Tunna (vänster) och tjocka filmer gjorda av porösa nanopartiklar av kalcium och silikat reagerade olika under tryck som testades i ett Rice University-labb. Partiklarna i de tunna filmerna rörde sig ur vägen för en nano-intär och lät filmen förbli intakt, medan tjocka filmer sprack. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University
Porösa partiklar av kalcium och silikat visar potential som byggstenar för en mängd applikationer som självläkande material, benvävnadsteknik, drogleverans, isolering, keramik och byggmaterial, enligt Rice Universitys ingenjörer som bestämde sig för att se hur bra de presterar på nanoskala.
Efter tidigare arbete med självläkande material med porösa byggstenar, Rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari och doktorand Sung Hoon Hwang gjorde ett brett utbud av porösa partiklar mellan 150 och 550 nanometer i diameter - tusentals gånger mindre än tjockleken på ett pappersark - med porer ungefär lika breda som en DNA-sträng.
De satte sedan ihop partiklarna till mikronstora ark och pellets för att se hur väl arrayerna höll upp under tryck från en nanoindenter, som testar ett materials hårdhet.
Resultaten av mer än 900 tester, rapporterade denna månad i American Chemical Society's ACS tillämpade material och gränssnitt , visade att större individuella nanopartiklar var 120 procent segare än mindre.
Detta, Shahsavari sa, var tydliga bevis på en inneboende storlekseffekt där partiklar mellan 300 och 500 nanometer gick från spröda till sega, eller böjlig, även om de alla hade samma små porer som var 2 till 4 nanometer. Men de blev förvånade när de upptäckte att när samma stora partiklar staplades, storlekseffekten överfördes inte helt till de större strukturerna.
Rice University materialforskare testade strukturer gjorda av kalcium-silikat nanopartiklar och fann att partiklar går från spröda till sega när de ökar i storlek. Den komprimerade enstaka partikeln till vänster deformerades under trycket från en nano-insats. I mitten och till höger, stora partiklar spricker inte under tryck. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University
Principerna som avslöjas borde vara viktiga för forskare och ingenjörer som studerar nanopartiklar som byggstenar i alla typer av bottom-up-tillverkning.
"Med porösa byggstenar, kontrollera kopplingen mellan porositet, partikelstorlek och mekaniska egenskaper är avgörande för systemets integritet för alla tillämpningar, "Shahsavari sa. "I detta arbete, vi fann att det finns en spröd-till-duktil övergång när man ökar partikelstorleken samtidigt som porstorleken hålls konstant.
"Detta betyder att större submikrona kalciumsilikatpartiklar är segare och mer flexibla jämfört med mindre, göra dem mer skadetoleranta, " han sa.
Laboratoriet testade självmonterade arrayer av de små sfärerna samt arrayer komprimerade under motsvarande 5 ton inuti en cylindrisk press.
Rice University materialforskare syntetiserade sfäriska, porösa nanopartiklar av kalcium och silikat, bildade filmer och pellets och testade deras seghet under tryck från en nanoindenter. De fann att filmer gjorda av större partiklar som närmade sig 500 nanometer var mycket segare och filmerna och pellets mindre benägna att spricka under tryck. Till höger, små partiklar deformeras efter nanoindentation. Kredit:Multiscale Materials Laboratory/Rice University
Fyra storlekar av sfärer fick självmontera till filmer. När dessa utsattes för nanointryck, forskarna fann att den inneboende storlekseffekten i stort sett försvann eftersom filmerna visade varierande styvhet. Där det var tunt, de svagt bundna partiklarna gjorde helt enkelt plats för intryckaren att sjunka igenom till glassubstratet. Där det var tjockt, filmen sprack.
"Vi observerade att styvheten ökar som en funktion av applicerade intryckningskrafter eftersom den maximala kraften ökar, det leder till en större förtätning av partiklarna under belastning, " sa Shahsavari. "När toppbelastningen nås, partiklarna är ganska tätt packade och börjar bete sig kollektivt som en enda film."
Pellets gjorda av komprimerade nanosfärer med olika diametrar deformerades under tryck från nanoindentern men visade inga tecken på att bli hårdare under tryck, de rapporterade.
"Som ett nästa steg, vi är intresserade av att tillverka självmonterade överbyggnader med inställbar partikelstorlek som bättre möjliggör deras avsedda funktionalitet, som att ladda och lossa med stimulikänsliga tätningsmedel, samtidigt som den erbjuder den bästa mekaniska integriteten, sa Shahsavari.
