-kristallen te vormen en “te groeien tot hun favoriete kristalstructuur”, zei Qian.

In een ander belangrijk experiment ontwierpen de onderzoekers een zelfassemblerende kristallijne schijf van 100-200 nanometer die eruitziet als de basis van een piramide. Uit deze verbluffende demonstratie van beheersing van materie op nanoniveau, leerden de onderzoekers dat de grootte en vorm van de 3D PGNP-kristallen worden aangedreven door de kinetische energie van de polyolefinen terwijl ze in de oplossing neerslaan.

Al met al bieden deze bevindingen “een model om te laten zien hoe je de kristalstructuur op het niveau van een enkel deeltje kunt regelen”, zei Xu, eraan toevoegend dat hun ontdekking opwindend is omdat het nieuw inzicht geeft in hoe kristallen zich vormen tijdens de vroege stadia van nucleatie.

“En dat is een uitdaging om te doen, omdat het moeilijk is om atomen naast elkaar te laten zitten,” zei Ercius.

De nieuwe aanpak zou onderzoekers ongekende controle kunnen geven bij het afstemmen van elektronische en optische apparaten op nanoniveau (miljardsten van een meter), zei Xu. Een dergelijke precisie op nanodeeltjesschaal, voegde ze eraan toe, zou de productie kunnen versnellen en fouten in de productie kunnen elimineren.

Vooruitkijkend zou Qian hun nieuwe techniek willen gebruiken om de taaiheid van verschillende kristalstructuren te onderzoeken – en misschien zelfs een hexagonaal kristal te maken.

Xu is van plan hun techniek te gebruiken om grotere apparaten te laten groeien, zoals een transistor of misschien 3D-geprinte nanodeeltjes uit een mix van materialen.

“Wat kun je met verschillende morfologieën? We hebben laten zien dat het mogelijk is om uit een mineraal en een polymeer een composiet met één component te genereren. Het is echt spannend. Soms moet je gewoon op het juiste moment op de juiste plaats zijn.” zei Xu.

Co-auteurs van het artikel zijn onder meer Alessandra da Silva en Wolfgang Theis van de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk; Emmy Yu, een student-onderzoeker in de Xu Group van UC Berkeley; en Christopher L. Anderson en Yi Liu bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab.