Zelf samengestelde architecturen omzetten in functionele materialen

Stel je voor dat een materiaal zichzelf zou rangschikken in een vorm die geschikt is voor zijn toepassing, bijvoorbeeld een katalysator die zijn eigen oppervlak maximaliseert voor verbeterde efficiëntie of een micro-actuator die aanhangsels vormt om nabijgelegen objecten te grijpen. Dit is de belofte van zelfassemblage: complexe, functionele materialen maken door materie zichzelf te laten vormen. Toch blijkt niet alle materie die zichzelf tot interessante vormen assembleert, in zijn uiteindelijke vorm een ​​nuttige functie te hebben. Onderzoekers van de Self-Organizing Matter-groep hebben onlangs ontdekt dat ze door ionenwisseling het zelfassemblageproces kunnen scheiden van het resulterende materiaal. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 16 november en gemarkeerd in Natuur en Nature beoordelingen materialen.

Met hun mooie en ingewikkelde vormen zien de nanocomposieten die door de Self-Organizing Matter-groep zijn bestudeerd er behoorlijk opmerkelijk uit (zie illustratie). Toch heeft Ph.D. studenten Hans Hendrikse en Arno van der Weijden wilden meer dan mooie constructies en hadden een kriebel om ook de functionaliteit van de nanocomposieten te benutten. Aangemoedigd door de vormbaarheid en structurele lay-out van hun nanocomposieten, begonnen ze samen met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, ARNCL, Universiteit Leiden en Virginia Tech de mogelijkheden te onderzoeken.

Het onderzoeksteam begon met nanocomposieten die bestonden uit bariumcarbonaat (BaCO₃) nanokristallen ingebed in een silica (SiO₂) matrix en zet deze om in cadmiumsulfide (CdS). Eerst stelden ze een route vast om de nanocomposieten reproduceerbaar om te zetten in dit uiteindelijke materiaal, terwijl ze de eigenschappen van de nanocomposieten tijdens ionenuitwisseling onderzochten. Door analyse met elektronenmicroscopie en röntgendiffractie leerde het team iets fascinerends: de kleine omvang van de BaCO₃ nanokristallen maakten ze uitzonderlijk gevoelig voor ionenuitwisselingsreacties, terwijl het omringende SiO₂ matrix bood mechanische stabiliteit om de oorspronkelijke vorm van nanocomposiet tijdens de conversie te behouden. Hans Hendrikse zegt: “Het is bijna alsof we enkele stenen van een huis verwisselen terwijl de algehele structuur intact blijft.”

Op basis van deze inzichten was het uitbreiden van de materiaalkeuze eenvoudig en werden nieuwe routes ontwikkeld om de samenstelling van de nanocomposiet te veranderen in verschillende cadmium-, ijzer-, nikkel- en mangaanzouten. Bovendien kan het originele nanocomposiet worden gevormd in een grote selectie van vooraf bepaalde vormen. Al deze vormen kunnen worden omgezet in een van de bovengenoemde composities. Het is dus niet alleen mogelijk om nanocomposieten om te zetten, er is ook een verscheidenheid aan materialen en vormen om uitwisselbaar uit te kiezen.

Ten slotte onderzocht het team de mogelijke toepassingen van deze nieuwe aanpak. Ze ontdekten bijvoorbeeld dat de nikkelhoudende nanocomposieten kunnen worden gebruikt als katalysatoren voor het dry-reforming-proces, dat bij lage temperaturen beter presteert dan traditionele katalysatoren. Bovendien synthetiseerde het team vormgestuurde magnetiet (Fe₃O₄) nanocomposieten die kunnen worden verplaatst en geheroriënteerd met behulp van hun magnetische eigenschappen. Ten slotte creëerden ze door e-beam geactiveerde microscopische actuatoren door gebruik te maken van flexibiliteit die werd geïntroduceerd tijdens een van de ionenuitwisselingsreacties in combinatie met de krimpende eigenschappen van de silicamatrix. Kortom, ze ontdekten vormbehoudende ionenuitwisselingsreacties die nieuwe wegen openen naar zelf-geassembleerde materialen met verschillende nieuwe, functionele eigenschappen.