Gli ingegneri del MIT hanno unito i principi dell'autoassemblaggio e della stampa 3D utilizzando una nuova tecnica, che evidenziano oggi sul giornale Materiale avanzato .

Con il loro processo di assemblaggio colloidale a scrittura diretta, i ricercatori possono costruire cristalli alti centimetri, ciascuno composto da miliardi di singoli colloidi, definite come particelle di diametro compreso tra 1 nanometro e 1 micrometro.

"Se fai esplodere ogni particella fino alle dimensioni di un pallone da calcio, sarebbe come impilare un sacco di palloni da calcio per fare qualcosa alto come un grattacielo, ", afferma il coautore dello studio Alvin Tan, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. "Questo è quello che stiamo facendo su scala nanometrica".

I ricercatori hanno trovato un modo per stampare colloidi come le nanoparticelle polimeriche in disposizioni altamente ordinate, simili alle strutture atomiche nei cristalli. Hanno stampato varie strutture, come minuscole torri ed eliche, che interagiscono con la luce in modi specifici a seconda delle dimensioni delle singole particelle all'interno di ciascuna struttura.

Il team vede la tecnica di stampa 3D come un nuovo modo per costruire materiali autoassemblati che sfruttano le nuove proprietà dei nanocristalli, a scale più grandi, come sensori ottici, display a colori, e l'elettronica guidata dalla luce.

"Se potessi stampare in 3D un circuito che manipola i fotoni invece degli elettroni, che potrebbe aprire la strada a future applicazioni nell'informatica basata sulla luce, che manipolano la luce invece dell'elettricità in modo che i dispositivi possano essere più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico, "dice Tan.

I coautori di Tan sono lo studente laureato Justin Beroz, assistente professore di ingegneria meccanica Mathias Kolle, e professore associato di ingegneria meccanica A. John Hart.

Fuori dalla nebbia

I colloidi sono grandi molecole o piccole particelle, tipicamente misura tra 1 nanometro e 1 micrometro di diametro, sospesi in un liquido o in un gas. Esempi comuni di colloidi sono la nebbia, che è costituito da fuliggine e altre particelle ultrafini disperse nell'aria, e panna montata, che è una sospensione di bolle d'aria in panna. Le particelle in questi colloidi di tutti i giorni sono completamente casuali nelle loro dimensioni e nei modi in cui vengono disperse attraverso la soluzione.

Se particelle colloidali di dimensioni uniformi vengono unite tramite evaporazione del loro solvente liquido, facendoli assemblare in cristalli ordinati, è possibile creare strutture che, nel complesso, esibire ottiche uniche, chimico, e proprietà meccaniche. Questi cristalli possono esibire proprietà simili a strutture interessanti in natura, come le cellule iridescenti nelle ali delle farfalle, e il microscopico, fibre scheletriche nelle spugne di mare.

Finora, gli scienziati hanno sviluppato tecniche per evaporare e assemblare particelle colloidali in pellicole sottili per formare schermi che filtrano la luce e creano colori in base alla dimensione e alla disposizione delle singole particelle. Ma fino ad ora, tali assemblaggi colloidali sono stati limitati a film sottili e altre strutture planari.

"Per la prima volta, abbiamo dimostrato che è possibile costruire materiali colloidali autoassemblati su macroscala, e ci aspettiamo che questa tecnica possa costruire qualsiasi forma 3D, ed essere applicato a un'incredibile varietà di materiali, "dice Hart, l'autore anziano dell'articolo.

Costruire un ponte di particelle

I ricercatori hanno creato minuscole torri tridimensionali di particelle colloidali utilizzando un apparato di stampa 3D su misura costituito da una siringa di vetro e un ago, montato sopra due piastre in alluminio riscaldate. L'ago passa attraverso un foro nella piastra superiore ed eroga una soluzione colloidale su un substrato attaccato alla piastra inferiore.

Il team riscalda in modo uniforme entrambe le piastre di alluminio in modo che, mentre l'ago eroga la soluzione colloidale, il liquido evapora lentamente, lasciando solo le particelle. La piastra inferiore può essere ruotata e spostata su e giù per manipolare la forma della struttura complessiva, simile a come potresti spostare una ciotola sotto un distributore di gelato morbido per creare torsioni o vortici.

Beroz dice che quando la soluzione colloidale viene spinta attraverso l'ago, il liquido fa da ponte, o muffa, per le particelle in soluzione. Le particelle "piombano" attraverso il liquido, formando una struttura a forma di flusso liquido. Dopo che il liquido evapora, la tensione superficiale tra le particelle le tiene in posizione, in una configurazione ordinata.

Come prima dimostrazione della loro tecnica di stampa colloidale, il team ha lavorato con soluzioni di particelle di polistirene in acqua, e creò torri ed eliche alte centimetri. Ognuna di queste strutture contiene 3 miliardi di particelle. Nelle prove successive, hanno testato soluzioni contenenti diverse dimensioni di particelle di polistirene e sono stati in grado di stampare torri che riflettevano colori specifici, a seconda delle dimensioni delle singole particelle.

"Cambiando la dimensione di queste particelle, cambi drasticamente il colore della struttura, " dice Beroz. "È dovuto al modo in cui le particelle sono assemblate, in questo periodico, modo ordinato, e l'interferenza della luce mentre interagisce con le particelle a questa scala. Siamo essenzialmente cristalli di stampa 3D."

Il team ha anche sperimentato particelle colloidali più esotiche, ovvero nanoparticelle di silice e oro, che possono esibire proprietà ottiche ed elettroniche uniche. Hanno stampato torri alte millimetri fatte di nanoparticelle di silice del diametro di 200 nanometri, e nanoparticelle d'oro da 80 nanometri, ognuno dei quali rifletteva la luce in modi diversi.

"Ci sono molte cose che puoi fare con diversi tipi di particelle che vanno dalle particelle metalliche conduttive ai punti quantici semiconduttori, che stiamo esaminando, " dice Tan. "Combinandoli in diverse strutture cristalline e formandoli in diverse geometrie per nuove architetture di dispositivi, Penso che sarebbe molto efficace in campi tra cui il rilevamento, stoccaggio di energia, e fotonica."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.