Forskere 3-D-printer kolloide krystaller

MIT-ingeniører har forenet principperne om selvsamling og 3-D-print ved hjælp af en ny teknik, som de fremhæver i dag i journalen Avancerede materialer .

Ved deres direkte-skrive kolloide samlingsproces, forskerne kan bygge centimeterhøje krystaller, hver lavet af milliarder af individuelle kolloider, defineret som partikler, der er mellem 1 nanometer og 1 mikrometer på tværs.

"Hvis du sprængte hver partikel op til størrelsen af ​​en fodbold, det ville være som at stable en hel masse fodbolde for at lave noget så højt som en skyskraber, " siger studie medforfatter Alvin Tan, en kandidatstuderende i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik. "Det er det, vi gør på nanoskalaen."

Forskerne fandt en måde at udskrive kolloider som polymer nanopartikler i højt ordnede arrangementer, ligner de atomare strukturer i krystaller. De trykte forskellige strukturer, såsom små tårne ​​og helixer, der interagerer med lys på specifikke måder afhængigt af størrelsen af ​​de individuelle partikler i hver struktur.

Holdet ser 3-D printteknikken som en ny måde at bygge selvsamlede materialer, der udnytter nanokrystallernes nye egenskaber, i større skalaer, såsom optiske sensorer, farveskærme, og lysstyret elektronik.

"Hvis du kunne 3D-printe et kredsløb, der manipulerer fotoner i stedet for elektroner, som kunne bane vejen for fremtidige applikationer inden for lys-baseret computing, der manipulerer lys i stedet for elektricitet, så enheder kan være hurtigere og mere energieffektive, " siger Tan.

Tans medforfattere er kandidatstuderende Justin Beroz, adjunkt i maskinteknik Mathias Kolle, og lektor i maskinteknik A. John Hart.

Ud af tågen

Kolloider er alle store molekyler eller små partikler, typisk måler mellem 1 nanometer og 1 mikrometer i diameter, der er suspenderet i en væske eller gas. Almindelige eksempler på kolloider er tåge, som består af sod og andre ultrafine partikler spredt i luften, og flødeskum, som er en suspension af luftbobler i tung creme. Partiklerne i disse hverdagskolloider er fuldstændig tilfældige i deres størrelse og måden, hvorpå de spredes gennem opløsningen.

Hvis kolloide partikler af ensartet størrelse drives sammen via fordampning af deres flydende opløsningsmiddel, får dem til at samle sig til ordnede krystaller, det er muligt at skabe strukturer, som en helhed, udstille unikke optiske, kemisk, og mekaniske egenskaber. Disse krystaller kan udvise egenskaber, der ligner interessante strukturer i naturen, såsom de iriserende celler i sommerfuglevinger, og det mikroskopiske, skeletfibre i havsvampe.

Indtil nu, forskere har udviklet teknikker til at fordampe og samle kolloide partikler til tynde film for at danne displays, der filtrerer lys og skaber farver baseret på størrelsen og arrangementet af de individuelle partikler. Men indtil nu, sådanne kolloide samlinger har været begrænset til tynde film og andre plane strukturer.

"For første gang, vi har vist, at det er muligt at bygge selvsamlede kolloide materialer i makroskala, og vi forventer, at denne teknik kan bygge enhver 3D-form, og anvendes på en utrolig række materialer, siger Hart, avisens seniorforfatter.

At bygge en partikelbro

Forskerne skabte små tredimensionelle tårne ​​af kolloide partikler ved hjælp af et specialbygget 3-D-printapparat bestående af en glassprøjte og nål, monteret over to opvarmede aluminiumsplader. Nålen passerer gennem et hul i toppladen og dispenserer en kolloid opløsning på et substrat fastgjort til bundpladen.

Holdet opvarmer begge aluminiumsplader jævnt, så når nålen dispenserer den kolloide opløsning, væsken fordamper langsomt, efterlader kun partiklerne. Bundpladen kan drejes og flyttes op og ned for at manipulere formen på den overordnede struktur, svarende til, hvordan du kan flytte en skål under en softice-dispenser for at skabe drejninger eller hvirvler.

Beroz siger, at når den kolloide opløsning skubbes gennem nålen, væsken fungerer som en bro, eller skimmelsvamp, for partiklerne i opløsningen. Partiklerne "regner ned" gennem væsken, danner en struktur i form af væskestrømmen. Efter at væsken er fordampet, overfladespænding mellem partiklerne holder dem på plads, i en bestilt konfiguration.

Som en første demonstration af deres kolloidtrykteknik, holdet arbejdede med opløsninger af polystyrenpartikler i vand, og skabte centimeterhøje tårne ​​og helixer. Hver af disse strukturer indeholder 3 milliarder partikler. I efterfølgende forsøg, de testede løsninger, der indeholdt forskellige størrelser af polystyrenpartikler og var i stand til at printe tårne, der afspejlede specifikke farver, afhængig af de enkelte partiklers størrelse.

"Ved at ændre størrelsen af ​​disse partikler, du ændrer drastisk farven på strukturen, " siger Beroz. "Det er på grund af den måde, partiklerne er samlet på, i dette tidsskrift, bestilt måde, og interferensen af ​​lys, når det interagerer med partikler på denne skala. Vi er i bund og grund 3-D-printende krystaller."

Holdet eksperimenterede også med mere eksotiske kolloide partikler, nemlig silica og guld nanopartikler, som kan udvise unikke optiske og elektroniske egenskaber. De printede millimeter høje tårne ​​lavet af silicananopartikler med en diameter på 200 nanometer, og 80 nanometer guld nanopartikler, hver af dem reflekterede lys på forskellige måder.

"Der er mange ting, du kan gøre med forskellige slags partikler lige fra ledende metalpartikler til halvledende kvanteprikker, som vi kigger på, " siger Tan. "Kombinerer dem til forskellige krystalstrukturer og danner dem til forskellige geometrier til nye enhedsarkitekturer, Jeg tror, ​​det ville være meget effektivt inden for områder, herunder sansning, energilagring, og fotonik."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.