פריצת דרך של חומר משנה צורה: מהנדסי סטנפורד הדפיסו בתלת-ממד עשרות אלפי ננו-חלקיקים קשים לייצור

מהנדסי החומרים של סטנפורד השתמשו בהדפסת תלת מימד כדי ליצור עשרות אלפי ננו-חלקיקים קשים לייצור, שצפויים להוביל לפיתוח חומרים חדשים המסוגלים לשנות באופן מיידי את צורתם.

בננו-חומרים, צורה היא גורל. כלומר, הגיאומטריה של החלקיק בחומר מגדירה את המאפיינים הפיזיקליים של החומר המתקבל.

"גביש העשוי ממיסבים ננו-כדוריים יסדרו את עצמם בצורה שונה מקריסטל העשוי מננו-קוביות וסידורים אלה יפיקו תכונות פיזיקליות שונות מאוד", אמרה וונדי גו, עוזרת פרופסור להנדסת מכונות באוניברסיטת סטנפורד, שהציגה את המאמר האחרון שלה. המופיע ביומן תקשורת טבע. "השתמשנו בטכניקת הדפסת ננו תלת מימדית כדי לייצר את אחת הצורות המבטיחות ביותר הידועות – טטרהדרונים קטומים ארכימדיים. הם טטרהדרונים בקנה מידה מיקרוני עם קצותיהם מנותקים".

במאמר, גו ושותפיה מתארים כיצד הם הדפיסו עשרות אלפי ננו-חלקיקים מאתגרים אלה, ערבבו אותם לפתרון, ואז צפו כיצד הם מתאספים בעצמם למבני גביש מבטיחים שונים. באופן קריטי יותר, חומרים אלה יכולים לעבור בין מצבים תוך דקות פשוט על ידי סידור מחדש של החלקיקים לדפוסים גיאומטריים חדשים.

היכולת הזו לשנות "שלבים", כפי שמתייחסים מהנדסי חומרים לאיכות שינוי הצורה, דומה לסידור מחדש האטומי שהופך ברזל לפלדה מחוסמת, או בחומרים המאפשרים למחשבים לאחסן טרה-בייט של נתונים יקרי ערך בצורה דיגיטלית.

"אם נוכל ללמוד לשלוט בשינויי הפאזות הללו בחומרים העשויים מהטטרהדרונים הקטומים הארכימדיים האלה, זה יכול להוביל לכיוונים הנדסיים מבטיחים רבים", אמרה.

טרף חמקמק

טטרהדרונים קטומים של ארכימדים (ATTs) כבר זמן רב נחשבו בין הגיאומטריות הנחשקות ביותר לייצור חומרים שיכולים בקלות לשנות שלב, אך עד לאחרונה היו מאתגרים לייצור – חזויים בסימולציות ממוחשבות ועם זאת קשה לשחזר בעולם האמיתי.

גו ממהרת לציין שהצוות שלה הוא לא הראשון שמפיק ננומטרי טטרהדרונים קטועים ארכימדיים בכמות, אבל הם בין הראשונים, אם לא הראשונים, שמשתמשים בהדפסת ננו תלת מימדית כדי לעשות זאת.

"עם הדפסת ננו תלת מימדית, אנחנו יכולים ליצור כמעט כל צורה שנרצה. אנחנו יכולים לשלוט בצורת החלקיקים בזהירות רבה", הסביר גו. "הצורה הספציפית הזו נחזה על ידי סימולציות ליצירת מבנים מעניינים מאוד. כאשר אתה יכול לארוז אותם יחד בדרכים שונות הם מייצרים תכונות פיזיקליות יקרות ערך."

ATTs יוצרים לפחות שני מבנים גיאומטריים רצויים ביותר. הראשון הוא תבנית משושה שבה הטטרהדרונים מונחים שטוחים על המצע כשקצותיהם הקטומים מצביעים כלפי מעלה כמו רכס הרים ננומטרי. השני אולי מבטיח אפילו יותר, אמר גו. זהו מבנה מעין יהלום גבישי שבו הטטרהדרונים מתחלפים בכיוונויות הפונות כלפי מעלה ומטה, כמו ביצים המונחות בקרטון ביצים. סידור היהלומים נחשב ל"גביע קדוש" בקהילת הפוטוניקה ויכול להוביל לכיוונים מדעיים חדשים ומעניינים רבים.

עם זאת, החשוב מכל, כאשר הם מהונדסים כראוי, חומרים עתידיים העשויים מחלקיקים מודפסים בתלת מימד יכולים להיות מסודרים מחדש במהירות, לעבור בקלות הלוך ושוב בין שלבים עם יישום של שדה מגנטי, זרם חשמלי, חום או שיטה הנדסית אחרת.

גו אמרה שהיא יכולה לדמיין ציפויים לפאנלים סולאריים המשתנים במהלך היום כדי למקסם את יעילות האנרגיה, סרטים הידרופוביים מהעידן החדש לכנפי מטוסים ולחלונות שמשמעותם שהם לעולם לא יערפלו או יקרח, או סוגים חדשים של זיכרון מחשב. הרשימה ממשיכה עוד ועוד.

"כרגע, אנחנו עובדים על הפיכת החלקיקים האלה למגנטים כדי לשלוט כיצד הם מתנהגים," אמרה גו על המחקר האחרון שלה שכבר בוצע באמצעות ננו-חלקיקים קטועים טטרהדרונים ארכימדיים בדרכים חדשות. "האפשרויות רק מתחילות להיבדק."

עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע, מלגת בוגר סטנפורד. DD, JK, קרן הלמן והקרן הלאומית למדע. חלק מעבודה זו בוצע במתקנים המשותפים של סטנפורד ננו, הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע, ובמתקן הדמיה של מדעי התא של סטנפורד.