Ricercatori del MIT stampano in 3D dei cristalli tramite assemblaggio colloidale a scrittura diretta
I ricercatori del MIT hanno trovato un modo per stampare colloidi come nanoparticelle di polimeri in composizioni altamente ordinate, simili alle strutture atomiche nei cristalli. Attraverso questo processo di assemblaggio colloidale di scrittura diretta , un processo che combina il principio ascendente dell’autoassemblaggio colloidale con la versatilità della stampa 3D a scrittura diretta, i ricercatori possono costruire cristalli a scala centimetrica, ciascuno formato da miliardi di colloidi individuali. Questa tecnica potrebbe essere utilizzata per scalare materiali autoassemblati da utilizzare come sensori ottici, display a colori ed elettronica a guida ottica.
Cristalli colloidali stampati in 3D visualizzati sotto un microscopio ottico. Immagine: Felice Frankel
“Se fai saltare in aria ogni particella delle dimensioni di un pallone da calcio, sarebbe come impilare un sacco di palloni da calcio per fare qualcosa di più alto di un grattacielo”, dice il coautore dello studio Alvin Tan, uno studente laureato al Dipartimento del MIT. di Scienza e ingegneria dei materiali. “Questo è quello che stiamo facendo su scala nanometrica”.
Usando questo metodo, i ricercatori hanno stampato varie strutture, come minuscole torri e 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 di costruire materiali autoassemblati che sfruttano le nuove proprietà dei nanocristalli a scale più grandi.
“Se fosse possibile stampare in 3D un circuito che manipola fotoni anziché elettroni, ciò potrebbe aprire la strada a future applicazioni nel calcolo basato sulla luce, che manipolano la luce anziché l’elettricità in modo che i dispositivi possano essere più veloci e più efficienti”, afferma Tan.
I colloidi sono grandi molecole o piccole particelle, in genere di diametro compreso tra 1 nm e 1 μm, che sono sospese in un liquido o gas. La nebbia è un esempio comune di colloide, poiché è costituito da fuliggine e altre particelle ultrafini disperse nell’aria. Il latte è un colloide emulsionato di globuli liquidi di burro fuso dispersi in una soluzione a base acquosa. Le particelle in questi colloidi di tutti i giorni sono completamente casuali nelle loro dimensioni e nei modi in cui sono disperse attraverso la soluzione.
Se particelle colloidali di dimensioni uniformi vengono guidate insieme per evaporazione del loro solvente liquido, facendole assemblare in cristalli ordinati, è possibile creare strutture che presentano proprietà ottiche, chimiche e meccaniche uniche.
Fino ad ora, i ricercatori hanno sviluppato tecniche per evaporare e assemblare particelle colloidali in film sottili per formare schermi che filtrano la luce e creano colori in base alle dimensioni 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 in macroscala, e ci aspettiamo che questa tecnica possa costruire qualsiasi forma 3D e sia applicata a un’incredibile varietà di materiali”, afferma A. John Hart, professore associato di ingegneria meccanica e autore senior della carta.
I ricercatori utilizzano un dispositivo di stampa 3D personalizzato per il processo, che consiste in una siringa e un ago di vetro, montati sopra due piastre di alluminio riscaldate. L’ago passa attraverso un foro nella piastra superiore e distribuisce una soluzione colloidale su un substrato attaccato alla piastra inferiore.
Il team riscalda uniformemente entrambe le piastre di alluminio in modo che quando l’ago distribuisce 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.
Il dottorando del MIT Justin Beroz ha detto: “Quando la soluzione colloidale viene spinta attraverso l’ago, il liquido agisce come un ponte, o stampo, per le particelle nella soluzione. Le particelle” piovono “attraverso il liquido, formando una struttura nel forma del flusso di liquido Dopo che il liquido evapora, la tensione superficiale tra le particelle le mantiene 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 nell’acqua e ha creato torri e eliche di altezza centimetrica. Ognuna di queste strutture contiene 3 miliardi di particelle. Nelle prove successive, cambiando le dimensioni delle particelle di polistirene, erano in grado di stampare torri che riflettevano colori specifici.
“Modificando la dimensione di queste particelle, cambi drasticamente il colore della struttura”, ha detto Beroz. “È dovuto al modo in cui le particelle sono assemblate, in questo modo periodico e ordinato e all’interferenza della luce che interagisce con le particelle a questa scala: siamo essenzialmente cristalli a 3-D”.
Il team ha anche sperimentato particelle colloidali più esotiche, vale a dire silice e nanoparticelle d’oro, che possono esibire proprietà ottiche ed elettroniche uniche. Stamparono torri millimetriche fatte con nanoparticelle di silice con diametro di 200 nanometri e nanoparticelle d’oro a 80 nanometri, ciascuna delle quali rifletteva la luce in modi diversi.
“Ci sono molte cose che puoi fare con diversi tipi di particelle che vanno dalle particelle di metallo conduttivo ai punti quantici semiconduttori, che stiamo esaminando”, dice Tan. “Combinandoli in diverse strutture cristalline e formandole in diverse geometrie per nuove architetture di dispositivi, penso che sarebbe molto efficace in campi come il sensing, l’accumulo di energia e la fotonica”.