Nieuwe route om materialen van minuscule deeltjes te bouwen

Onderzoeker Laura Rossi en haar groep bij de TU Delft hebben een nieuwe manier gevonden om synthetische materialen te maken van minuscule glasdeeltjes – zogenoemde colloïden. Samen met hun collega’s van Queen’s University en de Universiteit van Amsterdam lieten zij zien dat ze simpelweg de vorm van deze colloïden kunnen gebruiken om interessante bouwstenen voor nieuwe materialen te maken, los van andere eigenschappen van de colloïdale deeltjes. Rossi: “Dat is bijzonder, omdat het een compleet nieuw perspectief biedt om over materiaalontwerp na te denken.” Hun werk werd vandaag in Science Advances gepubliceerd.

Colloïden zijn minuscule deeltjes, een paar nanometer tot een paar micrometer in omvang. Ze bestaan uit een verzameling van moleculen en kunnen verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van het materiaal waarvan ze gemaakt zijn. “Onder bepaalde omstandigheden kunnen colloïden zich gedragen als atomen en moleculen, maar hun interacties zijn minder sterk,” legt Rossi uit. “Dat maakt dat ze veelbelovende bouwstenen vormen voor nieuwe materialen, bijvoorbeeld interactieve materialen die hun eigenschappen kunnen aanpassen aan hun omgeving.”

Nieuwe manier van materiaalontwerp
Wanneer ze met rust worden gelaten, stellen de kubusvormige colloïden uit deze studie, die van glas zijn gemaakt, zichzelf samen in simpele structuren zoals vervormde kubusvormige en zeshoekige roosters. Maar in plaats van meteen vanuit de bouwsteen naar de uiteindelijke constructie te gaan, voegden de onderzoekers eerst kleine groepjes van colloïden samen tot grotere bouwstenen. Wanneer ze deze clusters van colloïden in elkaar zetten, kwam daar een andere uiteindelijke constructie uit tevoorschijn met andere materiaaleigenschappen dan die van de zichzelf samenstellende constructie.

“Vanuit een scheikundig perspectief focussen we ons altijd op hoe we een bepaald soort colloïde kunnen maken,” vertelt Rossi. “In dit onderzoek hebben we onze focus verlegd naar de vraag: hoe kunnen we de colloïden die al beschikbaar zijn gebruiken om interessante bouwstenen te maken?”

Een stap vooruit
Volgens Rossi en haar samenwerkingspartner Greg van Anders, is een van de ultieme doelen van hun onderzoeksgemeenschap om complexe colloïdale structuren on demand te ontwerpen. Rossi: “Wat we hier hebben gevonden is heel belangrijk, want voor mogelijke toepassingen hebben we werkwijzen nodig die op te schalen zijn, iets dat moeilijk te bereiken is met de meeste van de huidige beschikbare methodes.” “Het basisvermogen om identieke stukjes van verschillende bouwstenen van tevoren in elkaar te zetten, en daaruit dezelfde structuur te maken, of om van dezelfde bouwsteen verschillende stukjes voor te monteren en daar andere structuren van te maken, vormen echt de basis ‘schaakzetten’ van het ontwerpen van complexe structuren,” voegt Van Anders toe.

Alhoewel Rossi de fundamentele aspecten van materiaalontwerp onderzoekt en niet de toepassingen ervan, kan ze zich uiteindelijke toepassingen van dit specifieke onderzoek wel voorstellen: “We vonden dat de dichtheid van de structuur die we gemaakt hadden veel lager was dan de dichtheid van de structuur die je zou krijgen vanuit de eerste bouwstenen. Dus je zou kunnen denken aan sterke maar lichtgewicht materialen voor transport.”

Samenwerken
Nadat Rossi’s team clusters van colloïden in het lab had gebouwd, rekenden ze op het team van Greg van Anders van Queen’s University om de uiteindelijk structuur van voorgemonteerde clusters met een computersimulatie te bouwen. “Bij dit soort projecten is het geweldig om samen te kunnen werken met anderen die simulaties uit kunnen voeren, niet alleen om volledig te begrijpen wat er gebeurt, maar ook om te testen hoe groot de kans is op een geslaagd lab experiment,” legt Rossi uit. “En in dit geval was het resultaat heel overtuigend dat we het ontwerpproces goed begrepen en dat het verkregen materiaal nuttig kan zijn.”

De volgende stap zal zijn om de volledige structuur uit groepjes van colloïden daadwerklijk in het lab te bouwen. “Na deze resultaten te hebben gezien, ben ik ervan overtuigd dat het mogelijk is,” zegt Rossi. “Het zou geweldig zijn wanneer er een fysieke versie van dit materiaal bestaat en dat in mijn hand te houden.”