Нови начин за прављење синтетичких материјала од ситних честица - DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MAY 27, 2022

Четири кубна колоида направљена од стакла. 

Нови начин за прављење синтетичких материјала од сићушних стаклених честица - такозваних колоида - пронашли су истраживач Лаура Росси и њена група на Delft University Of Technology. Заједно са својим колегама са Квинс универзитета и Универзитета у Амстердаму, показали су да могу једноставно да искористе облик ових колоида да направе занимљиве градивне блокове за нове материјале, без обзира на друга својства колоидних честица. Роси: „Ово је упадљиво, јер отвара потпуно нов начин размишљања о дизајну материјала.

Колоиди су ситне честице, величине од неколико нанометара (милијардиних делова метра) до неколико микрона (милионити део метра). Састоје се од скупа молекула и могу имати различита својства у зависности од материјала од којег су направљени. „Под одређеним околностима, колоиди се могу понашати као атоми и молекули, али њихове интеракције су мање јаке“, објашњава Роси. "То их чини обећавајућим градивним блоковима за нове материјале, на пример за интерактивне материјале који могу прилагодити своја својства свом окружењу."

Слика 1 . Шематски приказ различитих путева до хијерархијског склапања.

Без интервенције, својства структуре и материјала следе директно из атрибута грађевног блока (зелена „линија метроа“ изнад). Алтернативне особине материјала захтевају алтернативни пут, као што је предмонтажа (плава линија метроа) да би се створиле структуре мезоразмера које се не налазе у расутом стању.

Нови начин дизајна материјала

Ако се оставе сами, колоиди у облику коцке из овог истраживања, који су направљени од стакла, сами се састављају у једноставне структуре попут искривљених кубних и хексагоналних решетки. Али уместо да одмах оду од грађевинског блока до коначне структуре, научници су узели мале групе колоида и комбиновали их у веће блокове. Када су саставили ове кластере колоида, завршили су са другачијом коначном структуром са другачијим својствима материјала од структуре која се сама склапа. „Са хемијске тачке гледишта, увек се фокусирамо на то како можемо произвести одређену врсту колоида“, каже Роси. „У овој студији, померили смо фокус на: како можемо користити колоиде који су већ доступни да направимо занимљиве градивне блокове?“

Слика 2 . Претходно састављени грађевински блокови су направљени од заобљених силицијумских коцкица (суперкуглица) компримованих у капљицама емулзије.

( А ) ТЕМ слике и модели суперлопти са параметром облика 2,0 (лево), 2,7 (средина) и 3,4 (десно). ( Б ) Слика емулзије вода у уљу која садржи слободно дифузне (сферне) честице са светлосним микроскопом. ( Ц ) Шематски приказ процеса сушења емулзије који сабија честице заједно да формира колоидни кластер.

Корак напред

Према Роси и њеном сараднику Грегу ван Андерсу, један од крајњих циљева њихове истраживачке заједнице је да дизајнирају сложене колоидне структуре на захтев. „Оно што смо овде пронашли је веома важно, јер за могуће примене морамо да имамо процедуре које се могу повећати, што је нешто што ће бити тешко постићи са већином тренутно доступних приступа. „Основна способност претходног састављања идентичних делова из различитих грађевинских блокова, и од њих да направе исту структуру, или да се узме исти грађевински блок и претходно састављају различити делови који чине различите структуре, заиста су основни 'шаховски потези' за инжењеринг сложених структура“, додаје ван Андерс. 

Иако Роси проучава фундаменталне аспекте, а не примену дизајна материјала, она може да замисли евентуалне примене за овај специфичан посао: „Открили смо да је густина структуре коју смо припремили била много нижа од густине структуре коју бисте добили коришћењем почетни градивни блокови. Тако да можете размишљати о јаким, али лаганим материјалима за транспорт.”

Слика 3 . Експериментални и симулирани кластери заобљених коцки.

СЕМ слике кластера генерисаних од суперлопти са параметрима облика м = 2,7 и м = 3,4, у поређењу са симулираним кластерима суперлопти са истим параметрима облика. ЕКСП, експеримент; СИМУ, симулација.

Удруживање

Након што је тим Лауре Роси направио кластере колоида у лабораторији, ослонили су се на тим Грега ван Андерса са Квинс универзитета да направе коначну структуру од претходно састављених кластера уз компјутерску симулацију. „Са оваквим пројектима, сјајно је бити у могућности да се удружите са другима који могу да покрену симулације, не само да би разумели шта се дешава у дубини, већ и да тестирате колике ће бити шансе за успешан лабораторијски експеримент“, објашњава Роси . „И у овом случају, добили смо веома убедљиве резултате да смо добро разумели процес пројектовања и да добијени материјал може бити користан.

Следећи корак ће бити изградња коначне структуре направљене од група колоида у лабораторији. „Након што сам видео ове резултате, уверен сам да је то могуће“, каже Роси. „Било би сјајно имати физичку верзију овог материјала и држати га у руци.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0548

Референца: „Раздвајање облика и интеракције за колоидну претходну монтажу“