Por favor, avalie esta postagem
Cristais coloidais impressos em 3D vistos sob um microscópio óptico. Crédito: Felice Frankel
MIT engenheiros uniram os princípios da automontagem e da impressão 3D por meio de uma nova técnica, que destacam hoje na revista Advanced Materials.
Através do seu processo de montagem coloidal de escrita direta, os investigadores podem construir cristais com centímetros de altura, cada um feito de milhares de milhões de colóides individuais, definidos como partículas com diâmetro entre 1 nanómetro e 1 micrómetro.
“Se você explodisse cada partícula até ficar do tamanho de uma bola de futebol, seria como empilhar um monte de bolas de futebol para fazer algo tão alto quanto um arranha-céu”, diz o coautor do estudo Alvin Tan, estudante de pós-graduação no departamento do MIT. de Ciência e Engenharia de Materiais. “É isso que estamos fazendo no nanoescala.”
Os pesquisadores descobriram uma maneira de imprimir colóides, como nanopartículas poliméricas, em arranjos altamente ordenados, semelhantes às estruturas atômicas dos cristais. Eles imprimiram várias estruturas, como pequenas torres e hélices, que interagem com a luz de maneiras específicas, dependendo do tamanho das partículas individuais dentro de cada estrutura.
Nanopartículas distribuídas de uma agulha em um estágio giratório, criando um cristal helicoidal contendo bilhões de nanopartículas. Crédito: Alvin Tan
A equipe vê a técnica de impressão 3-D como uma nova maneira de construir materiais automontados que aproveitam as novas propriedades dos nanocristais, em escalas maiores, como sensores ópticos, monitores coloridos e eletrônicos guiados por luz.
“Se você pudesse imprimir em 3D um circuito que manipula fótons em vez de elétrons, isso poderia abrir caminho para futuras aplicações em computação baseada em luz, que manipulam luz em vez de eletricidade para que os dispositivos possam ser mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos”, Tan diz.
Os coautores de Tan são o estudante de graduação Justin Beroz, o professor assistente de engenharia mecânica Mathias Kolle e o professor associado de engenharia mecânica A. John Hart.
Destaques da nossa publicação sobre montagem coloidal de gravação direta, um novo processo de fabricação que combina princípios de automontagem com impressão 3D.
Fora do nevoeiro
Colóides são quaisquer moléculas grandes ou partículas pequenas, normalmente medindo entre 1 nanômetro e 1 micrômetro de diâmetro, que estão suspensas em um líquido ou gás. Exemplos comuns de colóides são a névoa, que é composta de fuligem e outras partículas ultrafinas dispersas no ar, e o chantilly, que é uma suspensão de bolhas de ar em creme de leite. As partículas nesses colóides do dia a dia são completamente aleatórias em seu tamanho e na forma como são dispersas na solução.
Se partículas coloidais de tamanho uniforme forem unidas por meio da evaporação de seu solvente líquido, fazendo com que elas se agrupem em cristais ordenados, é possível criar estruturas que, como um todo, exibem propriedades ópticas, químicas e mecânicas únicas. Esses cristais podem exibir propriedades semelhantes a estruturas interessantes da natureza, como as células iridescentes nas asas das borboletas e as fibras esqueléticas microscópicas das esponjas marinhas.
Até agora, os cientistas desenvolveram técnicas para evaporar e montar partículas coloidais em filmes finos para formar telas que filtram a luz e criam cores com base no tamanho e na disposição das partículas individuais. Mas até agora, tais montagens coloidais têm sido limitadas a filmes finos e outras estruturas planares.
“Pela primeira vez, mostramos que é possível construir materiais coloidais automontados em macroescala e esperamos que esta técnica possa construir qualquer forma 3D e ser aplicada a uma variedade incrível de materiais”, diz Hart, o autor sênior do artigo.
Construindo uma ponte de partículas
Os pesquisadores criaram pequenas torres tridimensionais de partículas coloidais usando um aparelho de impressão 3D personalizado que consiste em uma seringa e uma agulha de vidro, montadas acima de duas placas de alumínio aquecidas. A agulha passa através de um orifício na placa superior e dispensa uma solução colóide sobre um substrato fixado na placa inferior.
A equipe aquece uniformemente ambas as placas de alumínio para que, à medida que a agulha distribui a solução colóide, o líquido evapore lentamente, deixando apenas as partículas. A placa inferior pode ser girada e movida para cima e para baixo para manipular a forma da estrutura geral, semelhante a como você move uma tigela sob um dispensador de sorvete para criar reviravoltas ou redemoinhos.
Beroz diz que à medida que a solução colóide é empurrada através da agulha, o líquido atua como uma ponte, ou molde, para as partículas da solução. As partículas “chovem” através do líquido, formando uma estrutura no formato do fluxo líquido. Após a evaporação do líquido, a tensão superficial entre as partículas as mantém no lugar, em uma configuração ordenada.
Como primeira demonstração de sua técnica de impressão coloidal, a equipe trabalhou com soluções de poliestireno partículas na água e criou torres e hélices com centímetros de altura. Cada uma dessas estruturas contém 3 bilhões de partículas. Em testes subsequentes, eles testaram soluções contendo diferentes tamanhos de partículas de poliestireno e conseguiram imprimir torres que refletiam cores específicas, dependendo do tamanho de cada partícula.
“Ao alterar o tamanho dessas partículas, você muda drasticamente a cor da estrutura”, diz Beroz. “Isso se deve à forma como as partículas são montadas, dessa forma periódica e ordenada, e à interferência da luz ao interagir com as partículas dessa escala. Somos essencialmente cristais impressos em 3D.”
A equipe também fez experiências com partículas coloidais mais exóticas, nomeadamente nanopartículas de sílica e ouro, que podem exibir propriedades ópticas e eletrônicas únicas. Eles imprimiram torres milimétricas feitas de nanopartículas de sílica de 200 nanômetros de diâmetro e nanopartículas de ouro de 80 nanômetros, cada uma refletindo a luz de maneiras diferentes.
“Há muitas coisas que você pode fazer com diferentes tipos de partículas, desde partículas metálicas condutoras até pontos quânticos semicondutores, que estamos investigando”, diz Tan. “Combiná-los em diferentes estruturas cristalinas e formá-los em diferentes geometrias para novas arquiteturas de dispositivos, acho que isso seria muito eficaz em áreas como detecção, armazenamento de energia e fotônica.”
Referência: “Direct-Write Freeform Colloidal Assembly” por Alvin TL Tan, Justin Beroz, Mathias Kolle, A. John Hart, 30 de agosto de 2018, Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.201803620
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela National Science Foundation, pela Singapore Defense Science Organization Postgraduate Fellowship e pelo National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program.