Poreuze deeltjes van calcium en silicaat tonen potentieel als bouwstenen voor tal van toepassingen zoals zelfherstellende materialen, botweefseltechniek, medicijnafgifte, isolatie, keramiek en bouwmaterialen, volgens ingenieurs van Rice University die besloten om te zien hoe goed ze presteren op nanoschaal.

In navolging van eerder werk aan zelfherstellende materialen met behulp van poreuze bouwstenen, Rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en afgestudeerde student Sung Hoon Hwang maakten een breed scala aan poreuze deeltjes tussen 150 en 550 nanometer in diameter - duizenden keren kleiner dan de dikte van een vel papier - met poriën ongeveer de breedte van een DNA-streng.

Vervolgens assembleerden ze de deeltjes tot platen en pellets van micron om te zien hoe goed de arrays standhielden onder druk van een nano-indenter, die de hardheid van een materiaal test.

De resultaten van meer dan 900 tests, meldde deze maand in de American Chemical Society's ACS toegepaste materialen en interfaces , toonde aan dat grotere individuele nanodeeltjes 120 procent sterker waren dan kleinere.

Dit, Shahsavari zei, was duidelijk bewijs van een intrinsiek grootte-effect waarbij deeltjes tussen 300 en 500 nanometer van bros naar taai gingen, of buigzaam, ook al hadden ze allemaal dezelfde kleine poriën van 2 tot 4 nanometer. Maar ze waren verrast toen ze ontdekten dat wanneer dezelfde grote deeltjes werden gestapeld, het grootte-effect werd niet volledig overgedragen naar de grotere structuren.

De onthulde principes zouden belangrijk moeten zijn voor wetenschappers en ingenieurs die nanodeeltjes bestuderen als bouwstenen in allerlei soorten bottom-up fabricage.

"Met poreuze bouwstenen, het controleren van het verband tussen porositeit, deeltjesgrootte en mechanische eigenschappen is essentieel voor de integriteit van het systeem voor elke toepassing, " zei Shahsavari. "In dit werk, we ontdekten dat er een brosse-naar-ductiele overgang is bij het vergroten van de deeltjesgrootte terwijl de poriegrootte constant wordt gehouden.

"Dit betekent dat grotere submicron calciumsilicaatdeeltjes taaier en flexibeler zijn in vergelijking met kleinere, waardoor ze beter bestand zijn tegen schade, " hij zei.

Het laboratorium testte zelf-geassembleerde arrays van de kleine bollen, evenals arrays die waren verdicht onder het equivalent van 5 ton in een cilindrische pers.

Vier formaten bollen mochten zelf assembleren tot films. Toen deze werden onderworpen aan nano-indentatie, de onderzoekers ontdekten dat het intrinsieke grootte-effect grotendeels verdween omdat de films een variabele stijfheid vertoonden. Waar het dun was, de zwak gebonden deeltjes maakten eenvoudig plaats voor het indenter om door te zinken naar het glassubstraat. Waar het dik was, de film barstte.

"We hebben waargenomen dat de stijfheid toeneemt als een functie van de uitgeoefende inkepingskrachten, omdat naarmate de maximale kracht toeneemt, het leidt tot een grotere verdichting van de deeltjes onder belasting, Shahsavari zei. "Tegen de tijd dat de piekbelasting is bereikt, de deeltjes zijn behoorlijk dicht op elkaar gepakt en beginnen zich collectief te gedragen als een enkele film."

Pellets gemaakt van samengeperste nanobolletjes van verschillende diameters vervormden onder druk van de nano-indenter, maar vertoonden geen bewijs dat ze taaier werden onder druk, meldden ze.

"Als volgende stap we zijn geïnteresseerd in het fabriceren van zelf-geassembleerde suprastructuren met afstembare deeltjesgrootte die hun beoogde functionaliteiten beter mogelijk maken, zoals laden en lossen met prikkelgevoelige kitten, terwijl het de beste mechanische integriteit biedt, ' zei Shahsavari.