In een ontwerp dat een moeilijk te dupliceren textuur van zeesterrenschelpen nabootst, Ingenieurs van de Universiteit van Michigan hebben ronde kristallen gemaakt die geen facetten hebben.

"We noemen ze nanolobben. Ze zien eruit als kleine heteluchtballonnen die van het oppervlak opstijgen, " zei Olga Shalev, een doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek die aan het project werkte.

Zowel de vorm van de nanolobben als de manier waarop ze zijn gemaakt, hebben veelbelovende toepassingen, zeggen de onderzoekers. De geometrie kan mogelijk nuttig zijn om licht in geavanceerde LED's te geleiden, zonnecellen en niet-reflecterende oppervlakken.

Een laag kan een materiaal helpen om water of vuil af te weren. En het proces dat wordt gebruikt om ze te vervaardigen - organische dampstraaldruk - zou zich kunnen lenen voor het 3D-printen van medicijnen die beter in het lichaam worden opgenomen en gepersonaliseerde dosering mogelijk maken.

De vormen op nanoschaal zijn gemaakt van boorsubftalocyaninechloride, een materiaal dat vaak wordt gebruikt in organische zonnecellen. Het zit in een familie van kleine moleculaire verbindingen die de neiging hebben om platte films of gefacetteerde kristallen met scherpe randen te maken. zegt Max Shtein, U-M universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, macromoleculaire wetenschap en techniek, chemische technologie, en kunst en design.

"In mijn jaren van werken met dit soort materialen, Ik heb nog nooit vormen gezien die er zo uitzagen. Ze doen denken aan wat je krijgt van biologische processen, "Shtein zei. "De natuur kan soms kristallen produceren die glad zijn, maar ingenieurs hebben het niet betrouwbaar kunnen doen."

Echinoderm-zeedieren zoals slangsterren hebben ronde structuren op hun lichaam besteld die als lenzen werken om licht in hun rudimentaire ogen te verzamelen. Maar in een laboratorium kristallen die zijn samengesteld uit dezelfde mineralen hebben de neiging om ofwel gefacetteerd te zijn met platte vlakken en scherpe hoeken, of glad, maar zonder moleculaire orde.

De U-M-onderzoekers maakten enkele jaren geleden per ongeluk de gekromde kristallen. Sindsdien hebben ze hun stappen gevolgd en bedacht hoe ze het expres moesten doen.

In 2010, Shaurjo Biswas, vervolgens een doctoraatsstudent aan de U-M, maakte zonnecellen met de organische dampstraalprinter. Hij was de machine aan het herkalibreren nadat hij tussen materialen had gewisseld. Onderdeel van het herijkingsproces is het onder de loep nemen van de verse materiaallagen, van films, gedrukt op een plaat.

Biswas maakte röntgenfoto's van verschillende films van verschillende diktes om de kristalstructuur te observeren. Hij merkte op dat het boor-subftalocyaninechloride, die typisch geen geordende vormen vormt, begon dit te doen zodra de film dikker werd dan 600 nanometer. Hij maakte wat dikkere films om te zien wat er zou gebeuren.

"Aanvankelijk, we vroegen ons af of ons apparaat goed functioneerde, ' zei Shtein.

Met een dikte van 800 nanometer, het herhalende nanolobpatroon kwam elke keer naar voren.

Voor een lange tijd, de klodders waren curiositeiten in het laboratorium. Onderzoekers waren gefocust op andere dingen. Toen raakte promovendus Shalev erbij betrokken. Ze was gefascineerd door de structuren en wilde de reden van het fenomeen begrijpen. Ze herhaalde de experimenten in een aangepast apparaat dat meer controle gaf over de omstandigheden om ze systematisch te variëren.

Shalev werkte samen met natuurkundeprofessor Roy Clarke om een ​​beter begrip te krijgen van de kristallisatie, en professor werktuigbouwkunde Wei Lu om de evolutie van het oppervlak te simuleren. Ze is de eerste auteur van een paper over de bevindingen gepubliceerd in de huidige editie van Natuurcommunicatie .

"Zo ver we weten, geen enkele andere technologie kan dit, ' zei Shalev.

Het organische dampstraaldrukproces dat de onderzoekers gebruiken, is een techniek die Shtein hielp ontwikkelen toen hij op de graduate school zat. Hij beschrijft het als spuiten, maar met een gas in plaats van met een vloeistof. Het is goedkoper en gemakkelijker te doen voor bepaalde toepassingen dan concurrerende benaderingen waarbij stencils worden gebruikt of alleen in een vacuüm kan worden gedaan, zegt Shtein. Hij is vooral hoopvol over de vooruitzichten voor deze techniek om opkomende 3D-geprinte farmaceutische concepten vooruit te helpen.

Bijvoorbeeld, Shtein en Shalev geloven dat deze methode een nauwkeurige manier biedt om de grootte en vorm van de medicijndeeltjes te regelen, voor een betere opname in het lichaam. Het kan er ook voor zorgen dat medicijnen direct aan andere materialen kunnen worden gehecht en er zijn geen oplosmiddelen nodig die onzuiverheden kunnen introduceren.