MIT-ingenieurs hebben de principes van zelfassemblage en 3D-printen verenigd met behulp van een nieuwe techniek, die ze vandaag uitlichten in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Door hun direct-write colloïdaal assemblageproces, de onderzoekers kunnen centimeterhoge kristallen bouwen, elk gemaakt van miljarden individuele colloïden, gedefinieerd als deeltjes met een diameter tussen 1 nanometer en 1 micrometer.

"Als je elk deeltje opblaast tot de grootte van een voetbal, het zou zijn als het stapelen van een heleboel voetballen om iets zo groot als een wolkenkrabber te maken, " zegt co-auteur van de studie Alvin Tan, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Materials Science and Engineering. "Dat is wat we doen op nanoschaal."

De onderzoekers vonden een manier om colloïden zoals polymeer nanodeeltjes in zeer geordende opstellingen te printen, vergelijkbaar met de atomaire structuren in kristallen. Ze printten verschillende structuren, zoals kleine torens en helices, die op specifieke manieren met licht interageren, afhankelijk van de grootte van de individuele deeltjes in elke structuur.

Het team ziet de 3D-printtechniek als een nieuwe manier om zelf-geassembleerde materialen te bouwen die gebruikmaken van de nieuwe eigenschappen van nanokristallen, op grotere schaal, zoals optische sensoren, kleurendisplays, en lichtgeleide elektronica.

"Als je een circuit zou kunnen 3D printen dat fotonen manipuleert in plaats van elektronen, die de weg zouden kunnen effenen voor toekomstige toepassingen in op licht gebaseerde computers, die licht manipuleren in plaats van elektriciteit, zodat apparaten sneller en energiezuiniger kunnen zijn, "zegt Tan.

Tan's co-auteurs zijn afgestudeerde student Justin Beroz, universitair docent werktuigbouwkunde Mathias Kolle, en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde A. John Hart.

Uit de mist

Colloïden zijn alle grote moleculen of kleine deeltjes, meestal met een diameter tussen 1 nanometer en 1 micrometer, die zijn gesuspendeerd in een vloeistof of gas. Bekende voorbeelden van colloïden zijn mist, die bestaat uit roet en andere ultrafijne deeltjes verspreid in de lucht, en slagroom, dat is een suspensie van luchtbellen in zware room. De deeltjes in deze alledaagse colloïden zijn volledig willekeurig qua grootte en de manier waarop ze door de oplossing worden verspreid.

Als colloïdale deeltjes van uniforme grootte samen worden gedreven door verdamping van hun vloeibare oplosmiddel, waardoor ze assembleren tot geordende kristallen, het is mogelijk om structuren te creëren die, Als geheel, unieke optische, chemisch, en mechanische eigenschappen. Deze kristallen kunnen eigenschappen vertonen die vergelijkbaar zijn met interessante structuren in de natuur, zoals de iriserende cellen in vlindervleugels, en de microscopische, skeletvezels in zeesponzen.

Tot dusver, wetenschappers hebben technieken ontwikkeld om colloïdale deeltjes te verdampen en samen te voegen tot dunne films om displays te vormen die licht filteren en kleuren creëren op basis van de grootte en rangschikking van de individuele deeltjes. Maar tot nu toe, dergelijke colloïdale assemblages zijn beperkt tot dunne films en andere vlakke structuren.

"Voor de eerste keer, we hebben aangetoond dat het mogelijk is om zelf-geassembleerde colloïdale materialen op macroschaal te bouwen, en we verwachten dat deze techniek elke 3D-vorm kan bouwen, en worden toegepast op een ongelooflijke verscheidenheid aan materialen, " zegt Hart, de senior auteur van het artikel.

Een deeltjesbrug bouwen

De onderzoekers creëerden kleine driedimensionale torens van colloïdale deeltjes met behulp van een op maat gemaakt 3D-printapparaat bestaande uit een glazen spuit en naald, gemonteerd boven twee verwarmde aluminium platen. De naald gaat door een gat in de bovenplaat en geeft een colloïde oplossing af op een substraat dat aan de onderplaat is bevestigd.

Het team verwarmt beide aluminiumplaten gelijkmatig, zodat wanneer de naald de colloïde-oplossing afgeeft, de vloeistof verdampt langzaam, waardoor alleen de deeltjes overblijven. De bodemplaat kan op en neer worden gedraaid en bewogen om de vorm van de algemene structuur te manipuleren, vergelijkbaar met hoe u een kom onder een softijsdispenser zou kunnen verplaatsen om wendingen of wervelingen te creëren.

Beroz zegt dat als de colloïde oplossing door de naald wordt geduwd, de vloeistof werkt als een brug, of schimmel, voor de deeltjes in de oplossing. De deeltjes "regenen" door de vloeistof, het vormen van een structuur in de vorm van de vloeistofstroom. Nadat de vloeistof is verdampt, oppervlaktespanning tussen de deeltjes houdt ze op hun plaats, in een geordende configuratie.

Als eerste demonstratie van hun colloïddruktechniek, het team werkte met oplossingen van polystyreendeeltjes in water, en creëerde centimeter hoge torens en helices. Elk van deze structuren bevat 3 miljard deeltjes. In latere proeven, ze testten oplossingen met polystyreendeeltjes van verschillende groottes en konden torens printen die specifieke kleuren weerspiegelden, afhankelijk van de grootte van de afzonderlijke deeltjes.

"Door de grootte van deze deeltjes te veranderen, je verandert de kleur van de structuur drastisch, "Zegt Beroz. "Het komt door de manier waarop de deeltjes worden geassembleerd, in deze periodiek geordende manier, en de interferentie van licht als het interageert met deeltjes op deze schaal. We zijn in wezen 3D-printende kristallen."

Het team experimenteerde ook met meer exotische colloïdale deeltjes, namelijk silica en gouden nanodeeltjes, die unieke optische en elektronische eigenschappen kan vertonen. Ze printten millimeterhoge torens gemaakt van silica nanodeeltjes met een diameter van 200 nanometer. en 80 nanometer gouden nanodeeltjes, die elk licht op verschillende manieren weerkaatsten.

"Er zijn veel dingen die je kunt doen met verschillende soorten deeltjes, variërend van geleidende metaaldeeltjes tot halfgeleidende kwantumdots, waar we naar kijken, Tan zegt. "Door ze te combineren tot verschillende kristalstructuren en ze te vormen tot verschillende geometrieën voor nieuwe apparaatarchitecturen, Ik denk dat dat zeer effectief zou zijn op gebieden als detectie, energie opslag, en fotonica."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.