Al Mit si lavora a cristalli colloidali stampati in 3D

Immagine: Mit, Felice Frankel

Alcuni ingegneri del Mit hanno utilizzato la stampa 3D per creare un processo di assemblaggio con cui costruire cristalli alti centimetri, ciascuno costituito da miliardi di singoli colloidi, ossia particelle tra 1 nanometro e 1 micrometro di diametro.

La nuova tecnica, è stata illustrata sulla rivista Advanced Materials ed è frutto di un lavoro supportato, in parte, dalla National Science Foundation, dalla Borsa di studio post-laurea della Difesa di Singapore e dal programma di borse di studio per la laurea in ingegneria.

I ricercatori hanno trovato un modo per stampare colloidi come nanoparticelle di polimeri in composizioni altamente ordinate, simili alle strutture atomiche dei cristalli. Hanno stampato varie strutture, come minuscole torri e eliche, che interagiscono con la luce in modi specifici a seconda delle dimensioni delle singole particelle all'interno di ciascuna struttura.

Il team vede la tecnica di stampa 3D come un nuovo modo di costruire materiali autoassemblati, che sfruttano le nuove proprietà dei nanocristalli su scale più grandi, come nei sensori ottici, nei display a colori e nell'elettronica a guida ottica.

Come dice un coautore dello studio sul sito del Mit, Alvin Tan, studente laureato al Dipartimento del Mit di Scienza e ingegneria dei materiali, "Se si potesse stampare in 3D un circuito che manipola fotoni anziché elettroni, si potrebbe aprire la strada a future applicazioni nel calcolo basato sulla luce, che manipolano la luce anziché l'elettricità in modo che i dispositivi possano essere più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico".

Cosa sono i colloidi

I colloidi sono grandi molecole o piccole particelle, in genere di diametro compreso tra 1 nanometro e 1 micrometro, che sono sospese in un liquido o gas.

Esempi comuni di colloidi sono la nebbia, che è costituita da fuliggine e altre particelle ultrafini disperse nell'aria, e panna montata, che è una sospensione di bolle d'aria in crema pesante. Le particelle in questi colloidi sono completamente casuali nelle loro dimensioni e nei modi in cui sono disperse attraverso la soluzione.

Se le particelle colloidali di dimensioni uniformi vengono guidate insieme per evaporazione del loro solvente liquido, facendole assemblare in cristalli ordinati, è possibile creare strutture che, nel loro complesso, presentano proprietà ottiche, chimiche e meccaniche uniche.

Questi cristalli possono esibire proprietà simili a strutture interessanti in natura, come le cellule iridescenti in ali di farfalla e le fibre microscopiche e scheletriche nelle spugne di mare.

Finora, gli scienziati hanno sviluppato tecniche per evaporare e assemblare particelle colloidali in film sottili per formare schermi che filtrano la luce e creano colori in base alle dimensioni e alla disposizione delle singole particelle. Ma fino ad ora, tali assemblaggi colloidali sono stati limitati a film sottili e altre strutture planari.

I ricercatori del Mit hanno creato minuscole torri tridimensionali di particelle colloidali utilizzando un apparato di stampa 3D personalizzato costituito da una siringa e un ago di vetro, montati sopra due piastre di alluminio riscaldate. L'ago passa attraverso un foro nella piastra superiore e distribuisce una soluzione colloidale su un substrato attaccato alla piastra inferiore.

Si riscalda uniformemente entrambe le piastre di alluminio in modo che quando l'ago distribuisce la soluzione colloidale, il liquido evapora lentamente, lasciando solo le particelle. La piastra inferiore può essere ruotata e spostata verso l'alto e verso il basso per manipolare la forma della struttura generale, in modo simile a come si potrebbe spostare una ciotola sotto un distributore di gelato morbido per creare torsioni o vortici.

Quando la soluzione colloidale viene spinta attraverso l'ago, il liquido agisce come un ponte, o stampo, per le particelle nella soluzione.

Le particelle "piovono" attraverso il liquido, formando una struttura a forma di flusso liquido. Dopo che il liquido evapora, la tensione superficiale tra le particelle le mantiene in posizione, in una configurazione ordinata.

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