Las películas delgadas (izquierda) y gruesas hechas de nanopartículas porosas de calcio y silicato reaccionaron de manera diferente bajo presión, como se probó en un laboratorio de la Universidad de Rice. Las partículas en las películas delgadas se apartaron del camino de un nanoindentador y permitieron que la película permaneciera intacta, mientras que las películas gruesas se agrietaron. Crédito:Laboratorio de Materiales Multiescala / Universidad Rice
Las partículas porosas de calcio y silicato muestran potencial como bloques de construcción para una gran cantidad de aplicaciones como materiales autocurativos, ingeniería de tejido óseo, entrega de medicamentos, aislamiento, cerámica y materiales de construcción, según los ingenieros de la Universidad de Rice que decidieron ver qué tan bien se desempeñan a nanoescala.
Siguiendo trabajos previos sobre materiales autorreparables utilizando bloques de construcción porosos, El científico de materiales de arroz Rouzbeh Shahsavari y el estudiante de posgrado Sung Hoon Hwang fabricaron una amplia gama de partículas porosas de entre 150 y 550 nanómetros de diámetro, miles de veces más pequeñas que el grosor de una hoja de papel, con poros del ancho de una hebra de ADN.
Luego ensamblaron las partículas en láminas y gránulos del tamaño de una micra para ver qué tan bien se mantenían las matrices bajo la presión de un nanoindentador, que prueba la dureza de un material.
Los resultados de más de 900 pruebas, informó este mes en la American Chemical Society's Materiales e interfaces aplicados de ACS , mostró que las nanopartículas individuales más grandes eran un 120 por ciento más resistentes que las más pequeñas.
Esta, Shahsavari dijo:fue una clara evidencia de un efecto de tamaño intrínseco donde las partículas entre 300 y 500 nanómetros pasaron de frágiles a dúctiles, o flexible, a pesar de que todos tenían los mismos poros pequeños de 2 a 4 nanómetros. Pero se sorprendieron al descubrir que cuando se apilaban las mismas partículas grandes, el efecto de tamaño no se trasladó por completo a las estructuras más grandes.
Los científicos de materiales de la Universidad de Rice probaron estructuras hechas de nanopartículas de silicato de calcio y encontraron que las partículas van de frágiles a dúctiles a medida que aumentan de tamaño. La única partícula comprimida de la izquierda se deforma bajo la presión de un nanoindentador. En el centro y a la derecha, las partículas grandes no se agrietan bajo presión. Crédito:Laboratorio de Materiales Multiescala / Rice University
Los principios revelados deberían ser importantes para los científicos e ingenieros que estudian las nanopartículas como bloques de construcción en todo tipo de fabricación de abajo hacia arriba.
"Con bloques de construcción porosos, controlando el vínculo entre la porosidad, El tamaño de partícula y las propiedades mecánicas son esenciales para la integridad del sistema para cualquier aplicación. "Shahsavari dijo." En este trabajo, encontramos que hay una transición de frágil a dúctil cuando se aumenta el tamaño de partícula mientras se mantiene constante el tamaño de los poros.
"Esto significa que las partículas de silicato de calcio submicrónicas más grandes son más resistentes y más flexibles en comparación con las más pequeñas, haciéndolos más tolerantes al daño, " él dijo.
El laboratorio probó matrices autoensambladas de esferas diminutas, así como matrices compactadas con el equivalente a 5 toneladas dentro de una prensa cilíndrica.
Los científicos de materiales de la Universidad de Rice sintetizaron esféricos, nanopartículas porosas de calcio y silicato, formó películas y gránulos y probó su tenacidad bajo presión de un nanoindentador. Descubrieron que las películas hechas de partículas más grandes que se acercan a los 500 nanómetros eran mucho más resistentes y las películas y los gránulos menos propensos a agrietarse bajo presión. A la derecha, las partículas pequeñas se deforman después de la nanoindentación. Crédito:Laboratorio de Materiales Multiescala / Rice University
Se permitió que cuatro tamaños de esferas se autoensamblaran en películas. Cuando estos estaban sujetos a nanoindentación, los investigadores encontraron que el efecto de tamaño intrínseco desapareció en gran medida, ya que las películas mostraron una rigidez variable. Donde era delgado las partículas débilmente unidas simplemente dejaron paso para que el penetrador se hundiera hasta el sustrato de vidrio. Donde era espeso la película se agrietó.
"Observamos que la rigidez aumenta en función de las fuerzas de indentación aplicadas porque a medida que aumenta la fuerza máxima, conduce a una mayor densificación de las partículas bajo carga, ", Dijo Shahsavari." Para cuando se alcanza la carga máxima, las partículas están empaquetadas bastante densamente y comienzan a comportarse colectivamente como una sola película ".
Pellets hechos de nanoesferas compactadas de varios diámetros deformadas bajo la presión del nanoindentador, pero no mostraron evidencia de endurecerse bajo presión. ellos informaron.
"Como siguiente paso, estamos interesados en fabricar superestructuras autoensambladas con un tamaño de partícula ajustable que habilite mejor sus funcionalidades previstas, como cargar y descargar con selladores sensibles a los estímulos, al mismo tiempo que ofrece la mejor integridad mecánica, "Dijo Shahsavari.
