Ny rute til at bygge materialer ud af bittesmå partikler

Forsker Laura Rossi og hendes gruppe ved TU Delft har fundet en ny måde at bygge syntetiske materialer ud af bittesmå glaspartikler - såkaldte kolloider. Sammen med deres kolleger fra Queen's University og University of Amsterdam viste de, at de ganske enkelt kan bruge formen på disse kolloider til at lave interessante byggesten til nye materialer, uanset de kolloide partiklers øvrige egenskaber. "Dette er slående, fordi det åbner op for en helt ny måde at tænke materialedesign på," siger Rossi. Deres arbejde er udgivet i Science Advances denne fredag.

Kolloider er små partikler, nogle få nanometer til et par mikrometer store. De består af en samling molekyler og kan have forskellige egenskaber alt efter hvilket materiale de er lavet af. "Under visse omstændigheder kan kolloider opføre sig som atomer og molekyler, men deres interaktioner er mindre stærke," forklarer Rossi. "Det gør dem til lovende byggesten til nye materialer, for eksempel til interaktive materialer, der kan tilpasse deres egenskaber til deres miljø."

Ny måde at designe materialer på

Hvis de efterlades alene, vil de kubeformede kolloider fra denne undersøgelse, som er lavet af glas, samle sig selv i simple strukturer som forvrængede kubiske og sekskantede gitter. Men i stedet for straks at gå fra byggestenen til den endelige struktur, tog forskerne små grupper af kolloider og kombinerede dem til større byggeklodser. Da de samlede disse klynger af kolloider, endte de med en anden endelig struktur med andre materialeegenskaber end den selvsamlede struktur. "Fra et kemisynspunkt fokuserer vi altid på, hvordan vi kan producere en bestemt type kolloid," siger Rossi. "I denne undersøgelse har vi flyttet vores fokus til:hvordan kan vi bruge de kolloider, der allerede er tilgængelige til at lave interessante byggeklodser?"

Et skridt fremad

Ifølge Rossi og hendes samarbejdspartner Greg van Anders er et af de ultimative mål for deres forskningsmiljø at designe komplekse kolloide strukturer efter behov. "Det, vi fandt her, er meget vigtigt, for for mulige anvendelser er vi nødt til at have procedurer, der kan skaleres op, hvilket er noget, der vil være svært at opnå med de fleste tilgængelige metoder. Den grundlæggende evne til at præ-samle identiske stykker fra forskellige byggeklodser, og få dem til at lave den samme struktur, eller at tage den samme byggeklods og forsamle forskellige stykker, der laver forskellige strukturer, er virkelig de grundlæggende 'skaktræk' for at konstruere komplekse strukturer," tilføjer van Anders.

Selvom Rossi studerer de grundlæggende aspekter snarere end anvendelsen af ​​materialedesign, kan hun forestille sig eventuelle anvendelser for dette specifikke arbejde:"Vi fandt ud af, at tætheden af ​​den struktur, vi forberedte, var meget lavere end densiteten af ​​den struktur, du ville opnå ved at bruge startbyggestenene. Så du kan tænke på stærke, men lette materialer til transport."

Samler sammen

Efter at Rossis team byggede klynger af kolloider i laboratoriet, stolede de på holdet af Greg van Anders fra Queen's University til at bygge den endelige struktur ud af præmonterede klynger med en computersimulering. "Med den slags projekter er det fantastisk at være i stand til at slå sig sammen med andre, der kan køre simuleringer, ikke kun for at forstå, hvad der sker i dybden, men også for at teste, hvor stor chancen for et vellykket laboratorieeksperiment vil være," forklarer Rossi . "Og i dette tilfælde fik vi meget overbevisende resultater om, at vi forstod designprocessen godt, og at det resulterende materiale kan være nyttigt."

Det næste skridt vil være faktisk at bygge den endelige struktur lavet af grupperne af kolloider i laboratoriet. "Efter at have set disse resultater, er jeg overbevist om, at det kan lade sig gøre," siger Rossi. "Det ville være fantastisk at have en fysisk version af dette materiale og holde det i hånden." + Udforsk yderligere

Brug af kolloider til at bygge komplekse strukturer