Insinyur material Stanford telah memanfaatkan pencetakan 3D untuk membuat puluhan ribu nanopartikel yang sulit diproduksi, yang diharapkan dapat mengarah pada pengembangan material baru yang mampu mengubah bentuknya secara instan.
Dalam material nano, bentuk adalah takdir. Artinya, geometri partikel dalam material menentukan karakteristik fisik material yang dihasilkan.
“Kristal yang terbuat dari bantalan bola nano akan tersusun secara berbeda dibandingkan kristal yang terbuat dari dadu nano dan susunan ini akan menghasilkan sifat fisik yang sangat berbeda,” kata Wendy Gu, asisten profesor teknik mesin di Universitas Stanford, saat memperkenalkan makalah terbarunya. yang muncul di jurnal Komunikasi Alam. “Kami telah menggunakan teknik pencetakan nano 3D untuk menghasilkan salah satu bentuk yang paling menjanjikan – tetrahedron terpotong Archimedean. Mereka adalah tetrahedron berskala mikron yang ujungnya terpotong.”
Dalam makalah tersebut, Gu dan rekan penulisnya menjelaskan bagaimana mereka mencetak nanopartikel dari puluhan ribu nanopartikel yang menantang ini, mengaduknya menjadi sebuah larutan, dan kemudian menyaksikan mereka berkumpul menjadi berbagai struktur kristal yang menjanjikan. Lebih penting lagi, bahan-bahan ini dapat berpindah antar keadaan dalam hitungan menit hanya dengan mengatur ulang partikel-partikelnya menjadi pola geometris baru.
Kemampuan untuk mengubah “fase”, seperti yang dirujuk oleh para insinyur material pada kualitas perubahan bentuk, mirip dengan penataan ulang atom yang mengubah besi menjadi baja yang ditempa, atau pada material yang memungkinkan komputer menyimpan terabyte data berharga dalam bentuk digital.
“Jika kita bisa belajar mengendalikan pergeseran fasa pada material yang terbuat dari tetrahedron terpotong Archimedean ini, hal ini dapat menghasilkan banyak arah teknik yang menjanjikan,” katanya.
Korban yang sulit ditangkap
Tetrahedron terpotong Archimedean (ATT) telah lama diteorikan sebagai salah satu geometri yang paling diinginkan untuk menghasilkan material yang dapat dengan mudah mengubah fase, namun hingga saat ini sulit untuk dibuat – diprediksi dalam simulasi komputer namun sulit untuk direproduksi di dunia nyata.
Gu dengan cepat menunjukkan bahwa timnya bukanlah yang pertama melakukan produksi skala nano Tetrahedron terpotong Archimedean dalam jumlah banyak, tetapi mereka termasuk yang pertama, jika bukan yang pertama, yang menggunakan pencetakan nano 3D untuk melakukannya.
“Dengan pencetakan nano 3D, kita dapat membuat hampir semua bentuk yang kita inginkan. Kami dapat mengontrol bentuk partikel dengan sangat hati-hati,” jelas Gu. “Bentuk khusus ini telah diprediksi melalui simulasi untuk membentuk struktur yang sangat menarik. Ketika Anda dapat mengemasnya dengan berbagai cara, mereka akan menghasilkan sifat fisik yang berharga.”
ATT membentuk setidaknya dua struktur geometris yang sangat diinginkan. Yang pertama adalah pola heksagonal di mana tetrahedron bertumpu rata pada substrat dengan ujung terpotongnya mengarah ke atas seperti pegunungan berskala nano. Yang kedua mungkin lebih menjanjikan, kata Gu. Ini adalah struktur kristal kuasi-berlian di mana tetrahedron bergantian dalam orientasi menghadap ke atas dan ke bawah, seperti telur yang diletakkan di dalam karton telur. Susunan berlian dianggap sebagai “Cawan Suci” dalam komunitas fotonik dan dapat mengarah pada banyak arah ilmiah baru dan menarik.
Namun yang paling penting, jika direkayasa dengan benar, material masa depan yang terbuat dari partikel cetakan 3D dapat disusun ulang dengan cepat, dengan mudah berpindah antar fase dengan penerapan medan magnet, arus listrik, panas, atau metode rekayasa lainnya.
Gu mengatakan dia bisa membayangkan lapisan panel surya yang berubah sepanjang hari untuk memaksimalkan efisiensi energi, film hidrofobik zaman baru untuk sayap dan jendela pesawat yang berarti tidak pernah berkabut atau membeku, atau memori komputer jenis baru. Daftarnya terus bertambah.
“Saat ini, kami sedang berupaya membuat partikel-partikel ini bersifat magnetis untuk mengontrol perilakunya,” kata Gu tentang penelitian terbarunya yang sedang berlangsung menggunakan nanopartikel tetrahedron terpotong Archimedean dengan cara baru. “Kemungkinannya baru mulai dieksplorasi.”
Referensi: “Pengamatan langsung transisi fase pada mikropartikel tetrahedral terpotong dalam kurungan kuasi-2D” oleh David Doan, John Kulikowski, dan X. Wendy Gu, 25 Maret 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-46230-x
Pekerjaan ini didanai oleh National Science Foundation, Stanford Graduate Fellowship. DD, JK, Hellman Foundation, dan National Science Foundation. Sebagian dari pekerjaan ini dilakukan di Stanford Nano Shared Facilities, yang didukung oleh National Science Foundation, dan di Stanford Cell Sciences Imaging Facility.
