Nature サブジャーナル: スタンフォード大学の研究者がナノ粒子を 3D プリントし、形状変化材料の新たな可能性を実現

2024年3月27日、アンタークティックベアは、スタンフォード大学の研究チームが3Dナノプリント技術を使用して、最も有望な形状の1つであるアルキメデスの切頂四面体（上部が切り取られたミクロンサイズの四面体）を作成したことを知りました。
関連研究は、「準2D閉じ込め下での切断四面体微粒子の相転移の直接観察」と題する論文として、Nature Communications誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x
論文の中で、グー氏と共著者らは、こうした難しいナノ粒子を何万個もナノプリントし、それを溶液に混ぜ、それらが自己組織化してさまざまな有望な結晶構造を形成する様子を観察した方法について述べている。さらに、これらの材料は、粒子を新しい幾何学的パターンに再配置するだけで、わずか数分で状態を切り替えることができます。
材料技術者が変形特性と呼ぶ「相」を変えるこの能力は、鉄を焼き入れ鋼に変える原子の再配置や、コンピューターが数テラバイトの貴重なデータをデジタル形式で保存できるようにする材料に似ています。「アルキメデスの切頂四面体でできた材料の位相シフトを制御する方法を学ぶことができれば、多くの有望な工学的方向性につながる可能性がある」と彼女は語った。
△切頂四面体の光学像。反位相境界で 2 つの大きな六角形の粒子を形成し (左)、反位相境界から擬似ダイヤモンド相に変化します (右)。スケールバーは25μmです。 (画像提供: David Doan および John Kulikowski)
とらえどころのないナノ粒子
ナノマテリアルにおいては、形状が運命を左右します。つまり、材料内の粒子の形状によって、結果として得られる材料の物理的特性が決まります。アルキメデスの切頂四面体 (ATT) は、簡単に相変化できる材料を製造するための最も理想的な形状の 1 つであると長い間考えられてきましたが、最近までその製造は困難であり、コンピューターシミュレーションでは予測できても現実世界で再現するのは困難でした。
△複数の六角形粒子を形成する切頂四面体の光学画像（上）。結合順序解析では、異なる六角形の粒子が異なる色で表示されます (下)。同じ色の隣接する四面体は、同じ粒子方向を持つことを示します。スケールバーは20μmです。 (画像提供: David Doan および John Kulikowski)
グー氏のチームはナノスケールのアルキメデスの四面体を大量生産した最初のチームではないが、3Dナノプリンティング技術を使用して大量生産した最初のチームである。「3Dナノプリンティングを使えば、ほぼどんな形も作ることができます」とグー氏は説明する。「粒子の形を非常に注意深く制御できます。シミュレーションでは、この特定の形状が非常に興味深い構造を形成することが予測されました。さまざまな方法でそれらをまとめることができれば、興味深い物理的特性を持つことができます。」
ATT は少なくとも 2 つの非常に望ましい形状を形成します。 1 つ目は、四面体が基板上に平らに並び、その先端が上を向いている六角形のパターンで、ナノスケールの山脈のように見えます。グー氏は、2番目の可能性の方が有望だと述べた。これは、卵パック内の卵のように、四面体が上向きと下向きに交互に配列された結晶の準ダイヤモンド構造です。ダイヤモンドアレイはフォトニクスの「聖杯」と考えられており、多くの新しく興味深い科学的方向性につながる可能性があります。
複数の準ダイヤモンド粒子を形成する切頂四面体の共焦点画像 (左)。異なる擬似ダイヤモンド粒子を交互に色分けして示す結合順序解析（右）。隣接する四面体が交互に色を変えている場合（青と赤/茶色、または濃い青と黄色など）、それらの粒子の方向が同じであることを示します。スケールバーは20μmです。 (画像提供: David Doan および John Kulikowski)
しかし、最も重要なのは、適切に設計されていれば、3D プリントされた粒子から作られた将来の材料は、磁場、電流、熱、またはその他の工学的手法を適用することで、簡単に相間を切り替えることができ、素早く再配置できるということです。
顧氏は、エネルギー効率を最大化するために一日を通して変化する太陽光パネルのコーティング、曇ったり凍ったりしない飛行機の翼や窓用の新世代の疎水性フィルム、あるいは新しいタイプのコンピューターメモリなどを想像できると語った。このような例は無数にあります。
「現在、私たちはこれらの粒子を磁性化してその挙動を制御する研究を行っており、その可能性の探究は始まったばかりです」とグー氏は最新の研究について語った。同研究では、すでにアルキメデスの切頂四面体ナノ粒子を新たな方法で使用している。
この研究の他の共著者は、博士課程の学生であるデイビッド・ドアンとジョン・クリコウスキーです。 Gu 氏は Stanford Bio-X のメンバーでもあります。
この研究は、国立科学財団とスタンフォード大学大学院研究フェローシップの資金提供を受けて行われました。 DD、JK、ヘルマン財団、国立科学財団。この研究の一部は、スタンフォードナノシェアファシリティとスタンフォードセルサイエンスイメージングファシリティで実施されました。両施設とも国立科学財団の支援を受けています。

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