Undersøgelse søger at skabe selvsamlende materialer

Når vi rejser længere ud i rummet, smarte løsninger på problemer som fejl i motordele og andre mulige uheld vil være en vigtig del af planlægningsprocessen. 3D-udskrivning, eller additiv fremstilling, er en ny teknologi, der kan bruges til at skræddersy til at skabe missionskritiske dele. Et integreret stykke af denne proces er at forstå, hvordan partikelform, størrelsesfordeling og pakningsadfærd påvirker fremstillingsprocessen.

Advanced Colloids Experiment-Temperature-7-undersøgelsen (ACE-T-7) ombord på den internationale rumstation undersøger muligheden for at oprette selvsamlende mikroskopiske partikler til brug ved fremstilling af materialer under rumflyvning. Disse mikroskopiske partikler samles som byggesten til at skabe materialer med skræddersyede nanostrukturer, giver forskere muligheden for at ændre et materiales adfærdsmæssige egenskaber i henhold til et sæt instruktioner, der er indlejret i partiklen.

Evnen til materialer til at samle sig selv, og potentielt selvreparation efter et sammenbrud, vil være et centralt element, når vi tager til destinationer i dybe rum, hvor det ikke er en mulighed at medbringe ekstra motordele og andre nødvendige ting på grund af opbevaringsbegrænsninger ombord på rumfartøjet.

"Du bliver nødt til at tage pulvere og kolloider med sig, der består af form- og størrelsesspecifikke mikroskopiske partikler, der passer sammen på forskellige måder; så kan en maskine bruge disse nye materialer til at fremstille reservedele, så folk kan overleve og reparere ting, "sagde Paul Chaikin, undersøgelsens primære efterforsker og professor i fysik ved New York University.

Brug af forskellige former for energi som "kontrolknapper, "videnskabsfolk kunne integrere en kode på nanoniveau af et materiale, giver den forskellige instruktioner til forskellige forhold. I tilfælde af ACE-T-7, forskere manipulerer temperaturen for at kontrollere sammensætning og interaktioner mellem partiklerne. Suspenderet i et flydende medium, disse partikler er designet til at binde til hinanden på bestemte måder for at danne 3D-krystaller, når de udsættes for høje eller lave temperaturer.

"Ved en temperatur, en krystallisationsfase favoriseres, og i en anden, en anden krystallisationsfase foretrækkes, "sagde New York Universitys Stefano Sacanna, en af ​​projektets medforskere. "Grundlæggende er temperaturen en ekstern stimuli til at lede og hjælpe partiklerne med at binde på den rigtige måde. Det er en måde for os at guide dem eller kontrollere deres samling."

Denne proces er ikke meget forskellig fra, hvordan levende ting bliver til i naturen - byggesten, der er spændt sammen, opfører sig i henhold til deres genetiske kode.

"Vi forsøger at forstå stoffets selvsamling og potentielt bruge dette som en måde at fremstille nye materialer på, "sagde Sacanna.

På jorden, tyngdekraften trækker alle krystallerne til bunden af ​​beholderen, ikke tillader observation. Mikrogravitationsmiljøet på rumstationen giver forskere mulighed for at observere, hvordan krystallerne vokser, samt adskille tyngdekraftens virkninger på undersøgelsen.

"I mikrogravitationsmiljøet, kraften på partiklerne er næsten en million gange mindre, så de forbliver suspenderet i det flydende medium, og 3D-krystaller kan dyrkes og observeres uden de skadelige virkninger af sedimentation, "sagde New York Universitys Andrew Hollingsworth, den ene af projektets medforskere.

En øget forståelse af, hvordan alle disse partikler interagerer sammen, vil hjælpe forskere med at bringe denne videnskab til Jorden i form af additiv fremstilling, i et forsøg på at skabe udviklingsbare materialer med optimale egenskaber.