Undvigende 3D-printede nanopartikler kan føre til nye formskiftende materialer

I nanomaterialer er form skæbne. Det vil sige, at geometrien af ​​partiklen i materialet definerer de fysiske egenskaber af det resulterende materiale.

"En krystal lavet af nano-kuglelejer vil arrangere sig anderledes end en krystal lavet af nano-terninger, og disse arrangementer vil producere meget forskellige fysiske egenskaber," sagde Wendy Gu, en assisterende professor i maskinteknik ved Stanford University, ved at introducere sit seneste papir. som vises i tidsskriftet Nature Communications .

"Vi har brugt en 3D nanoprinting-teknik til at producere en af ​​de mest lovende former, vi kender - arkimediske trunkerede tetraeder. De er tetraedere i mikronskala med spidserne skåret af."

I papiret beskriver Gu og hendes medforfattere, hvordan de nanoprintede titusindvis af disse udfordrende nanopartikler, rørte dem til en opløsning og så så, mens de selv samlede sig til forskellige lovende krystalstrukturer. Mere kritisk kan disse materialer skifte mellem tilstande på få minutter blot ved at omarrangere partiklerne til nye geometriske mønstre.

Denne evne til at ændre "faser", som materialeingeniører henviser til formskiftende kvalitet, ligner den atomare omarrangering, der forvandler jern til hærdet stål, eller i materialer, der tillader computere at gemme terabyte af værdifulde data i digital form.

"Hvis vi kan lære at kontrollere disse faseforskydninger i materialer lavet af disse arkimediske afkortede tetraeder, kan det føre i mange lovende ingeniørretninger," sagde hun.

Uhåndgribeligt bytte

Arkimediske trunkerede tetraeder (ATT'er) har længe været teoretiseret til at være blandt de mest ønskværdige af geometrier til fremstilling af materialer, der nemt kan ændre fase, men indtil for nylig var det udfordrende at fremstille - forudsagt i computersimuleringer, men alligevel vanskelige at reproducere i den virkelige verden.

Gu er hurtig til at påpege, at hendes team ikke er det første, der producerer arkimedeske afkortede tetraeder i nanoskala i mængde, men de er blandt de første, hvis ikke de første, der bruger 3D-nanoprint til at gøre det.

"Med 3D nanoprinting kan vi lave næsten enhver form, vi ønsker. Vi kan kontrollere partikelformen meget omhyggeligt," forklarede Gu. "Denne særlige form er blevet forudsagt af simuleringer til at danne meget interessante strukturer. Når du kan pakke dem sammen på forskellige måder, producerer de værdifulde fysiske egenskaber."

ATT'er danner mindst to meget ønskelige geometriske strukturer. Den første er et sekskantet mønster, hvor tetraedrene hviler fladt på underlaget med deres afkortede spidser pegende opad som en bjergkæde i nanoskala. Det andet er måske endnu mere lovende, sagde Gu.

Det er en krystallinsk kvasi-diamantstruktur, hvor tetraedrene veksler i op- og nedadvendte orienteringer, som æg, der hviler i en æggekarton. Diamantarrangementet betragtes som en "hellig gral" i fotoniksamfundet og kan føre i mange nye og interessante videnskabelige retninger.

Men vigtigst af alt, når de er konstrueret korrekt, kan fremtidige materialer fremstillet af 3D-printede partikler omarrangeres hurtigt, og skifter let frem og tilbage mellem faser med påføring af et magnetfelt, elektrisk strøm, varme eller anden teknisk metode.

Gu sagde, at hun kan forestille sig belægninger til solpaneler, der ændrer sig i løbet af dagen for at maksimere energieffektiviteten, nye tidsalder hydrofobe film til flyvinger og vinduer, der betyder, at de aldrig dugger eller iser op, eller nye typer computerhukommelse. Listen bliver ved og ved.

"Lige nu arbejder vi på at gøre disse partikler magnetiske for at kontrollere, hvordan de opfører sig," sagde Gu om hendes seneste forskning, der allerede er i gang med at bruge arkimedeiske afkortede tetraeder-nanopartikler på nye måder. "Mulighederne begynder først at blive udforsket."

Flere oplysninger: David Doan et al., Direkte observation af faseovergange i trunkerede tetraedriske mikropartikler under kvasi-2D indeslutning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46230-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Stanford University