MIT-ingenjörer har förenat principerna för självmontering och 3D-utskrift med en ny teknik, som de lyfter fram idag i journalen Avancerade material .

Genom deras direktskrivande kolloidala monteringsprocess, forskarna kan bygga centimeterhöga kristaller, var och en gjord av miljarder individuella kolloider, definieras som partiklar som är mellan 1 nanometer och 1 mikrometer tvärs över.

"Om du sprängde varje partikel till storleken av en fotboll, det skulle vara som att stapla en massa fotbollar för att göra något så högt som en skyskrapa, " säger studiens medförfattare Alvin Tan, en doktorand vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik. "Det är vad vi gör på nanoskala."

Forskarna hittade ett sätt att skriva ut kolloider som polymernanopartiklar i högt ordnade arrangemang, liknande atomstrukturerna i kristaller. De tryckte olika strukturer, som små torn och helixar, som interagerar med ljus på specifika sätt beroende på storleken på de enskilda partiklarna inom varje struktur.

Teamet ser 3-D-utskriftstekniken som ett nytt sätt att bygga självmonterade material som utnyttjar de nya egenskaperna hos nanokristaller, i större skala, såsom optiska sensorer, färgskärmar, och ljusstyrd elektronik.

"Om du kunde 3D-skriva ut en krets som manipulerar fotoner istället för elektroner, som kan bana väg för framtida tillämpningar inom ljusbaserad datoranvändning, som manipulerar ljus istället för elektricitet så att enheter kan bli snabbare och mer energieffektiva, " Säger Tan.

Tans medförfattare är doktoranden Justin Beroz, biträdande professor i maskinteknik Mathias Kolle, och docent i maskinteknik A. John Hart.

Ut ur dimman

Kolloider är alla stora molekyler eller små partiklar, mäter vanligtvis mellan 1 nanometer och 1 mikrometer i diameter, som är suspenderade i en vätska eller gas. Vanliga exempel på kolloider är dimma, som består av sot och andra ultrafina partiklar spridda i luft, och vispgrädde, som är en suspension av luftbubblor i tung grädde. Partiklarna i dessa vardagskolloider är helt slumpmässiga i sin storlek och det sätt på vilket de sprids genom lösningen.

Om kolloidala partiklar med jämn storlek drivs samman via avdunstning av deras flytande lösningsmedel, får dem att samlas till ordnade kristaller, det är möjligt att skapa strukturer som, som helhet, uppvisa unika optiska, kemisk, och mekaniska egenskaper. Dessa kristaller kan uppvisa egenskaper som liknar intressanta strukturer i naturen, såsom de iriserande cellerna i fjärilsvingar, och det mikroskopiska, skelettfibrer i havssvampar.

Än så länge, forskare har utvecklat tekniker för att avdunsta och montera kolloidala partiklar till tunna filmer för att bilda displayer som filtrerar ljus och skapar färger baserat på storleken och arrangemanget av de enskilda partiklarna. Men tills nu, sådana kolloidala sammansättningar har begränsats till tunna filmer och andra plana strukturer.

"För första gången, vi har visat att det är möjligt att bygga självmonterade kolloidala material i makroskala, och vi förväntar oss att denna teknik kan bygga vilken 3D-form som helst, och appliceras på en otrolig mängd olika material, säger Hart, tidningens seniorförfattare.

Att bygga en partikelbro

Forskarna skapade små tredimensionella torn av kolloidala partiklar med hjälp av en specialbyggd 3D-utskriftsapparat bestående av en glasspruta och nål, monterad ovanför två uppvärmda aluminiumplattor. Nålen passerar genom ett hål i toppplattan och fördelar en kolloidlösning på ett substrat som är fäst vid bottenplattan.

Teamet värmer båda aluminiumplattorna jämnt så att när nålen matar ut kolloidlösningen, vätskan avdunstar långsamt, lämnar bara partiklarna kvar. Bottenplattan kan roteras och flyttas upp och ner för att manipulera formen på den övergripande strukturen, liknande hur du kan flytta en skål under en mjukglassdispenser för att skapa vridningar eller virvlar.

Beroz säger att när kolloidlösningen trycks genom nålen, vätskan fungerar som en bro, eller mögel, för partiklarna i lösningen. Partiklarna "regnar ner" genom vätskan, bildar en struktur i form av vätskeströmmen. Efter att vätskan avdunstat, ytspänningen mellan partiklarna håller dem på plats, i en beställd konfiguration.

Som en första demonstration av deras kolloidtryckteknik, teamet arbetade med lösningar av polystyrenpartiklar i vatten, och skapade centimeterhöga torn och helixar. Var och en av dessa strukturer innehåller 3 miljarder partiklar. I efterföljande försök, de testade lösningar som innehöll olika storlekar av polystyrenpartiklar och kunde skriva ut torn som reflekterade specifika färger, beroende på de enskilda partiklarnas storlek.

"Genom att ändra storleken på dessa partiklar, du drastiskt ändrar färgen på strukturen, Beroz säger. "Det beror på hur partiklarna sätts ihop, i denna period, beställt sätt, och interferensen av ljus när det interagerar med partiklar i denna skala. Vi är i huvudsak kristaller som skriver ut i 3D."

Teamet experimenterade också med mer exotiska kolloidala partiklar, nämligen kiseldioxid och guld nanopartiklar, som kan uppvisa unika optiska och elektroniska egenskaper. De tryckte millimeter höga torn gjorda av kiselnanopartiklar med en diameter på 200 nanometer, och 80 nanometer guldnanopartiklar, var och en reflekterade ljus på olika sätt.

"Det finns många saker du kan göra med olika typer av partiklar, allt från ledande metallpartiklar till halvledande kvantprickar, som vi tittar på, ", säger Tan. "Kombinerar dem till olika kristallstrukturer och formar dem till olika geometrier för nya enhetsarkitekturer, Jag tror att det skulle vara mycket effektivt inom områden inklusive avkänning, energilagring, och fotonik."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.