Neue Anwendungen in den Bereichen Energie, Verteidigung und Telekommunikation könnten einen Schub erhalten, nachdem ein Team der University of Texas in Austin eine neue Art von „Nanokristallgel“ entwickelt hat – ein Gel, das aus winzigen Nanokristallen besteht, die jeweils 10.000 Mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares sind zu einem organisierten Netzwerk verbunden.
Der springende Punkt bei der Entdeckung des Teams ist, dass dieses neue Material leicht abzustimmen ist. Das heißt, es kann durch Ändern der Temperatur zwischen zwei verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden. Dies bedeutet, dass das Material als optischer Filter fungieren kann und unterschiedliche Lichtfrequenzen absorbiert, je nachdem, ob es sich in einem gelierten Zustand befindet oder nicht. So könnte es beispielsweise an der Außenseite von Gebäuden eingesetzt werden, um Heizung oder Kühlung dynamisch zu steuern. Diese Art von optischen Filtern hat auch Anwendungen zur Verteidigung, insbesondere zur thermischen Tarnung.
Die Gele können für diese vielfältigen Anwendungen maßgeschneidert werden, da sowohl die Nanokristalle als auch die molekularen Linker, die sie zu Netzwerken verbinden, Designerkomponenten sind. Nanokristalle können chemisch so abgestimmt werden, dass sie nützlich sind, um die Kommunikation durch Glasfasernetze zu leiten oder die Temperatur von Raumfahrzeugen auf entfernten Planetenkörpern konstant zu halten. Linker können so gestaltet werden, dass sie bewirken, dass Gele basierend auf der Umgebungstemperatur oder dem Nachweis von Umweltgiften schalten.
„Man könnte die scheinbare Wärmesignatur eines Objekts verschieben, indem man die Infraroteigenschaften seiner Haut verändert“, sagte Delia Milliron, Professorin und Vorsitzende des McKetta Department of Chemical Engineering an der Cockrell School of Engineering. „Es könnte auch für die Telekommunikation nützlich sein, die alle Infrarot-Wellenlängen verwenden.“
Dieses Video zeigt die Abstimmbarkeit des Materials bei Temperaturänderung. Die Probe beginnt in ihrem nicht gelierten Zustand (als „Dispersion“ bezeichnet). Beim Abkühlen des Materials beginnt sich das Material in ein Nanokristall-Gel umzuwandeln (bezeichnet als „Sol-zu-Gel-Übergang“), bis die gesamte Probe in Gelform vorliegt. Als nächstes wird Wärme zugeführt und das Nanokristall-Gel zerfällt wieder. Bildnachweis: Cockrell School of Engineering, Universität von Texas in Austin
Die neue Forschungsarbeit wird in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Das Team unter der Leitung der Doktoranden Jiho Kang und Stephanie Valenzuela führte diese Arbeit über das Center for Dynamics and Control of Materials der Universität durch, ein Zentrum für Materialforschung, Wissenschaft und Technik der National Science Foundation, das Ingenieure und Wissenschaftler aus dem gesamten Campus zusammenbringt, um an Materialien zusammenzuarbeiten Wissenschaftsforschung.
Die Laborexperimente ermöglichten dem Team zu sehen, wie sich das Material zwischen seinen beiden Zuständen Gel und Nicht-Gel hin und her ändert (d. h. frei schwebende Nanokristalle, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind), die sie durch bestimmte Temperaturänderungen auslösten.
Supercomputer-Simulationen, die am Texas Advanced Computing Center von UT durchgeführt wurden, halfen ihnen zu verstehen, was auf mikroskopischer Ebene im Gel passiert, wenn Wärme angewendet wird. Basierend auf Theorien der Chemie und Physik zeigten die Simulationen die Arten chemischer Bindungen, die die Nanokristalle in einem Netzwerk zusammenhalten, und wie diese Bindungen brechen, wenn sie Hitze ausgesetzt werden, wodurch das Gel zerfällt.
Diese Simulation zeigt 100 Nanokristalle bei einer Temperatur oberhalb der Gelierungsschwelle. Dabei verbleiben die meisten Anokristalle in einem frei fließenden Zustand, ohne aneinander zu kleben, was als Dispersion bezeichnet wird. Bildnachweis: Kang, Valenzuela, et al./UT Austin
Dies ist das zweite einzigartige Nanokristall-Gel, das von diesem Team entwickelt wurde, und sie verfolgen weiterhin Fortschritte in diesem Bereich. Kang arbeitet derzeit an der Entwicklung eines Nanokristall-Gels, das zwischen vier Zuständen wechseln kann, wodurch es noch vielseitiger und nützlicher wird. Dieses Gel wäre eine Mischung aus zwei verschiedenen Arten von Nanokristallen, die jeweils in der Lage sind, als Reaktion auf chemische Signale oder Temperaturänderungen zwischen Zuständen umzuschalten. Solche abstimmbaren Nanokristallgele werden „programmierbare“ Materialien genannt.
Jiho Kang et al, Kolorimetrische Quantifizierung der Verknüpfung in thermoreversiblen Nanokristall-Gelanordnungen, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm7364. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7364