Drypende vandhaner inspirerer til ny måde at skabe strukturerede partikler på

(Phys.org) -- Forskere ved MIT og University of Central Florida (UCF) har udviklet en alsidig ny fremstillingsteknik til fremstilling af store mængder ensartede kugler af en lang række materialer - en teknik, der muliggør hidtil uset kontrol over designet af individuel, mikroskopiske partikler. Partiklerne, herunder komplekse, mønstrede kugler, kunne finde anvendelse i alt fra biomedicinsk forskning og medicinlevering til elektronik og materialebehandling.

Metoden er en udløber af en teknik til at lave lange, tynde fibre af flere materialer, udviklet i løbet af de sidste mange år på MIT af medlemmer af samme. Det nye værk, rapporteret i bladet i denne uge Natur , begynder med at lave tynde fibre ved hjælp af denne tidligere metode, men tilføjer så et ekstra trin med opvarmning af fibrene for at skabe en række små kugler - som en perlerække - inden i disse fibre.

Konventionel fremstilling af mikroskopiske sfæriske partikler bruger en "bottom-up" tilgang, at dyrke kuglerne fra endnu mindre "frø" - en tilgang, der kun er i stand til at producere meget små partikler. Denne nye "top-down" metode, imidlertid, kan producere kugler så små som 20 nanometer (ca. størrelsen af ​​de mindste kendte vira) eller så store som to millimeter (ca. størrelsen af ​​et knappenålshoved), hvilket betyder, at de største partikler er 100, 000 gange større end de mindste. Men for en given batch, størrelsen af ​​de producerede kugler kan være ekstremt ensartet - meget mere end det er muligt med bottom-up-tilgangen.

Yoel Fink, en professor i materialevidenskab og direktør for MIT's Research Laboratory of Electronics, hvis gruppe udviklede den tidligere metode til fremstilling af multimateriale fibre, forklarer, at den nye metode også kan producere multimateriale kugler bestående af forskellige lag eller segmenter. Endnu mere komplekse strukturer er mulige, han siger, tilbyder hidtil uset kontrol over partikelarkitektur og sammensætning.

Den mest sandsynlige kortsigtede anvendelse af den nye proces ville være til biomedicinske anvendelser, siger Ayman Abouraddy, en tidligere postdoc i Finks laboratorium, som nu er adjunkt ved UCFs College of Optics and Photonics. "Typiske anvendelser af nanopartikler i dag er til kontrolleret lægemiddellevering, ” siger han. Men med denne nye proces, to eller flere forskellige lægemidler - selv dem, der normalt er uforenelige - kunne kombineres inde i individuelle partikler, og frigives først, når de har nået deres tilsigtede destination i kroppen.

Mere eksotiske muligheder kunne opstå senere, Abouraddy tilføjer, herunder nye "metamaterialer" med avancerede optiske egenskaber, som tidligere var uopnåelige.

Den grundlæggende proces involverer at skabe en stor polymer cylinder, kaldet en "præform, ” indeholdende en intern halvledercylinderkerne, der er en nøjagtig opskaleret model af den endelige fiberstruktur; denne præform opvarmes derefter, indtil den er blød nok til at blive trukket ind i en tynd fiber, som taffy. Fiberens indre struktur, lavet af materialer, der alle blødgøres ved samme temperatur, bevarer den indvendige konfiguration af den originale cylinder.

Fiberen opvarmes derefter yderligere, så den halvledende kerne danner en væske, producerer en række adskilte sfæriske dråber i den ellers kontinuerlige fiber. Dette samme fænomen får en aftagende strøm af vand fra en vandhane til til sidst at bryde op i en strøm af dråber, berømt fanget af MITs Harold "Doc" Edgerton i hans stroboskopiske billeder.

Abouraddy siger, at under et besøg i gamle templer i hans hjemland Egypten, han fandt en inskription, der viser, at selv for længe siden, folk var opmærksomme på denne nedbrydning af en vandstrøm til dråber - forårsaget af en proces nu kendt som Rayleigh-ustabilitet.

I den nye fremstillingsproces udviklet af Abouraddy og Finks team, disse dråber "fryser" på plads, når fiberen størkner; præformens polymerskede holder dem derefter låst på plads, indtil den senere opløses væk. Dette overvinder et andet problem med traditionel produktion af nanopartikler:deres tendens til at klumpe sammen.

I princippet, Abouraddy siger, opdagelsen af ​​denne proces til dannelse af partikler kunne være kommet for mange år siden. Men selv efter at teoretikere havde forudsagt, at sådanne ustabiliteter kunne dannes i processen med at trække fibre, den nye opdagelse kom ved et uheld:Joshua Kaufman, en elev af Abouraddy's, forsøgte at producere fibre, men hans eksperiment "mislykkedes", da fiberen blev ved med at bryde op i dråber.

Abouraddy, som kendte til den teoretiske mulighed, indså med det samme, at denne "fejl" faktisk var en vigtig opdagelse - en der havde undgået tidligere forsøg, simpelthen fordi processen kræver en præcis kombination af timing, temperatur og materialer. Kaufman er hovedforfatter af Nature-papiret.

"Evnen til at udnytte og kontrollere den flygtige væskeustabilitet i en fiber har dybtgående konsekvenser for fremtidige enheder, " siger Fink, og kan føre til en bred vifte af anvendelser. Mens gruppen har demonstreret produktionen af ​​"strandbold"-partikler i seks segmenter, i princippet meget mere komplekse strukturer, lavet af forskellige materialer, burde også være muligt, han siger. Ethvert materiale, der kunne trækkes ind i en fiber, kunne nu, i princippet, gøres til en lille partikel.

Arbejdet blev støttet af National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research og Army Research Office gennem MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies.