Onderzoeker Laura Rossi en haar groep aan de TU Delft hebben een nieuwe manier gevonden om synthetische materialen te bouwen uit minuscule glasdeeltjes, de zogenaamde colloïden. Samen met hun collega's van Queen's University en de Universiteit van Amsterdam lieten ze zien dat ze de vorm van deze colloïden eenvoudig kunnen gebruiken om interessante bouwstenen te maken voor nieuwe materialen, ongeacht andere eigenschappen van de colloïdale deeltjes. "Dit is opvallend, omdat het een geheel nieuwe manier opent om na te denken over materiaalontwerp", zegt Rossi. Hun werk is gepubliceerd in Science Advances deze vrijdag.

Colloïden zijn kleine deeltjes, enkele nanometers tot enkele micron groot. Ze bestaan ​​uit een verzameling moleculen en kunnen verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van het materiaal waarvan ze zijn gemaakt. "Onder bepaalde omstandigheden kunnen colloïden zich gedragen als atomen en moleculen, maar hun interacties zijn minder sterk", legt Rossi uit. "Dat maakt ze kansrijke bouwstenen voor nieuwe materialen, bijvoorbeeld voor interactieve materialen die hun eigenschappen kunnen aanpassen aan hun omgeving."

Nieuwe manier van materiaalontwerp

Als ze met rust worden gelaten, zullen de kubusvormige colloïden uit deze studie, die zijn gemaakt van glas, zichzelf assembleren tot eenvoudige structuren zoals vervormde kubische en zeshoekige roosters. Maar in plaats van meteen van de bouwsteen naar de uiteindelijke structuur te gaan, namen de onderzoekers kleine groepen colloïden en combineerden ze tot grotere bouwstenen. Toen ze deze clusters van colloïden assembleerden, kwamen ze uit op een andere uiteindelijke structuur met andere materiaaleigenschappen dan de zelf-geassembleerde structuur. "Vanuit een scheikundig oogpunt richten we ons altijd op hoe we een bepaald type colloïde kunnen produceren", zegt Rossi. "In dit onderzoek hebben we onze focus verlegd naar:hoe kunnen we de colloïden die al beschikbaar zijn gebruiken om interessante bouwstenen te maken?"

Een stap vooruit

Volgens Rossi en haar medewerker Greg van Anders is een van de uiteindelijke doelen van hun onderzoeksgemeenschap het on-demand ontwerpen van complexe colloïdale structuren. "Wat we hier hebben gevonden, is erg belangrijk, want voor mogelijke toepassingen hebben we procedures nodig die kunnen worden opgeschaald, iets dat moeilijk te bereiken zal zijn met de meeste momenteel beschikbare benaderingen. Het basisvermogen om identieke stukken van verschillende bouwstenen, en ze dezelfde structuur laten maken, of om dezelfde bouwsteen te nemen en verschillende stukken voor te assembleren die verschillende structuren maken, zijn echt de basis 'schaakbewegingen' voor het ontwerpen van complexe structuren", voegt Van Anders toe.

Hoewel Rossi de fundamentele aspecten bestudeert in plaats van de toepassing van materiaalontwerp, kan ze zich mogelijke toepassingen voor dit specifieke werk voorstellen:"We ontdekten dat de dichtheid van de structuur die we voorbereidden veel lager was dan de dichtheid van de structuur die u zou verkrijgen door de startbouwstenen. Zo kun je nadenken over sterke maar lichtgewicht materialen voor transport."

Samenwerken

Nadat Rossi's team clusters van colloïden in het laboratorium had gebouwd, vertrouwden ze op het team van Greg van Anders van Queen's University om de uiteindelijke structuur te bouwen uit voorgemonteerde clusters met een computersimulatie. "Bij dit soort projecten is het geweldig om samen te werken met anderen die simulaties kunnen uitvoeren, niet alleen om diepgaand te begrijpen wat er gebeurt, maar ook om te testen hoe groot de kans op een succesvol laboratoriumexperiment zal zijn", legt Rossi uit. . "En in dit geval kregen we zeer overtuigende resultaten dat we het ontwerpproces goed begrepen en dat het resulterende materiaal nuttig kan zijn."

De volgende stap is het daadwerkelijk bouwen van de uiteindelijke structuur gemaakt van de groepen colloïden in het laboratorium. "Na het zien van deze resultaten, ben ik ervan overtuigd dat het kan", zegt Rossi. "Het zou geweldig zijn om een ​​fysieke versie van dit materiaal te hebben en het in mijn hand te houden." + Verder verkennen

Colloïden gebruiken om complexe structuren te bouwen