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Ingenieros de Stanford han utilizado la impresión 3D para hacer decenas de miles de nanopartículas difíciles de fabricar que tienen el potencial de crear nuevos materiales prometedores que cambian de forma instantáneamente.
Imágenes ópticas de truncamientos tetraédricos que forman múltiples granos hexagonales (arriba). El análisis del orden de los enlaces muestra diferentes granos hexagonales con diferentes colores (abajo). Los tetraedros adyacentes con el mismo color indican la misma orientación de grano. La barra de escala es de 20 µm. Crédito de la foto: David Doan y John Kulikowski.
Cuando se trata de nanomateriales, la forma es esencialmente el destino. Es decir, la geometría de las partículas del material define las propiedades físicas del material resultante.
Un cristal de nanoesferas se organiza de manera diferente que un cristal de nanocubos, y estas disposiciones producen propiedades físicas muy diferentes. Utilizamos una técnica de nanoimpresión 3D para crear una de las formas más prometedoras conocidas: los tetraedros truncados de Arquímedes. Son tetraedros de escala micrométrica con puntas truncadas..
Wendy Gu, profesora adjunta, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Stanford
En su artículo, Gu y sus colaboradores presentan su método de nanoimpresión de decenas de miles de nanopartículas complicadas, dispersándolas en una solución y observando su autoensamblaje en estructuras cristalinas diversas y prometedoras. En particular, destacan que estos materiales tienen la notable capacidad de cambiar rápidamente de estado en cuestión de minutos simplemente reorganizando las nanopartículas en nuevos patrones geométricos.
La calidad del cambio de forma, o “cambio de fase”, como lo llaman los expertos en materiales, es comparable al reordenamiento atómico que transforma el hierro en acero endurecido o materiales que permiten a las computadoras almacenar digitalmente terabytes de datos importantes.
Gu dijo: “Si aprendemos a controlar estos cambios de fase en los materiales fabricados a partir de estos tetraedros truncados tetraédricos de Arquímedes, podríamos avanzar hacia muchas direcciones de ingeniería prometedoras..”
Presa esquiva
Aunque se cree que los tetraedros truncados de Arquímedes (ATT) se encuentran entre las mejores geometrías para producir materiales que pueden cambiar rápidamente de fase, hasta hace poco han sido difíciles de producir. Aunque eran predecibles mediante simulaciones por computadora, eran difíciles de reproducir en el mundo real.
Si bien Gu y su equipo no son los primeros en producir grandes cantidades de tetraedros de Arquímedes truncados a nanoescala, están entre los primeros, si no los primeros, en hacerlo utilizando nanoimpresión 3D.
Con la nanoimpresión 3D podemos crear casi cualquier forma que queramos. Podemos controlar la forma de las partículas con mucho cuidado y las simulaciones han predicho que esta forma particular forma estructuras muy interesantes. Si puedes empaquetarlos juntos de diferentes maneras, obtendrás propiedades físicas valiosas..
Wendy Gu, profesora adjunta, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Stanford
Al menos dos formas geométricas extremadamente atractivas se forman utilizando ATT. El primer patrón es hexagonal, con las puntas truncadas de los tetraedros apuntando hacia el cielo como una montaña a nanoescala, mientras que los tetraedros se encuentran planos sobre el sustrato. Según Gu, la segunda variante podría ser aún más prometedora.
Dentro de esta estructura cristalina de cuasi diamante, los tetraedros se alternan en orientación hacia arriba y hacia abajo, como huevos colocados en un cartón de huevos. En el mundo de la fotónica, la disposición de los diamantes se considera el “Santo Grial” y tiene el potencial de abrir una variedad de nuevas e interesantes vías de investigación.
Sin embargo, si se diseñan adecuadamente, los materiales futuros fabricados a partir de partículas impresas en 3D se pueden reorganizar rápidamente y alternar fácilmente entre fases mediante la aplicación de un campo magnético, corriente eléctrica, calor u otro método de ingeniería.
Gu imagina, entre otras cosas, revestimientos para paneles solares que cambian a lo largo del día para maximizar la eficiencia energética, películas hidrofóbicas para alas y ventanas de aviones que evitan el empañamiento o la formación de hielo, y nuevos tipos de memoria para computadoras. La lista de posibilidades es interminable.
“Actualmente estamos trabajando para hacer que estas partículas sean magnéticas para controlar su comportamiento. Las posibilidades apenas se están explorando.” Gu mencionó su investigación en curso que explora aplicaciones innovadoras de los tetraedros truncados de Arquímedes.
Otros coautores del trabajo son Ph.D. estudiantes David Doan y John Kulikowski. Gu también es miembro de Stanford Bio-X.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, una beca de posgrado de Stanford. DD, JK, la Fundación Hellman y la Fundación Nacional de Ciencias. Parte de este trabajo se realizó en Stanford Nano Shared Facilities, financiada por la National Science Foundation, y en Stanford Cell Sciences Imaging Facility.
Referencia de la revista:
Doán, D., et al. (2024) Observación directa de transiciones de fase en micropartículas tetraédricas bajo confinamiento cuasi-2D. comunicación de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41467-024-46230-x
Fuente: https://www.stanford.edu/
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