Ny rute for å bygge materialer av bittesmå partikler

Forsker Laura Rossi og hennes gruppe ved TU Delft har funnet en ny måte å bygge syntetiske materialer på av bittesmå glasspartikler – såkalte kolloider. Sammen med sine kolleger fra Queen’s University og University of Amsterdam viste de at de ganske enkelt kan bruke formen på disse kolloidene til å lage interessante byggeklosser for nye materialer, uavhengig av andre egenskaper til de kolloidale partiklene. “Dette er slående, fordi det åpner for en helt ny måte å tenke materialdesign på,” sier Rossi. Arbeidene deres er publisert i Vitenskapens fremskritt denne fredagen.

Kolloider er bittesmå partikler, noen få nanometer til noen få mikron i størrelse. De består av en samling molekyler og kan ha ulike egenskaper avhengig av hvilket materiale de er laget av. “Under visse omstendigheter kolloider kan oppføre seg som atomer og molekyler, men deres interaksjoner er mindre sterke,” forklarer Rossi. “Det gjør dem til lovende byggesteiner for nye materialer, for eksempel for interaktive materialer som kan tilpasse egenskapene deres til miljøet.”

Ny måte å designe materialer på

Hvis de blir stående alene, vil de kubeformede kolloidene fra denne studien, som er laget av glass, sette seg sammen til enkle strukturer som forvrengte kubiske og sekskantede gitter. Men i stedet for å gå umiddelbart fra byggesteinen til den endelige strukturen, tok forskerne små grupper av kolloider og kombinerte dem til større byggeklosser. Da de satte sammen disse kolloidklyngene, endte de opp med en annen sluttstruktur med andre materialegenskaper enn den selvmonterte strukturen. “Fra et kjemisynspunkt fokuserer vi alltid på hvordan vi kan produsere en viss type kolloid,” sier Rossi. “I denne studien har vi skiftet fokus til: hvordan kan vi bruke kolloidene som allerede er tilgjengelige til å lage interessante byggeklosser?”

Et skritt fremover

I følge Rossi og hennes samarbeidspartner Greg van Anders er et av de endelige målene for forskningsmiljøet deres å designe komplekse kolloidale strukturer etter behov. «Det vi fant her er veldig viktig, fordi for mulige bruksområder, må vi ha prosedyrer som kan skaleres opp, noe som vil være vanskelig å oppnå med de fleste tilgjengelige tilnærminger. Den grunnleggende evnen til å forhåndsmontere identiske deler fra forskjellige byggeklosser, og få dem til å lage samme struktur, eller å ta den samme bygning blokkere og forhåndsmontere forskjellige brikker som lager forskjellige strukturer, er egentlig de grunnleggende “sjakktrekkene” for å konstruere komplekse strukturer,” legger van Anders til.

Selv om Rossi studerer de grunnleggende aspektene snarere enn bruken av materialdesign, kan hun se for seg eventuelle anvendelser for dette spesifikke arbeidet: “Vi fant ut at tettheten til strukturen som vi forberedte var mye lavere enn tettheten til strukturen du ville oppnå ved å bruke starten byggeklosser. Så du kan tenke på sterke, men lette materialer for transport.”

Slår seg sammen

Etter at Rossis team bygde klynger av kolloider i laboratoriet, stolte de på teamet til Greg van Anders fra Queen’s University for å bygge den endelige strukturen av forhåndsmonterte klynger med en datasimulering. “Med denne typen prosjekter er det flott å kunne slå seg sammen med andre som kan kjøre simuleringer, ikke bare for å forstå hva som skjer i dybden, men også for å teste hvor stor sjansen for et vellykket laboratorieeksperiment vil være,” forklarer Rossi . “Og i dette tilfellet fikk vi svært overbevisende resultater om at vi forsto designprosessen godt og at det resulterende materialet kan være nyttig.”

Det neste trinnet vil være å faktisk bygge den endelige strukturen laget av gruppene av kolloider i laboratoriet. “Etter å ha sett disse resultatene, er jeg sikker på at det kan gjøres,” sier Rossi. “Det ville vært flott å ha en fysisk versjon av dette materialet og holde det i hånden.”

---

---