MITの研究者がコロイドを直接描画してコロイド結晶を3Dプリント

MITの研究者らは、ポリマーナノ粒子などのコロイドを、結晶内の原子構造に似た高度に秩序立った配列で印刷する方法を発見した。この直接書き込みコロイド集合プロセスは、コロイド自己集合のボトムアップ原理と直接書き込み 3D 印刷の汎用性を組み合わせたプロセスであり、研究者は数十億個のコロイドから構成されるセンチメートル規模の自立型結晶を製造することができます。この技術は、光センサー、カラーディスプレイ、光伝導性電子デバイスとして使用するための自己組織化材料を拡大するために使用できます。
「各粒子をフットボールの大きさに膨らませると、フットボールを何個も集めて高層ビルの高さまで積み上げるようなものになります」と、MITの材料科学工学部の大学院生、アルビン・タン氏は、光学顕微鏡で3Dプリントされたコロイド結晶を見ながら語る。「それが、私たちがナノスケールでやっていることです。」

研究者たちはこの手法を使って、小さな塔や螺旋など、それぞれの構造内の個々の粒子のサイズに応じて特定の方法で光と相互作用するさまざまな構造を印刷しました。研究チームは、3D プリントを、ナノ結晶の新しい特性をより大規模に活用できる自己組織化材料を構築する新しい方法と捉えています。

「電子ではなく光子を操作する回路を3Dプリントできれば、電気ではなく光を操作する光コンピューティングの将来的な応用への道が開かれ、デバイスの高速化とエネルギー効率の向上が期待できる」とタン氏は語った。コロイドとは、液体または気体中に浮遊する、通常直径 1 nm から 1 μm の大きな分子または小さな粒子です。霧は空気中に拡散した煤やその他の超微粒子で構成されているため、コロイドの一般的な例です。牛乳は、水ベースの溶液に分散した液体乳脂肪球の乳化コロイドです。日常的に存在するコロイドの粒子のサイズと、溶液中に分散される方法は完全にランダムです。

均一な大きさのコロイド粒子を液体溶媒を蒸発させて集め、整然とした結晶に組み立てると、独特の光学的、化学的、機械的特性を持つ構造を作り出すことができます。これまで研究者らは、コロイド粒子を蒸発させて薄膜に組み立て、個々の粒子のサイズと配置に基づいて光をフィルタリングし色を生成するディスプレイを作成する技術を開発してきた。しかし、これまで、このようなコロイド集合体は薄膜やその他の平面構造に限られていました。

「マクロレベルの自己組織化コロイド材料を作製できることを初めて実証しました。この技術はあらゆる3D形状の構築やさまざまな材料に応用できると期待しています」と、機械工学准教授で論文の筆頭著者であるA・ジョン・ハート氏は述べた。研究者らは、2枚の加熱されたアルミニウム板の上に取り付けられたガラス製の注射器と針で構成されるカスタム3Dプリント装置を使用してこのプロセスを実行しました。針は上部のプレートの穴を通過し、下部のプレートに取り付けられた基板にコロイド溶液を分配します。

研究チームは2枚のアルミニウム板を均等に加熱し、針がコロイド溶液を吐出すると液体がゆっくりと蒸発して粒子だけが残るようにし、底板を回転させ上下に動かして構造全体の形状を操作できるようにした。「コロイド溶液が針に押し込まれると、液体は溶液内の粒子の橋渡し、つまり鋳型の役割を果たします」とMIT大学院生のジャスティン・ベロッツィ氏は言う。「粒子は液体の中を『落ちて』いき、構造を形成します。液体が蒸発すると、粒子間の表面張力によって粒子は所定の位置に留まります。」

コロイド印刷技術の最初の実証として、研究チームはポリスチレン粒子の水溶液を使用し、数センチの高さの塔や螺旋を作成した。これらの構造のそれぞれには 30 億個の粒子が含まれています。その後の実験では、ポリスチレン粒子のサイズを変えることで、特定の色を反射する塔を印刷することができました。

「これらの粒子のサイズを変えることで、構造の色は劇的に変化する」とベロズ氏は語った。「これは、粒子が周期的かつ秩序だった形で集合し、このスケールで粒子と相互作用する光の干渉によるものです。私たちは本質的に結晶を3Dプリントしているのです。」

研究チームは、独特の光学的・電子的特性を持つシリカや金のナノ粒子など、より珍しいコロイド粒子も試した。彼らは、それぞれ異なる方法で光を反射する直径200ナノメートルのシリカナノ粒子と80ナノメートルの金ナノ粒子でできた、高さ数ミリメートルの塔を印刷しました。

「導電性金属粒子から半導体量子ドットまで、私たちが扱っているさまざまな種類の粒子を使ってできることはたくさんあります」とタン氏は語った。「これらを異なる結晶構造に組み合わせ、異なる形状に形成して新しいデバイスアーキテクチャを構築することは、センシング、エネルギー貯蔵、フォトニクスなどの分野で非常に効果的になると思います。」

出典: 3Dプリンティングインテリジェンスネットワーク

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