Fyra kubiska kolloider gjorda av glas. Kredit:TU Delft
Forskaren Laura Rossi och hennes grupp vid TU Delft har hittat ett nytt sätt att bygga syntetiska material av små glaspartiklar – så kallade kolloider. Tillsammans med sina kollegor från Queen's University och University of Amsterdam visade de att de helt enkelt kan använda formen på dessa kolloider för att göra intressanta byggstenar för nya material, oavsett övriga egenskaper hos de kolloidala partiklarna. "Detta är slående, eftersom det öppnar upp ett helt nytt sätt att tänka på materialdesign", säger Rossi. Deras arbete publiceras i Science Advances den här fredagen.
Kolloider är små partiklar, några nanometer till några mikron stora. De består av en samling molekyler och kan ha olika egenskaper beroende på vilket material de är gjorda av. "Under vissa omständigheter kan kolloider bete sig som atomer och molekyler, men deras interaktioner är mindre starka," förklarar Rossi. "Det gör dem till lovande byggstenar för nya material, till exempel för interaktiva material som kan anpassa sina egenskaper till sin miljö."
Nytt sätt att designa material
Om de lämnas ensamma kommer de kubformade kolloiderna från denna studie, som är gjorda av glas, att sätta ihop sig i enkla strukturer som förvrängda kubiska och sexkantiga gitter. Men istället för att gå direkt från byggstenen till den slutliga strukturen tog forskarna små grupper av kolloider och kombinerade dem till större byggstenar. När de satte ihop dessa kolloidkluster fick de en annan slutlig struktur med andra materialegenskaper än den självmonterade strukturen. "Ur en kemisynpunkt fokuserar vi alltid på hur vi kan producera en viss typ av kolloid", säger Rossi. "I den här studien har vi flyttat vårt fokus till:hur kan vi använda de kolloider som redan finns tillgängliga för att göra intressanta byggstenar?"
Ett steg framåt
Enligt Rossi och hennes medarbetare Greg van Anders är ett av de yttersta målen för deras forskarsamhälle att designa komplexa kolloidala strukturer på begäran. "Det vi hittade här är mycket viktigt, för för möjliga tillämpningar behöver vi ha procedurer som kan skalas upp vilket är något som kommer att vara svårt att uppnå med de flesta för närvarande tillgängliga tillvägagångssätt. Den grundläggande förmågan att förmontera identiska delar från olika byggstenar, och få dem att göra samma struktur, eller att ta samma byggsten och förmontera olika delar som gör olika strukturer, är verkligen de grundläggande "schackdragen" för att konstruera komplexa strukturer," tillägger van Anders.
Även om Rossi studerar de grundläggande aspekterna snarare än tillämpningen av materialdesign, kan hon föreställa sig eventuella tillämpningar för detta specifika arbete:"Vi fann att densiteten för strukturen som vi förberedde var mycket lägre än densiteten av strukturen du skulle få genom att använda startklossarna. Så du kan tänka på starka men lätta material för transport."
Går ihop
Efter att Rossis team byggt kluster av kolloider i labbet, förlitade de sig på teamet av Greg van Anders från Queen's University för att bygga den slutliga strukturen av förmonterade kluster med en datorsimulering. "Med den här typen av projekt är det fantastiskt att kunna samarbeta med andra som kan köra simuleringar, inte bara för att förstå vad som händer på djupet, utan också för att testa hur stor chansen för ett framgångsrikt labbexperiment kommer att vara", förklarar Rossi . "Och i det här fallet fick vi mycket övertygande resultat att vi förstod designprocessen väl och att det resulterande materialet kan vara användbart."
Nästa steg blir att faktiskt bygga den slutliga strukturen gjord av grupperna av kolloider i labbet. "Efter att ha sett dessa resultat är jag övertygad om att det kan göras", säger Rossi. "Det skulle vara fantastiskt att ha en fysisk version av det här materialet och hålla det i min hand." + Utforska vidare
