"Un cristallo fatto di nano-cuscinetti a sfera si sistemerà in modo diverso rispetto a un cristallo fatto di nano-dadi e queste disposizioni produrranno proprietà fisiche molto diverse", ha detto Wendy Gu, assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università di Stanford, introducendo il suo ultimo articolo che appare sulla rivista Nature Communications .

"Abbiamo utilizzato una tecnica di nanostampa 3D per produrre una delle forme più promettenti conosciute:i tetraedri troncati di Archimede. Sono tetraedri su scala micron con le punte tagliate."

Nell'articolo, Gu e i suoi coautori descrivono come hanno nanostampato decine di migliaia di queste impegnative nanoparticelle, le hanno mescolate in una soluzione e poi hanno osservato come si autoassemblavano in varie promettenti strutture cristalline. Ancora più importante, questi materiali possono passare da uno stato all'altro in pochi minuti semplicemente riorganizzando le particelle in nuovi modelli geometrici.

Questa capacità di cambiare "fasi", come gli ingegneri dei materiali chiamano la qualità mutaforma, è simile alla riorganizzazione atomica che trasforma il ferro in acciaio temperato o in materiali che consentono ai computer di archiviare terabyte di dati preziosi in formato digitale.

"Se riuscissimo a imparare a controllare questi sfasamenti nei materiali costituiti da questi tetraedri troncati di Archimede, ciò potrebbe portare in molte direzioni ingegneristiche promettenti", ha affermato.

Preda sfuggente

I tetraedri troncati di Archimede (ATT) sono stati a lungo teorizzati come tra le geometrie più desiderabili per la produzione di materiali che possono facilmente cambiare fase, ma fino a poco tempo fa erano difficili da fabbricare, previsti nelle simulazioni al computer ma difficili da riprodurre nel mondo reale.

Gu si affretta a sottolineare che il suo team non è il primo a produrre in quantità tetraedri troncati di Archimede su scala nanometrica, ma è tra i primi, se non il primo, a utilizzare la nanostampa 3D per farlo.

"Con la nanostampa 3D, possiamo creare quasi qualsiasi forma desideriamo. Possiamo controllare la forma delle particelle con molta attenzione", ha spiegato Gu. "Le simulazioni hanno previsto che questa forma particolare formi strutture molto interessanti. Quando puoi assemblarle insieme in vari modi, producono preziose proprietà fisiche."

Gli ATT formano almeno due strutture geometriche altamente desiderabili. Il primo è uno schema esagonale in cui i tetraedri poggiano piatti sul substrato con le punte troncate rivolte verso l’alto come una catena montuosa su scala nanometrica. Il secondo è forse ancora più promettente, ha detto Gu.

È una struttura cristallina quasi-diamante in cui i tetraedri si alternano con orientamento rivolto verso l'alto e verso il basso, come le uova che riposano in una scatola di uova. La disposizione dei diamanti è considerata un "Santo Graal" nella comunità della fotonica e potrebbe portare in molte direzioni scientifiche nuove e interessanti.

Ancora più importante, tuttavia, se adeguatamente progettati, i futuri materiali costituiti da particelle stampate in 3D possono essere riorganizzati rapidamente, passando facilmente avanti e indietro tra le fasi con l'applicazione di un campo magnetico, corrente elettrica, calore o altro metodo di ingegneria.

Gu ha detto che può immaginare rivestimenti per pannelli solari che cambiano durante il giorno per massimizzare l’efficienza energetica, pellicole idrofobiche new age per ali e finestre di aeroplani che significano che non si appannano o non ghiacciano mai, o nuovi tipi di memoria per computer. L'elenco potrebbe continuare all'infinito.

"In questo momento, stiamo lavorando per rendere queste particelle magnetiche per controllare il loro comportamento", ha detto Gu della sua ultima ricerca già in corso utilizzando nanoparticelle di tetraedro troncato di Archimede in nuovi modi. "Le possibilità stanno appena cominciando ad essere esplorate."