Omdannelse af selvsamlede arkitekturer til funktionelle materialer

Forestil dig, hvis et materiale ville arrangere sig selv i en form, der passer til dets anvendelse, for eksempel, en katalysator, der maksimerer sit eget overfladeareal for forbedret effektivitet eller en mikroaktuator, der danner vedhæng til at gribe genstande i nærheden. Dette er løftet om selvsamling:at gøre kompleks, funktionelle materialer ved at lade stoffet forme sig selv. Endnu, ikke alt materiale, der selv samles til interessante former, viser sig at have en nyttig funktion i sin endelige form. Forskere fra Self-Organizing Matter-gruppen opdagede for nylig, at ionbytning giver dem mulighed for at adskille selvsamlingsprocessen fra det resulterende materiale. Deres resultater blev offentliggjort i Avancerede materialer den 16. november og fremhævet i Natur og Naturanmeldelser Materialer .

Med deres smukke og indviklede former, nanokompositterne undersøgt af gruppen Self-Organizing Matter ser ret bemærkelsesværdige ud (se illustration). Endnu, Ph.D. eleverne Hans Hendrikse og Arno van der Weijden ville mere end smukke strukturer og havde lyst til også at udnytte nanokompositternes funktionalitet. Opmuntret af formbarheden og det strukturelle layout af deres nanokompositter, de begyndte at undersøge mulighederne sammen med forskere fra University of Amsterdam, ARNCL, Leiden University og Virginia Tech.

Forskerholdet startede med nanokompositter, der bestod af bariumcarbonat (BaCO ₃ ) nanokrystaller indlejret i en silica (SiO ₂ ) matrix og omdannede disse til cadmiumsulfid (CdS). Først, de etablerede en rute til reproducerbart at omdanne nanokompositterne til dette endelige materiale, mens man undersøger nanokompositternes egenskaber under ionbytning. Gennem analyse med elektronmikroskopi og røntgendiffraktion lærte holdet noget fascinerende:BaCO'ens lille størrelse ₃ nanokrystaller gjorde dem usædvanligt modtagelige for ionbytningsreaktioner, mens det omgivende SiO ₂ matrix gav mekanisk stabilitet for at bevare den originale nanokomposits form under konvertering. Hans Hendrikse siger:"det er næsten, som om vi udskifter nogle af murstenene i et hus, mens vi holder den overordnede struktur intakt."

Baseret på disse indsigter, at udvide udvalget af materialer var ligetil, og der blev udviklet nye ruter for at ændre nanokomposittens sammensætning til forskellige cadmium, jern, nikkel- og mangansalte. I øvrigt, den originale nanokomposit kan formes i et stort udvalg af forudbestemte former. Alle disse former kan konverteres til en hvilken som helst af de ovennævnte sammensætninger. Så det er ikke kun muligt at konvertere nanokompositter, der er også en række forskellige materialer og former at vælge imellem.

Endelig, holdet undersøgte de potentielle anvendelser af denne nye tilgang. For eksempel, de opdagede, at de nikkelholdige nanokompositter kan bruges som katalysatorer til tørreformprocessen, som overgår traditionelle katalysatorer ved lave temperaturer. Desuden, holdet syntetiserede formstyret magnetit (Fe ₃ O ₄ ) nanokompositter, der kan flyttes og omorienteres ved hjælp af deres magnetiske egenskaber. Endelig, de skabte e-beam aktiverede mikroskopiske aktuatorer ved at udnytte fleksibilitet introduceret under en af ​​ionbytningsreaktionerne i forbindelse med silicamatrixens krympende egenskaber. Kort sagt, de opdagede formbevarende ionbytningsreaktioner, der åbner nye veje mod selvsamlede materialer med forskellige nye, funktionelle egenskaber.