Forskere designer 3D-dyrket materiale, der kan fremskynde produktionen af ​​nye teknologier til smarte bygninger og robotteknologi

Krystallisering er en af ​​de mest fundamentale processer, der findes i naturen - og det er det, der giver mineraler, ædelstene, metaller, og endda proteiner deres struktur.

I de sidste par årtier, videnskabsmænd har forsøgt at afdække, hvordan naturlige krystaller selv samles og vokser – og deres banebrydende arbejde har ført til nogle spændende nye teknologier – fra kvanteprikkerne bag farverige QLED TV-skærme, til peptoider, en protein-efterligning, der har inspireret snesevis af bioteknologiske gennembrud.

Nu, et forskerhold ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley har udviklet en nanopartikelkomposit, der vokser til 3-D krystaller. Forskerne siger, at det nye materiale - som de kalder en 3D PGNP (polymer-podet nanopartikel) krystal i deres nyligt offentliggjorte Naturkommunikation undersøgelse - kunne føre til nye teknologier, der er 3D-dyrket frem for 3D-printede.

"Vi har demonstreret en ny håndtag at dreje, så at sige, at dyrke et krystallinsk materiale til et komposit- eller struktureret materiale til anvendelser lige fra nanoskala fotonik til smarte bygninger til aktuatorer til robotteknologi, " sagde Ting Xu, seniorforfatter af undersøgelsen. Xu er seniorforsker på fakultetet i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i kemi og materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley.

Xu sagde, at deres nye metode er kompatibel med kravene til masseproduktion. "Mange kloge hoveder har designet elegante kemier, såsom DNA'er og supramolekyler, at krystallisere nanopartikler. Vores system er i bund og grund en blanding af nanopartikler og polymerer - som ligner de ingredienser, folk bruger til at lave flyvinger eller kofangere til biler. Men hvad der er endnu mere interessant er, at vi ikke forventede, at vores metode var så enkel og så hurtig, " sagde Xu.

En tilfældig opdagelse

Hovedforfatter Yiwen Qian, en ph.d. studerende forsker i Xu Group ved UC Berkeley, opdagede 3D PGNP nanokrystallerne ved et tilfælde i et almindeligt laboratorieeksperiment.

Et par dage før, hun havde efterladt en opløsning af toluenopløsningsmiddel og guldnanopartikler podet med polystyren (Au-PS) i et centrifugerør på en laboratorietæller. Da hun så på prøven under et transmissionselektronmikroskop (TEM), hun lagde mærke til noget mærkeligt. "Nanopartikler var krystalliseret hurtigt. Det var ikke en normal ting at forvente, " hun sagde.

At undersøge, Xu samarbejdede med Peter Ercius, en stabsforsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, og Wolfgang Theis og Alessandra DaSilva fra University of Birmingham, som alle er bredt anset for deres ekspertise inden for STEM (scanning transmission elektronmikroskopi) tomografi, en elektronmikroskopiteknik, der bruger en stærkt fokuseret elektronstråle til at rekonstruere billeder af et materiales 3D-struktur i høj opløsning.

Ved hjælp af mikroskoper på Molecular Foundry, en verdensførende brugerfacilitet inden for STEM-tomografi, forskerne fangede først krystallinske 3D-mønstre af Au-PS nanopartiklerne.

På jagt efter flere spor, Xu og Qian indsatte derefter kernemagnetisk resonansspektroskopi ved UC Berkeley, hvor de opdagede, at et lille spor af polyolefinmolekyler fra centrifugerørets foring på en eller anden måde var kommet ind i blandingen. polyolefiner, som omfatter polyethylen og polypropylen, er noget af det mest allestedsnærværende plast i verden.

Qian gentog eksperimentet, tilføje mere polyolefin til Au-PS-løsningen - og denne gang, de fik større 3D PGNP-krystaller inden for få minutter.

Xu var overrasket. "Jeg troede, 'Det her burde ikke ske så hurtigt, '" huskede hun. "Krystaller af nanopartikler tager normalt dage om at vokse i laboratoriet."

En velsignelse for industrien:dyrkning af materialer på nanoniveau

Efterfølgende eksperimenter viste, at da toluenopløsningsmidlet hurtigt fordamper ved stuetemperatur, polyolefinadditivet hjælper Au-PS nanopartikler med at danne 3D PGNP krystaller, og at "vokse ind i deres foretrukne krystalstruktur, " sagde Qian.

I et andet nøgleeksperiment, forskerne designet en selvsamlende 100-200 nanometer krystallinsk skive, der ligner bunden af ​​en pyramide. Fra denne fantastiske demonstration af beherskelse af stof på nanoniveau, forskerne lærte, at størrelsen og formen af ​​3D PGNP-krystallerne er drevet af polyolefinernes kinetiske energi, når de præcipiterer i opløsningen.

Alt i alt, disse resultater "giver en model til at vise, hvordan du kan kontrollere krystalstrukturen på enkeltpartikelniveau, " Xu sagde, tilføjer, at deres opdagelse er spændende, fordi det giver ny indsigt i, hvordan krystaller dannes i de tidlige stadier af kernedannelse.

"Og det er udfordrende at gøre, fordi det er svært at få atomer til at sidde ved siden af ​​hinanden, " sagde Ercius.

Den nye tilgang kan give forskere hidtil uset kontrol med at finjustere elektroniske og optiske enheder på nanoniveau (milliarddele af en meter), sagde Xu. Sådan præcision i nanopartikelskala, tilføjede hun, kunne fremskynde produktionen og eliminere fejl i fremstillingen.

Ser frem til, Qian vil gerne bruge deres nye teknik til at undersøge sejheden af ​​forskellige krystalstrukturer - og måske endda lave en sekskantet krystal.

Xu planlægger at bruge deres teknik til at vokse større enheder såsom en transistor eller måske 3D-print nanopartikler fra en blanding af materialer.

"Hvad kan man gøre med forskellige morfologier? Vi har vist, at det er muligt at generere en enkeltkomponent komposit ud fra et mineral og en polymer. Det er virkelig spændende. Nogle gange skal man bare være på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt, " sagde Xu.

Medforfattere på papiret omfatter Alessandra da Silva og Wolfgang Theis ved University of Birmingham i Det Forenede Kongerige; Emmy Yu, en bachelorstuderende forsker i Xu-gruppen ved UC Berkeley; og Christopher L. Anderson og Yi Liu ved Berkeley Lab's Molecular Foundry.