Nye 3D-strukturer samles med bemærkelsesværdig præcision

(Phys.org) -- Selvom det er relativt ligetil at bygge en boks på makroskalaen, det er meget mere udfordrende på mindre mikro- og nanometerlængdeskalaer. I de størrelser, tredimensionelle (3-D) strukturer er for små til at blive samlet af enhver maskine, og de skal styres til at samles på egen hånd. Og nu, tværfaglig forskning udført af ingeniører ved Johns Hopkins University i Baltimore, Md., og matematikere ved Brown University i Providence, R.I., har ført til et gennembrud, der viser, at højere ordens polyedre faktisk kan foldes sammen og samle sig selv.

"Det bemærkelsesværdige her er ikke kun, at en struktur foldes sammen af ​​sig selv, men at det foldes til en meget præcis, tredimensionel form, og det sker uden nogen pincet eller menneskelig indblanding, " siger David Gracias, en kemisk og biomolekylær ingeniør hos Johns Hopkins. "På samme måde som naturen samler alt fra havskaller til ædelsten nedefra, ideen om selvsamling lover en ny måde at fremstille genstande nedefra."

Med støtte fra National Science Foundation (NSF), Gracias og Govind Menon, en matematiker ved Brown University, udvikler selvsamlende 3-D mikro- og nanostrukturer, der kan bruges i en række applikationer, herunder medicin.

Menons team hos Brown begyndte at designe disse bittesmå 3D-strukturer ved først at flade dem ud. De arbejdede med en række former, såsom 12-sidede sammenkoblede paneler, som potentielt kan foldes til en dodecahedron-formet beholder. "Forestil dig, at du skærer det op og flader ansigterne ud, mens du går, " siger Menon. "Det er en todimensionel udfoldelse af polyederet."

Og ikke alle flade former er skabt lige; nogle folder bedre end andre. "De bedste er dem, der er mest kompakte. Der er 43, 380 måder at folde et dodekaeder på, " bemærker Menon.

Forskerne udviklede en algoritme til at gennemgå alle de mulige valg, indsnævre feltet til et par kompakte former, der nemt foldes ind i 3D-strukturer. Menons team sendte disse designs til Gracias og hans team hos Johns Hopkins, som byggede formerne, og validerede hypotesen.

"Vi afsætter et materiale mellem ansigterne og kanterne, og varme dem så op, som skaber overfladespænding og trækker kanterne sammen, smelter strukturen sammen, " forklarer Gracias. "Vinklen mellem tilstødende paneler i et dodekaeder er 116,6 grader, og i vores proces, femkantede paneler justeres præcist i disse bemærkelsesværdigt præcise vinkler og forsegler sig selv; alle på egen hånd."

"Miniaturiseringens æra lover at revolutionere vores liv. Vi kan lave disse polyedre af en masse forskellige materialer, såsom metaller, halvledere og endda bionedbrydelige polymerer til en række optiske, elektroniske og lægemiddelleveringsapplikationer, " fortsætter Gracias. "F.eks. der er et behov i medicin for at skabe smarte partikler, der kan målrette mod specifikke tumorer, specifik sygdom, uden at levere stoffer til resten af ​​kroppen, hvilket begrænser bivirkningerne."

Forestil dig tusindvis af præcist strukturerede, lille bitte, biologisk nedbrydeligt, kasser suser gennem blodbanen på vej til et sygt organ. Når de ankommer til deres destination, de kan frigive medicin med stor nøjagtighed. Det er visionen for fremtiden. For nu, den mere umiddelbare bekymring er at få designet af strukturerne helt rigtigt, så de kan fremstilles med højt udbytte.

"Vores proces er også kompatibel med fabrikation af integrerede kredsløb, så vi forestiller os, at vi kan bruge det til at sætte siliciumbaseret logik og hukommelseschips på 3-D polyedres overflader. Vores metodologi åbner døren til skabelsen af ​​virkelig tredimensionelle 'smarte' og multifunktionelle partikler på både mikro- og nano-længdeskalaer, " siger Gracias.