Playdough en Lego behoren tot de meest populaire bouwstenen voor kinderen. Maar wat zou je kunnen gebruiken als je iets heel kleins wilde creëren - een structuur die kleiner is dan de breedte van een mensenhaar?

Het blijkt, een team van chemici heeft gevonden, dit kan worden bereikt door deeltjes te maken die zowel speeldeeg- als Lego-kenmerken hebben.

Deze "fragmentarische deeltjes, " beschreven in het laatste nummer van het tijdschrift Natuur , zijn 1/200ste van de breedte van een mensenhaar en kunnen eindeloze architecturen vormen uit een handvol basisstukken. En in tegenstelling tot hun grotere tegenhangers, deze deeltjes kunnen zichzelf assembleren.

"Stel je voor dat je een kasteel wilt bouwen, maar in plaats van de stenen met de hand te plukken en ze geduldig één voor één te verbinden, je schudt gewoon de doos met stukken zodat ze op magische wijze met elkaar verbonden worden om een ​​volledig kasteel te vormen, " zegt Stefano Sacanna, een assistent-professor aan de New York University Department of Chemistry en een van de makers. "Deze slimme deeltjes zijn een belangrijke stap voorwaarts voor de realisatie van zelf-assemblerende nieuwe materialen en micromachines."

Dit proces - zelfassemblage van vooraf bepaalde micro-architecturen - is vergelijkbaar met de manier waarop atomaire kristallen zichzelf assembleren uit een specifiek mengsel van atomaire bouwstenen.

"In de natuur, uiterst nauwkeurige architecturen, zoals kristallen, naadloos groeien uit willekeurige soepen van atomen, " legt Sacanna uit. "Door soortgelijke principes te gebruiken, we kunnen uiterst nauwkeurige micro-architectuur fabriceren zonder menselijke tussenkomst."

"Colloïdale zelfassemblage heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in 3D-printen, " voegt hij eraan toe. "Dit kan worden bereikt door niet alleen de afmetingen van de gedrukte architecturen verder te verkleinen, maar ook door ons functionele architecturen te laten 'printen'. Stel dat u een modelauto wilt printen met colloïdale zelfmontage, je zou een auto kunnen printen die een fractie van een millimeter is en die op een dag echt zou kunnen rijden!"

Voor wetenschappers, echter, miniaturisering vormt momenteel een enorme uitdaging.

De directe manipulatie van "bouwstenen" die 10 of zelfs 100 keer kleiner zijn dan een menselijke cel is moeilijk. Een efficiëntere aanpak is om te repliceren wat Sacanna de 'productietechnologie' van de natuur noemt:zelfassemblage. Dit, echter, vereist het vermogen om bouwstenen te ontwerpen en te vervaardigen die weten wat ze moeten doen en waar ze heen moeten.

De technologie die in het laboratorium van Sacanna is ontwikkeld, maakt het mogelijk om dergelijke microscopisch kleine bouwstenen te maken en hen een instructiehandleiding aan boord te geven die hen vertelt hoe ze verbinding kunnen maken met naburige deeltjes.

"Deze deeltjes zullen ons helpen de zelfassemblerende mechanismen te begrijpen - en na te bootsen - die de natuur gebruikt om complexiteit en functionaliteiten te genereren uit eenvoudige bouwstenen, " hij zegt.

Sacanna en zijn collega Gi-Ra Yi, een professor aan de School of Chemical Engineering aan de Sungkyunkwan University (SKKU) in Suwon, Zuid-Korea, samen met NYU-afgestudeerde studenten Zhe Gong en Theodore Hueckel, creëerde deze fragmentarische deeltjes via een nieuwe synthetische methode genaamd "colloïdale fusie, " wat niet anders is dan hoe verschillende stukken speeldeeg aan elkaar worden geknutseld.

Terwijl playdough verschillende kleuren klei samenknijpt, colloïdale fusie combineert verschillende chemische functionaliteiten om multifunctionele - in tegenstelling tot veelkleurige - deeltjes te creëren die ook instructies voor zelfassemblage bevatten. Dit proces wordt bereikt door software in te zetten, genaamd "Surface Evolver", een simulatiepakket dat vergelijkbaar is met de software-ingenieurs die worden gebruikt om gebouwen te ontwerpen.

"Met de software kunnen we voorspellen hoe een eerste cluster zal evolueren wanneer het wordt 'geperst' en hoe het resulterende multifunctionele fragmentarische deeltje eruit zal zien, " merkt Sacanna op.