(Phys.org) -- Onderzoekers van het MIT en de University of Central Florida (UCF) hebben een veelzijdige nieuwe fabricagetechniek ontwikkeld voor het maken van grote hoeveelheden uniforme bollen van een grote verscheidenheid aan materialen - een techniek die ongekende controle mogelijk maakt over het ontwerp van individueel, microscopisch kleine deeltjes. de deeltjes, inclusief complexe, gevormde bollen, zou kunnen worden gebruikt in alles, van biomedisch onderzoek en medicijnafgifte tot elektronica en materiaalverwerking.

De methode is een uitvloeisel van een techniek om lange, dunne vezels uit meerdere materialen, ontwikkeld in de afgelopen jaren bij MIT door leden van hetzelfde. Het nieuwe werk, meldde deze week in het journaal Natuur , begint met het maken van dunne vezels met behulp van deze eerdere methode, maar voegt dan een extra stap toe om de vezels te verwarmen om een ​​lijn van kleine bolletjes - zoals een parelsnoer - in deze vezels te creëren.

Conventionele fabricage van microscopisch kleine bolvormige deeltjes maakt gebruik van een "bottom-up" benadering, de bollen laten groeien uit nog kleinere "zaadjes" - een benadering die alleen in staat is om zeer kleine deeltjes te produceren. Deze nieuwe “top-down” methode, echter, kan bollen produceren zo klein als 20 nanometer (ongeveer de grootte van de kleinste bekende virussen) of zo groot als twee millimeter (ongeveer de grootte van een speldenknop), wat betekent dat de grootste deeltjes 100 zijn, 000 keer groter dan de kleinste. Maar voor een bepaalde batch, de grootte van de geproduceerde bollen kan extreem uniform zijn - veel meer dan mogelijk is met de bottom-upbenadering.

Yoel Fink, een professor in materiaalkunde en directeur van MIT's Research Laboratory of Electronics, wiens groep de eerdere methode ontwikkelde om multimateriaalvezels te produceren, legt uit dat de nieuwe methode ook multi-materiële bollen kan produceren die uit verschillende lagen of segmenten bestaan. Er zijn nog complexere structuren mogelijk, hij zegt, biedt ongekende controle over de architectuur en samenstelling van deeltjes.

Het meest waarschijnlijke gebruik op korte termijn van het nieuwe proces zou zijn voor biomedische toepassingen, zegt Ayman Abouraddy, een voormalige postdoc in het laboratorium van Fink die nu een assistent-professor is aan het UCF's College of Optics and Photonics. “Typische toepassingen van nanodeeltjes zijn tegenwoordig voor gecontroleerde medicijnafgifte, ' zegt hij. Maar met dit nieuwe proces, twee of meer verschillende medicijnen - zelfs degenen die gewoonlijk onverenigbaar zijn - kunnen worden gecombineerd in afzonderlijke deeltjes, en pas vrijgelaten als ze hun beoogde bestemming in het lichaam hebben bereikt.

Er kunnen zich later meer exotische mogelijkheden voordoen, Abouraddy voegt toe, inclusief nieuwe "metamaterialen" met geavanceerde optische eigenschappen die voorheen onbereikbaar waren.

Het basisproces omvat het maken van een grote polymeercilinder, een "voorvorm, ” met een interne halfgeleidercilinderkern die een exact opgeschaald model is van de uiteindelijke vezelstructuur; deze voorvorm wordt vervolgens verwarmd tot hij zacht genoeg is om in een dunne vezel te worden getrokken, zoals toffee. De interne structuur van de vezel, gemaakt van materialen die allemaal zacht worden bij dezelfde temperatuur, behoudt de interne configuratie van de originele cilinder.

De vezel wordt dan verder verhit zodat de halfgeleidende kern een vloeistof vormt, het produceren van een reeks discrete bolvormige druppeltjes in de anders continue vezel. Ditzelfde fenomeen zorgt ervoor dat een afnemende stroom water uit een kraan uiteindelijk uiteenvalt in een stroom druppels, beroemd vastgelegd door MIT's Harold "Doc" Edgerton in zijn stroboscopische beelden.

Abouraddy zegt dat tijdens een bezoek aan oude tempels in zijn geboorteland Egypte, hij vond een inscriptie waaruit blijkt dat zelfs lang geleden, mensen waren zich bewust van deze degradatie van een stroom water in druppels - veroorzaakt door een proces dat nu bekend staat als Rayleigh-instabiliteit.

In het nieuwe fabricageproces dat is ontwikkeld door het team van Abouraddy en Fink, deze druppeltjes "bevriezen" op hun plaats terwijl de vezel stolt; de polymeermantel van de voorvorm houdt ze vervolgens op hun plaats totdat deze later wordt opgelost. Dit overwint een ander probleem met de traditionele productie van nanodeeltjes:hun neiging om samen te klonteren.

In principe, Abouraddy zegt, de ontdekking van dit proces voor het vormen van deeltjes had vele jaren geleden kunnen komen. Maar zelfs nadat theoretici hadden voorspeld dat dergelijke instabiliteiten zouden kunnen ontstaan ​​tijdens het trekken van vezels, de nieuwe ontdekking kwam per ongeluk:Joshua Kaufman, een leerling van Abouraddy, probeerde vezels te produceren, maar zijn experiment "mislukte" toen de vezel steeds in druppeltjes uiteenviel.

Abouraddy, die op de hoogte waren van de theoretische mogelijkheid, herkende onmiddellijk dat deze "mislukking" eigenlijk een belangrijke ontdekking was - een ontdekking die eerdere pogingen was ontgaan, simpelweg omdat het proces een nauwkeurige combinatie van timing vereist, temperatuur en materialen. Kaufman is de hoofdauteur van de Nature-paper.

"Het vermogen om de vluchtige vloeistofinstabiliteit in een vezel te benutten en te beheersen, heeft ingrijpende gevolgen voor toekomstige apparaten, ’ zegt Fink, en kan leiden tot een breed scala aan toepassingen. Hoewel de groep de productie van "strandbal"-deeltjes met zes segmenten heeft aangetoond, in principe veel complexere structuren, gemaakt van verschillende materialen, moet ook mogelijk zijn hij zegt. Elk materiaal dat in een vezel kan worden getrokken, kan nu, in principe, tot een klein deeltje worden gemaakt.

Het werk werd ondersteund door de National Science Foundation, het Air Force Office of Scientific Research en het Army Research Office via MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies.