Neuer Weg, um Materialien aus winzigen Partikeln zu bauen

Die Forscherin Laura Rossi und ihre Gruppe an der TU Delft haben einen neuen Weg gefunden, um synthetische Materialien aus winzigen Glaspartikeln – sogenannten Kolloiden – aufzubauen. Zusammen mit ihren Kollegen von der Queen’s University und der Universität Amsterdam zeigten sie, dass sie einfach die Form dieser Kolloide nutzen können, um interessante Bausteine ​​für neue Materialien herzustellen, unabhängig von anderen Eigenschaften der kolloidalen Partikel. „Das ist bemerkenswert, weil es eine völlig neue Art eröffnet, über Materialdesign nachzudenken“, sagt Rossi. Ihre Arbeit ist veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte diesen Freitag.

Kolloide sind winzige Partikel, einige Nanometer bis einige Mikrometer groß. Sie bestehen aus einer Ansammlung von Molekülen und können je nach Material, aus dem sie bestehen, unterschiedliche Eigenschaften haben. „Kolloide können sich unter Umständen wie Atome und Moleküle verhalten, aber ihre Wechselwirkungen sind weniger stark“, erklärt Rossi. „Das macht sie zu vielversprechenden Bausteinen für neue Materialien, zum Beispiel für interaktive Materialien, die ihre Eigenschaften an ihre Umgebung anpassen können.“

Neue Art der Materialgestaltung

Wenn sie in Ruhe gelassen werden, setzen sich die würfelförmigen Kolloide aus dieser Studie, die aus Glas hergestellt sind, zu einfachen Strukturen wie verzerrten kubischen und hexagonalen Gittern zusammen. Aber anstatt sofort vom Baustein zur endgültigen Struktur zu gehen, nahmen die Forscher kleine Gruppen von Kolloiden und kombinierten sie zu größeren Bausteinen. Als sie diese Kolloide-Cluster zusammensetzten, hatten sie am Ende eine andere Endstruktur mit anderen Materialeigenschaften als die selbstorganisierte Struktur. „Aus chemischer Sicht konzentrieren wir uns immer darauf, wie wir eine bestimmte Art von Kolloid herstellen können“, sagt Rossi. „In dieser Studie haben wir unseren Fokus verlagert auf: Wie können wir die bereits verfügbaren Kolloide nutzen, um interessante Bausteine ​​herzustellen?“

Ein Schritt vorwärts

Laut Rossi und ihrem Mitarbeiter Greg van Anders ist es eines der ultimativen Ziele ihrer Forschungsgemeinschaft, komplexe kolloidale Strukturen nach Bedarf zu entwerfen. „Was wir hier gefunden haben, ist sehr wichtig, denn für mögliche Anwendungen benötigen wir Verfahren, die hochskaliert werden können, was mit den meisten derzeit verfügbaren Ansätzen schwer zu erreichen sein wird. Die grundlegende Fähigkeit, identische Teile aus verschiedenen vorzumontieren Bausteine ​​zu bauen und sie die gleiche Struktur herstellen zu lassen oder denselben Baustein zu nehmen und verschiedene Teile vorzumontieren, die unterschiedliche Strukturen ergeben, sind wirklich die grundlegenden ‚Schachzüge‘ für die Konstruktion komplexer Strukturen“, fügt van Anders hinzu.

Obwohl Rossi eher die grundlegenden Aspekte als die Anwendung des Materialdesigns untersucht, kann sie sich mögliche Anwendungen für diese spezielle Arbeit vorstellen: „Wir haben festgestellt, dass die Dichte der von uns hergestellten Struktur viel geringer war als die Dichte der Struktur, die Sie durch Verwendung erhalten würden die Ausgangsbausteine. Sie können also über starke, aber leichte Materialien für den Transport nachdenken.“

Teams bilden

Nachdem Rossis Team im Labor Kolloide-Cluster gebaut hatte, verließen sie sich auf das Team von Greg van Anders von der Queen’s University, um die endgültige Struktur aus vormontierten Clustern mit einer Computersimulation zu bauen. „Bei dieser Art von Projekten ist es großartig, mit anderen zusammenarbeiten zu können, die Simulationen durchführen können, um nicht nur zu verstehen, was im Detail passiert, sondern auch um zu testen, wie groß die Chance auf ein erfolgreiches Laborexperiment sein wird“, erklärt Rossi . „Und in diesem Fall haben wir sehr überzeugende Ergebnisse erhalten, dass wir den Designprozess gut verstanden haben und dass das resultierende Material nützlich sein kann.“

Der nächste Schritt wird darin bestehen, die endgültige Struktur aus den Kolloidgruppen im Labor tatsächlich aufzubauen. „Nachdem ich diese Ergebnisse gesehen habe, bin ich zuversichtlich, dass es machbar ist“, sagt Rossi. „Es wäre großartig, eine physische Version dieses Materials zu haben und es in meiner Hand zu halten.“