Stel je voor dat een materiaal zichzelf zou rangschikken in een vorm die geschikt is voor zijn toepassing, bijvoorbeeld, een katalysator die zijn eigen oppervlak maximaliseert voor verbeterde efficiëntie of een micro-actuator die aanhangsels vormt om nabije objecten te grijpen. Dit is de belofte van zelfassemblage:complexe, functionele materialen door de materie zichzelf te laten vormen. Nog, niet alle materie die zichzelf assembleert tot interessante vormen blijkt een nuttige functie te hebben in zijn uiteindelijke vorm. Onderzoekers van de Self-Organizing Matter-groep ontdekten onlangs dat ze door ionenuitwisseling het zelfassemblageproces kunnen scheiden van het resulterende materiaal. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 16 november en gemarkeerd in Natuur en Materialen voor natuurrecensies .

Met hun mooie en ingewikkelde vormen, de nanocomposieten die door de Self-Organizing Matter-groep zijn bestudeerd, zien er opmerkelijk uit (zie afbeelding). Nog, doctoraat studenten Hans Hendrikse en Arno van der Weijden wilden meer dan mooie structuren en kriebelen om ook de functionaliteit van de nanocomposieten te benutten. Aangemoedigd door de vormbaarheid en structurele lay-out van hun nanocomposieten, samen met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam gingen ze de mogelijkheden onderzoeken, ARNCL, Universiteit Leiden en Virginia Tech.

Het onderzoeksteam begon met nanocomposieten die bestonden uit bariumcarbonaat (BaCO ₃ ) nanokristallen ingebed in een silica (SiO ₂ ) matrix en zette deze om in cadmiumsulfide (CdS). Eerst, ze hebben een route vastgesteld om de nanocomposieten reproduceerbaar om te zetten in dit uiteindelijke materiaal, tijdens het onderzoeken van de eigenschappen van de nanocomposieten tijdens ionenuitwisseling. Door analyse met elektronenmicroscopie en röntgendiffractie leerde het team iets fascinerends:de kleine omvang van de BaCO ₃ nanokristallen maakten ze uitzonderlijk gevoelig voor ionenuitwisselingsreacties, terwijl de omringende SiO ₂ matrix zorgde voor mechanische stabiliteit om de vorm van het oorspronkelijke nanocomposiet tijdens de conversie te behouden. Hans Hendrikse zegt, "het is bijna alsof we een deel van de stenen van een huis vervangen terwijl de algehele structuur intact blijft."

Op basis van deze inzichten, het uitbreiden van de materiaalkeuze was eenvoudig en er werden nieuwe routes ontwikkeld om de samenstelling van het nanocomposiet te veranderen in verschillende soorten cadmium, ijzer, nikkel- en mangaanzouten. Bovendien, het originele nanocomposiet kan worden gevormd in een grote selectie van vooraf bepaalde vormen. Al deze vormen kunnen worden omgezet in een van de bovengenoemde composities. Het is dus niet alleen mogelijk om nanocomposieten om te zetten, er is ook een verscheidenheid aan materialen en vormen om uitwisselbaar uit te kiezen.

Eindelijk, het team onderzocht de mogelijke toepassingen van deze nieuwe aanpak. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat de nikkelhoudende nanocomposieten kunnen worden gebruikt als katalysatoren voor het droge-reformingsproces, die beter presteert dan traditionele katalysatoren bij lage temperaturen. Verder, het team synthetiseerde vormgestuurd magnetiet (Fe ₃ O ₄ ) nanocomposieten die kunnen worden verplaatst en geheroriënteerd met behulp van hun magnetische eigenschappen. Eindelijk, ze creëerden door e-beam geactiveerde microscopische actuatoren door gebruik te maken van flexibiliteit die werd geïntroduceerd tijdens een van de ionenuitwisselingsreacties in combinatie met de krimpende eigenschappen van de silicamatrix. Kortom, ze ontdekten vormbehoudende ionenuitwisselingsreacties die nieuwe routes openen naar zelf-geassembleerde materialen met verschillende nieuwe, Functionele eigenschappen.