Denna grafik visar materialet i dess gelade tillstånd (vänster) och dess icke-gelade tillstånd (höger). När materialet värms upp (höger) bryts de kemiska bindningarna mellan nanokristallerna och gelén bryts ner. När materialet kyls (till vänster) bildas kemiska bindningar mellan nanokristallerna och de organiserar sig i ett nätverk (gelen). Molekylär bindning (överst) som styr gelbildning som en funktion av temperaturen förstås med hjälp av superdatorsimuleringar (nederst). Kredit:Kang, Valenzuela, et al./UT Austin
Nya tillämpningar inom energi, försvar och telekommunikation kan få ett uppsving efter att ett team från University of Texas i Austin skapat en ny typ av "nanokristallgel" - en gel som består av små nanokristaller som var och en är 10 000 gånger mindre än bredden på ett människohår som kopplas samman till ett organiserat nätverk.
Kärnan i lagets upptäckt är att detta nya material är lätt att justera. Det vill säga att den kan växlas mellan två olika tillstånd genom att ändra temperaturen. Detta innebär att materialet kan fungera som ett optiskt filter, som absorberar olika frekvenser av ljus beroende på om det är i ett gelat tillstånd eller inte. Så den kan användas till exempel på utsidan av byggnader för att styra uppvärmning eller kyla dynamiskt. Denna typ av optiskt filter har också tillämpningar för försvar, särskilt för termiskt kamouflage.
Gelerna kan anpassas för dessa omfattande tillämpningar eftersom både nanokristallerna och de molekylära länkarna som kopplar dem till nätverk är designkomponenter. Nanokristaller kan vara kemiskt inställda för att vara användbara för att dirigera kommunikation genom fiberoptiska nätverk eller hålla temperaturen på rymdfarkoster stabil på avlägsna planetkroppar. Länkare kan utformas för att få geler att byta baserat på omgivningstemperatur eller upptäckt av miljögifter.
"Du kan ändra den uppenbara värmesignaturen hos ett föremål genom att ändra de infraröda egenskaperna hos dess hud", säger Delia Milliron, professor och ordförande för McKetta Department of Chemical Engineering vid Cockrell School of Engineering. "Det kan också vara användbart för telekommunikation som alla använder infraröda våglängder."
Den nya forskningen publiceras i det senaste numret av tidskriften Science Advances .
Teamet, ledd av doktoranderna Jiho Kang och Stephanie Valenzuela, gjorde detta arbete genom universitetets Center for Dynamics and Control of Materials, ett National Science Foundation Material Research Science and Engineering Center som samlar ingenjörer och forskare från hela campus för att samarbeta om material vetenskaplig forskning.
Laboratorieexperimenten gjorde det möjligt för teamet att se materialet förändras fram och tillbaka mellan dess två tillstånd av gel och icke-gel (det vill säga fritt flytande nanokristaller suspenderade i vätska) som de utlöste av specifika temperaturförändringar.
Superdatorsimuleringar som gjordes vid UT:s Texas Advanced Computing Center hjälpte dem att förstå vad som hände i gelén på mikroskopisk nivå när värme applicerades. Baserat på teorier om kemi och fysik avslöjade simuleringarna vilka typer av kemiska bindningar som håller ihop nanokristallerna i ett nätverk, och hur dessa bindningar bryts när de träffas av värme, vilket får gelén att brytas ned.
Detta är den andra unika nanokristallgelen som skapats av detta team, och de fortsätter att sträva efter framsteg på denna arena. Kang arbetar för närvarande med att skapa en nanokristallgel som kan växla mellan fyra tillstånd, vilket gör den ännu mer mångsidig och användbar. Den gelén skulle vara en blandning av två olika typer av nanokristaller, som var och en kan växla mellan tillstånd som svar på kemiska signaler eller temperaturförändringar. Sådana avstämbara nanokristallgeler kallas "programmerbara" material. + Utforska vidare
