Los ingenieros del MIT han unido los principios del autoensamblaje y la impresión 3D utilizando una nueva técnica, que destacan hoy en la revista Materiales avanzados .

Mediante su proceso de ensamblaje coloidal de escritura directa, los investigadores pueden construir cristales de un centímetro de altura, cada uno hecho de miles de millones de coloides individuales, definido como partículas que tienen entre 1 nanómetro y 1 micrómetro de ancho.

"Si inflas cada partícula del tamaño de una pelota de fútbol, sería como apilar un montón de balones de fútbol para hacer algo tan alto como un rascacielos, "dice el coautor del estudio, Alvin Tan, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Eso es lo que estamos haciendo a nanoescala".

Los investigadores encontraron una forma de imprimir coloides como nanopartículas de polímero en arreglos muy ordenados, similar a las estructuras atómicas en los cristales. Imprimieron varias estructuras, como pequeñas torres y hélices, que interactúan con la luz de formas específicas dependiendo del tamaño de las partículas individuales dentro de cada estructura.

El equipo ve la técnica de impresión 3-D como una nueva forma de construir materiales autoensamblados que aprovechan las nuevas propiedades de los nanocristales. a escalas mayores, como sensores ópticos, pantallas a color, y electrónica guiada por luz.

"Si pudieras imprimir en 3D un circuito que manipula fotones en lugar de electrones, que podría allanar el camino para futuras aplicaciones en informática basada en la luz, que manipulan la luz en lugar de la electricidad para que los dispositivos puedan ser más rápidos y más eficientes energéticamente, "Tan dice.

Los coautores de Tan son el estudiante graduado Justin Beroz, profesor asistente de ingeniería mecánica Mathias Kolle, y profesor asociado de ingeniería mecánica A. John Hart.

Fuera de la niebla

Los coloides son moléculas grandes o partículas pequeñas, normalmente mide entre 1 nanómetro y 1 micrómetro de diámetro, que están suspendidos en un líquido o gas. Los ejemplos comunes de coloides son la niebla, que se compone de hollín y otras partículas ultrafinas dispersas en el aire, y nata montada, que es una suspensión de burbujas de aire en crema espesa. Las partículas en estos coloides cotidianos son completamente aleatorios en cuanto a su tamaño y la forma en que se dispersan a través de la solución.

Si las partículas coloidales de tamaño uniforme se unen mediante la evaporación de su disolvente líquido, haciendo que se ensamblen en cristales ordenados, es posible crear estructuras que, como un todo, exhiben ópticas únicas, químico, y propiedades mecánicas. Estos cristales pueden exhibir propiedades similares a estructuras interesantes en la naturaleza, como las células iridiscentes en las alas de las mariposas, y lo microscópico, fibras esqueléticas en esponjas marinas.

Hasta aquí, Los científicos han desarrollado técnicas para evaporar y ensamblar partículas coloidales en películas delgadas para formar pantallas que filtran la luz y crean colores basados ​​en el tamaño y la disposición de las partículas individuales. Pero hasta ahora tales conjuntos coloidales se han limitado a películas delgadas y otras estructuras planas.

"Por primera vez, Hemos demostrado que es posible construir materiales coloidales autoensamblados a macroescala, y esperamos que esta técnica pueda construir cualquier forma 3D, y aplicarse a una increíble variedad de materiales, "dice Hart, el autor principal del artículo.

Construyendo un puente de partículas

Los investigadores crearon diminutas torres tridimensionales de partículas coloidales utilizando un aparato de impresión 3D personalizado que consta de una jeringa de vidrio y una aguja. montado sobre dos placas de aluminio calentadas. La aguja pasa a través de un orificio en la placa superior y dispensa una solución coloide sobre un sustrato adherido a la placa inferior.

El equipo calienta uniformemente ambas placas de aluminio para que, a medida que la aguja dispensa la solución coloide, el líquido se evapora lentamente, dejando solo las partículas. La placa inferior se puede girar y mover hacia arriba y hacia abajo para manipular la forma de la estructura general, similar a cómo se puede mover un tazón debajo de un dispensador de helado suave para crear giros o remolinos.

Beroz dice que a medida que se empuja la solución coloide a través de la aguja, el líquido actúa como un puente, o moho, para las partículas en la solución. Las partículas "llueven" a través del líquido, formando una estructura en forma de corriente líquida. Después de que el líquido se evapore, la tensión superficial entre las partículas las mantiene en su lugar, en una configuración ordenada.

Como primera demostración de su técnica de impresión coloidal, el equipo trabajó con soluciones de partículas de poliestireno en agua, y creó torres y hélices de centímetros de altura. Cada una de estas estructuras contiene 3 mil millones de partículas. En ensayos posteriores, probaron soluciones que contenían diferentes tamaños de partículas de poliestireno y pudieron imprimir torres que reflejaban colores específicos, dependiendo del tamaño de las partículas individuales.

"Al cambiar el tamaño de estas partículas, cambias drásticamente el color de la estructura, "Dice Beroz." Se debe a la forma en que se ensamblan las partículas, en este periódico, camino ordenado, y la interferencia de la luz cuando interactúa con partículas a esta escala. Somos esencialmente cristales de impresión 3D ".

El equipo también experimentó con partículas coloidales más exóticas, a saber, nanopartículas de sílice y oro, que puede exhibir propiedades ópticas y electrónicas únicas. Imprimieron torres de un milímetro de altura hechas de nanopartículas de sílice de 200 nanómetros de diámetro, y nanopartículas de oro de 80 nanómetros, cada uno de los cuales reflejaba la luz de diferentes formas.

"Hay muchas cosas que puede hacer con diferentes tipos de partículas, desde partículas metálicas conductoras hasta puntos cuánticos semiconductores, que estamos investigando, ", Dice Tan." Combinándolos en diferentes estructuras de cristal y formándolos en diferentes geometrías para arquitecturas de dispositivos novedosos, Creo que sería muy eficaz en campos como la detección, almacen de energia, y fotónica ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.