I nanomaterial är form ödet. Det vill säga geometrin hos partikeln i materialet definierar de fysiska egenskaperna hos det resulterande materialet.
"En kristall gjord av nanokullager kommer att arrangera sig annorlunda än en kristall gjord av nano-tärningar och dessa arrangemang kommer att ge mycket olika fysiska egenskaper", sa Wendy Gu, biträdande professor i maskinteknik vid Stanford University, i en introduktion av sin senaste artikel som visas i tidskriften Nature Communications .
"Vi har använt en 3D nanoprinting-teknik för att producera en av de mest lovande formerna som är kända — arkimediska trunkerade tetraeder. De är tetraeder i mikronskala med spetsarna avklippta."
I tidningen beskriver Gu och hennes medförfattare hur de nanoprintade tiotusentals av dessa utmanande nanopartiklar, rörde om dem till en lösning och sedan tittade på när de självmonterades till olika lovande kristallstrukturer. Mer kritiskt är att dessa material kan skifta mellan tillstånd på några minuter helt enkelt genom att ordna om partiklarna till nya geometriska mönster.
Denna förmåga att ändra "faser", som materialingenjörer hänvisar till formskiftande kvalitet, liknar den atomära omarrangemang som förvandlar järn till härdat stål, eller i material som tillåter datorer att lagra terabyte av värdefull data i digital form.
"Om vi kan lära oss att kontrollera dessa fasförskjutningar i material gjorda av dessa arkimediska trunkerade tetraedrar kan det leda i många lovande tekniska riktningar," sa hon.
Arkimediska trunkerade tetraedrar (ATT) har länge ansetts vara bland de mest önskvärda geometrierna för att producera material som lätt kan ändra fas, men som tills nyligen var utmanande att tillverka – förutspådda i datorsimuleringar men ändå svåra att reproducera i den verkliga världen.
Gu är snabb med att påpeka att hennes team inte är det första att producera arkimedeska trunkerade tetraeder i nanoskala i kvantitet, men de är bland de första, om inte de första, som använder 3D nanoprinting för att göra det.
"Med 3D nanoprinting kan vi göra nästan vilken form vi vill. Vi kan kontrollera partikelformen mycket noggrant," förklarade Gu. "Denna speciella form har förutspåtts genom simuleringar för att bilda mycket intressanta strukturer. När man kan packa ihop dem på olika sätt producerar de värdefulla fysiska egenskaper."
ATT bildar åtminstone två mycket önskvärda geometriska strukturer. Den första är ett hexagonalt mönster där tetraedrarna vilar platt på substratet med sina stympade spetsar pekande uppåt som en bergskedja i nanoskala. Det andra är kanske ännu mer lovande, sa Gu.
Det är en kristallin kvasi-diamantstruktur där tetraedrarna alternerar i uppåt- och nedåtvända orienteringar, som ägg som vilar i en äggkartong. Diamantarrangemanget anses vara en "helig gral" i fotoniksamhället och kan leda i många nya och intressanta vetenskapliga riktningar.
Men viktigast av allt, när de är korrekt konstruerade, kan framtida material gjorda av 3D-tryckta partiklar omarrangeras snabbt och enkelt växla fram och tillbaka mellan faser med applicering av ett magnetfält, elektrisk ström, värme eller annan teknisk metod.
Gu sa att hon kan föreställa sig beläggningar för solpaneler som förändras under dagen för att maximera energieffektiviteten, nygamla hydrofoba filmer för flygplansvingar och fönster som innebär att de aldrig imma eller isar, eller nya typer av datorminne. Listan fortsätter och fortsätter.
"Just nu arbetar vi med att göra dessa partiklar magnetiska för att kontrollera hur de beter sig", sa Gu om hennes senaste forskning som redan pågår med hjälp av arkimedeska trunkerade tetraedernanopartiklar på nya sätt. "Möjligheterna börjar bara undersökas."
Mer information: David Doan et al, Direkt observation av fasövergångar i trunkerade tetraedriska mikropartiklar under kvasi-2D-inneslutning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46230-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Stanford University
