I de siste to tiårene har Julia R. Greer, Ruben F. og Donna Mettler professor i materialvitenskap, mekanikk og medisinsk ingeniørfag og direktør for Fletcher Jones Foundation ved Kavli Nanoscience Institute vært i forkant fra etableringen av nye materialer hvis strukturer er designet og kontrollert på det minste nivået, noe som gir dem uvanlige og nyttige egenskaper.

Carlos Portela

Kreditt: Carlos Portela

Bildeviser

Nylig ble Greer Lab-alumnus Carlos Portela (PhD ’19) utnevnt til MIT Technology Reviewsin «35 innovatører under 35liste i 2022 for hennes arbeid, delvis med Greer, om nanoarkitektoniske materialer. Greer, som var seg selv oppført på samme liste i 2008, beskriver tilstanden og fremtiden til nano-konstruerte materialer kunngjøringen av publikasjonen på Portela. Sammen med kollegene Xiaoxing Xia (PhD ’19) og Christopher Spadaccini (begge for tiden ved Lawrence Livermore National Laboratory), publiserte hun også nylig en anmeldelse i tidsskriftet Natur om hvordan egenskapene til nanostrukturerte materialer reagere på ulike stimuli. Vi snakket med Greer om løftet om nano-arkitekterte materialer.

Spørsmål: Først av alt, hva er et nanostrukturert materiale?

A: Nanoarkitekturerte materialer, også kjent som hierarkiske materialer, er en klasse av skumlignende faste stoffer (tenk brød, polystyren, svamp) som er sammensatt av mange nanoskala byggeklosser og organisert i 3D-strukturer kalt arkitekturer. Når arkitekturene er periodiske, som for eksempel for en oktaedrisk eller kubisk enhetscelle som gjentar seg i 3D for å fylle rommet, kalles de ofte «nanogitter» fordi de har symmetrier som ligner på gitteratomer som utgjør alle krystaller. Men de trenger ikke å være periodiske eller symmetriske; de kan ha vilkårlige former samtidig som de har uvanlige egenskaper. Dette er en av grunnene til at de er så interessante!

I min forskningsgruppe ved Caltech oppdager og studerer vi nye egenskaper til materialer som kan dukke opp når du tar deres individuelle nanoskala byggeklosser, syntetisert fra en rekke faste stoffer, og plasserer dem i arkitekturer bygget på en nano-Lego-måte.

Spørsmål: Kan du gi eksempler fra naturen på hvordan nanoskalaarkitekturen til et materiale påvirker dets egenskaper?

A: Absolutt! Et mest bemerkelsesverdig eksempel er bein. Bein fungerer som støtteben for kroppsorganer og er porøse med indre strukturer organisert i komponenter av forskjellige dimensjoner, fra nano til mikro til makroskala, som gir dem deres styrke. Jeg er inspirert av de hierarkiske konstruksjonene som finnes i naturen: de komplekse og repeterende mønstrene, ned til atomnivå, som gir styrke til beinene våre uten å tynge dem ned, og som gjør edderkoppnettet både slitesterkt og fleksibelt. .

Spørsmål: Hva fikk deg først interessert i å lage arkitektoniske materialer?

A: Da jeg gikk på forskerskolen på Stanford, studerte jeg de mekaniske egenskapene til individuelle nanoskalamaterialer. Innerst inne har jeg imidlertid alltid lurt på hva om jeg kunne ta disse individuelle nano-søylene, som vi kalte dem, og bokstavelig talt bygge strukturer ut av dem som du ville gjort med tannpirkere eller pinner. Ville disse strukturene beholde egenskapene til de individuelle nano-søylene, det vil si at de ville være mye sterkere enn forventet, siden den største dimensjonen av dette nydannede materialet bare ville være diameteren til disse individuelle nano-søylene og resten er luft? Dessuten, hvis mer enn 99 % av strukturen var luft, ville de være ekstremt lette? Kan vi til og med koble dem sammen, og hvordan? Dette var mine tanker om «aktiviteter etter ansettelse» fordi de var risikable og det er generelt ikke tilrådelig å ta store forskningsrisikoer før ansettelse.

Sp. Hvordan har domenet endret seg siden du først skrev inn det?

A: Arkitekterte materialer har virkelig forbedret materialfeltet ved å demonstrere frakoblingen av historisk relaterte egenskaper. For eksempel kan keramikk som er uunngåelig sprøtt oppleve svampaktig deformasjon og gjenoppretting hvis det bygges. Batterier, når de er utformet i liten skala, kan forvandles til forskjellige former og opprettholde disse formene til mer ladning injiseres i dem. Fremskritt i additiv produksjon gjør at komponenter av et materiale kan ordnes i forskjellige skalaer, for å skape strukturer som strekker seg fra litt større enn et atom til flere millimeter i størrelse.

Da vi begynte å jobbe med nanoarkitekturerte materialer, var det svært få fabrikasjonsteknikker for å lage dem, så selv å lage en prøve/prototype var allerede en stor prestasjon. I dag har produksjonsprosesser blitt så avanserte ved å bruke komplekse fremskritt innen kjemisk syntese og nanofabrikasjon at vi virkelig kan fokusere på å studere og konstruere en bestemt respons eller egenskap, og c er stimulerende.

Spørsmål: Hvilke nye fremskritt er du mest begeistret for?

A: Et av de mest spennende nye områdene innen materialforskning har ført til utviklingen av arkitektoniske materialer som kan utvikle seg i rom og tid i henhold til en forhåndsprogrammert trigger. Å gjøre dette utfordrer ideen om at når en del er laget, er den støpt i stein. Arkitekterte materialer kan ha forskjellige former og tilpasse seg miljøet i forskjellige hastigheter. De kan utformes for å vise forskjellige mekaniske egenskaper som svar på påført kraft, indusere kjemisk reaktivitet ved å endre pH, frigjøre fangede gjenstander ved å slippe håndtakene når de er varmere, og svikte på utpekte steder som svar på forhåndsdefinerte triggere.

Ved å stole på denne innebygde responsen, kan fremtidens materialer bli utstyrt med en viss intelligens som allerede er programmert. Disse smarte materialene kan automatisk forvandle seg til ønskede former, frigjøre nøyaktige mengder medikamenter på kommando, og selvdiagnostisere og selvhelbredende. når skadet.

Spørsmål: Hvilke apper er du interessert i?

A: Jeg ønsker å gi nano- og mikrostrukturerte materialer muligheten til å ta sanntidsbeslutninger etter hvert som de blir tatt. Anta for eksempel at du produserer en bestemt del ved hjelp av additiv produksjon. Når delen skrives ut, utvikler den en defekt. Tenk deg at mynten i seg selv ikke bare er i stand til å gjenkjenne at den inneholder en defekt, men å bedømme om den kan korrigeres eller om den ikke ville være skadelig på global skala, og fortsette eller avbryte i henhold til hans egen vurdering. Eller forestill deg et filter (for mikroplast, vannrensing og mange andre bruksområder) som endrer farge eller mønster når det er mettet med det fangede midlet. Eller enda enklere, forestill deg den samme skjorten som holder deg kjølig i California med sine åpne, porøse tekstilarrangementer, og varm i Norge ved å lukke disse porene som svar på temperaturen. Jeg er veldig interessert i å finne ut hvordan disse materialene reagerer på ulike typer stimuli – lys, lyd, mekanisk kraft, magnetisk eller elektrisk felt, kjemisk reaksjon osv., hva innebærer dette, hvilke applikasjoner som er best egnet for disse fenomenene og hvordan vi kan utnytte disse egenskapene i nyttige applikasjoner.

Spørsmål: Kan du fortelle oss litt om arbeidet ditt med Carlos Portela?

A: Absolutt! Carlos var doktorgradsstudent i Greer-gruppen inntil for noen år siden. Carlos var student ved MCE [mechanical and civil engineering] Caltech avdeling; han besitter en sjelden kombinasjon av talenter da han også er bevandret i eksperimenter og beregninger. Jeg har nok mer entusiasme for feltet av nano-konstruerte materialer enn noen andre, men det er smittsomt, og Carlos fanget tidlig på viruset. Arbeidet hans i Greer- og Kochmann-gruppene (laboratoriet til Dennis M. Kochmann, tidligere professor ved Caltech, nå professor ved ETH Zürich) var en naturlig konsekvens av det gruppen vår jobbet med, først skapte og deretter studerte responsen til nanostrukturert materialer når de forstyrres sakte. Carlos har skåret ut sin egen nisje ved å se dypere på oppførselen deres ved svært høye deformasjonshastigheter, for eksempel ved ballistisk støt, og oppdaget at disse materialene kan dempe støt, noe som har potensial til å skape nye skuddsikre vester for politiet eller å beskytte satellitter fra nedslag av mikrometeoritter. Han studerte mange forskjellige arkitekturer, mekanikken til nodene som forbinder de individuelle nanoblokkene og forskjellige faste stoffer. Han oppdaget flere svært viktige nye fenomener som avanserte feltet i løpet av denne tiden, og han fortsetter å gjøre det nå som assisterende professor ved MIT. Verden kan definitivt bruke noen flere Carloses over alt!

For mer informasjon, se Greers artikkel med tittelen «Materialer med komponenter i nanoskala vil endre det som er mulig.»