חוקרים 3-D להדפיס גבישים colloidal

The Great Gildersleeve: Gildy's Radio Broadcast / Gildy's New Secretary / Anniversary Dinner (יולי 2019).

Anonim

מהנדסי MIT איחדו את העקרונות של הרכבה עצמית והדפסה תלת-מימדית באמצעות טכניקה חדשה, שאותה הם מדגישים היום ביומן חומרים מתקדמים.

על ידי תהליך ההרכבה הישיר שלהם, יכולים החוקרים לבנות גבישים בגובה של סנטימטר, שכל אחד מהם מורכב ממיליארדים של קולואידים בודדים, המוגדרים כחלקיקים הנעים בין ננומטר אחד למיקרומטר אחד.

"אם תפוצץ כל חלקיק לגודל של כדורגל, זה יהיה כמו ערימת הרבה כדורי כדורגל כדי לעשות משהו גבוה כמו גורד שחקים", אומר מחבר המחקר אלווין טאן, סטודנט לתואר שני במחלקה של MIT של חומרים מדע והנדסה. "זה מה שאנחנו עושים בננומטריה".

החוקרים מצאו דרך להדפיס קולואידים כגון חלקיקי פולימר בסידורים מסודרים מאוד, בדומה למבנים האטומיים בגבישים. הם הדפיסו מבנים שונים, כגון מגדלים זעירים וחללים, אשר אינטראקציה עם אור בדרכים ספציפיות בהתאם לגודל של חלקיקים בודדים בתוך כל מבנה.

הצוות רואה את טכניקת ההדפסה בתלת-מימד כדרך חדשה לבניית חומרים מתוצרת עצמית הממנפים את המאפיינים החדשים של ננו-קריסטל, בקשקשים גדולים יותר, כגון חיישנים אופטיים, תצוגות צבע ואלקטרוניקה בהנחיית אור.

"אם אתה יכול 3-D להדפיס מעגל כי לתפעל פוטונים במקום electrons, זה יכול לסלול את הדרך ליישומים עתידיים באור מבוסס מחשוב, כי לתפעל אור במקום חשמל, כך התקנים יכול להיות מהיר יותר ויעיל יותר באנרגיה", Tan אומר.

טאן של מחברים הם סטודנט לתואר שני ג 'סטין Beroz, עוזר פרופסור להנדסה מכנית מתיאס קול, ופרופסור להנדסת מכונות א' ג 'ון הארט.

מתוך הערפל

קולואידים הם כל מולקולות גדולות או חלקיקים קטנים, בדרך כלל מדידה בין 1 ננומטר ו 1 מיקרומטר בקוטר, כי הם מושעים בנוזל או גז. דוגמאות נפוצות של קולואידים הם ערפל, אשר מורכב פיח וחלקיקים אחרים ultrafine מפוזרים באוויר, קצפת, אשר הוא השעיה של בועות אוויר בשמנת כבדה. חלקיקים אלה היומיום קולואידים הם אקראיים לחלוטין בגודל שלהם ואת הדרכים שבהן הם מפוזרים באמצעות הפתרון.

אם חלקיקים קולואידים בגודל אחיד מונעים יחד באמצעות אידוי של הממס הנוזלי שלהם, מה שגרם להם להרכיב לתוך גבישים הורה, ניתן ליצור מבנים, ככלל, להפגין תכונות אופטיות, כימיות, מכניות ייחודיות. גבישים אלה יכולים להציג מאפיינים דומים למבנים מעניינים בטבע, כגון התאים הססגוניים בכנפי הפרפרים, וסיבי המיקרוסקופי, השלדי, בים ספוגי.

עד כה, מדענים פיתחו טכניקות כדי להתאדות ולהרכיב חלקיקים קולואידים לתוך סרטים דקים כדי ליצור מציג מסננים אור וליצור צבעים על פי גודל וסידור של חלקיקים בודדים. אבל עד כה, מכלולים colloidal כאלה הוגבלו סרטים דקים מבנים מישוריים אחרים.

"בפעם הראשונה, הראינו שאפשר לבנות חומרים קולואליים מאקרוסקליים, ואנו מצפים שהטכניקה הזו יכולה לבנות כל צורה תלת-מימדית, ולהיות מיושמת על מגוון עצום של חומרים", אומר הארט, הסופר הבכיר של העיתון.

בניית גשר חלקיקים

החוקרים יצרו מגדלים תלת מימדיים זעירים של חלקיקים קולואידים באמצעות מתקן הדפסה תלת-מימדי שנבנה במיוחד, המורכב מזרק ומחט מזכוכית, מעל שתי לוחות אלומיניום מחוממות. המחט עוברת דרך חור בצלחת העליונה ומפזרת פתרון קולואיד על מצע המצורף לצלחת התחתונה.

הצוות מחמם באופן שווה את שתי צלחות האלומיניום, כך שכאשר המחט מחלקת את תמיסת הקולואיד, הנוזל מתנדף לאט, ומשאיר רק את החלקיקים. הצלחת התחתונה ניתן לסובב ועבר למעלה ולמטה כדי לתפעל את הצורה של המבנה הכללי, בדומה איך אתה יכול להעביר קערה תחת מתקן גלידה רכה ליצור פיתולים או מערבולות.

ברוז אומר שככל שהפתרון הקולואיד נדחף דרך המחט, הנוזל פועל כגשר, או עובש, עבור החלקיקים שבתמיסה. החלקיקים "יורד" דרך הנוזל ויוצרים מבנה בצורת הזרם הנוזלי. לאחר הנוזל מתאדה, מתח הפנים בין החלקיקים מחזיק אותם במקום, בתצורה מסודרת.

בהפגנה הראשונה של הטכניקה להדפסה קולואידית, הצוות עבד עם פתרונות של חלקיקי פוליסטירן במים, ויצר מגדלי סנטימטר גבוהים וסלילים. כל אחד מהמבנים הללו מכיל 3 מיליארד חלקיקים. בניסויים הבאים, הם בדקו פתרונות המכילים גדלים שונים של חלקיקי פוליסטירן הצליחו להדפיס מגדלים המשקף צבעים ספציפיים, בהתאם לגודל של חלקיקים בודדים.

"על ידי שינוי גודל של חלקיקים אלה, אתה לשנות באופן דרסטי את צבע המבנה", אומר Beroz. "זה בגלל האופן שבו החלקיקים מתכנסים, בצורה מחזורית, מסודרת זו, וההפרעות של האור כפי שהוא מתקשר עם חלקיקים בקנה מידה זה, אנחנו בעצם גבישי הדפסה תלת-ממדיים".

הצוות גם ניסוי עם חלקיקים קולואידים אקזוטיים יותר, כלומר סיליקה וזהב חלקיקים, אשר יכול להפגין מאפיינים אופטיים ואלקטרוניים ייחודיים. הם מודפסים מילימטר גבוה המגדלים עשוי 200-ננומטר קוטר חלקיקי סיליקה, ו -80 ננומטר חלקיקי זהב, שכל אחד מהם שיקף אור בדרכים שונות.

"יש הרבה דברים שאפשר לעשות עם סוגים שונים של חלקיקים, החל מחלקיקי מתכת מוליכים ועד נקודות קוונטיות מוליכות למחצה, שאותן אנחנו בודקים", אומר טאן. "שילובם במבני גבישים שונים ויצירתם בגיאומטריות שונות עבור ארכיטקטורת מכשירים חדשים, אני חושב שזה יהיה יעיל מאוד בתחומים הכוללים חישה, אחסון אנרגיה ופוטוניקה".

menu
menu