Los materiales de nanoingeniería avanzan nuevas fronteras en tecnología

Durante las últimas dos décadas, Julia R. Está diseñado y controlado en el nivel más pequeño, lo que le da propiedades inusuales y útiles.

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Crédito: Carlos Portela

Foto caja de luz

Recientemente, el graduado de Greer Lab Carlos Portela (PhD ’19) fue nombrado para Revisión de tecnología del MIT35 innovadores menores de 35Lista en 2022 por su trabajo, en parte con Greer, sobre materiales de nanoingeniería Greer, que era el mismo Nombrado en la misma lista en 2008Y el Describir el estado y el futuro de los materiales de nanoingeniería. Anuncio de publicación de Portela. Junto con sus colegas Xiaoxing Xia (PhD 19) y Christopher Spadakini (ambos actualmente en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore), recientemente publicó una revisión en la revista templar la naturaleza Sobre cómo las propiedades de los materiales de nanoingeniería Responder a diferentes estímulos.. Hablamos con Jarir sobre la promesa de los materiales de nanoingeniería.

P: ¿Primero qué? El ¿Nanoarquitectura?

R: Los materiales de nanoingeniería, también conocidos como materiales piramidales, son una clase de materiales sólidos similares a la espuma (piense en el pan, la espuma de poliestireno y las esponjas) que se componen de muchos bloques de construcción a nanoescala organizados en estructuras tridimensionales conocidas como arquitecturas. . Cuando las estructuras son periódicas, como, por ejemplo, una celda octaédrica o una unidad cúbica se repite en 3-D para llenar el espacio, a menudo se las denomina «nanoredes» porque tienen simetrías similares a las de las redes atómicas que formar todos los cristales. Pero no tiene por qué ser periódico o simétrico; Pueden tener formas aleatorias y aun así tener propiedades inusuales. ¡Esta es una de las razones por las que son tan divertidos!

En mi grupo de investigación en Caltech, estamos descubriendo y estudiando nuevas propiedades de los materiales que pueden surgir cuando se toman bloques de construcción individuales a nanoescala, que se sintetizan a partir de una variedad de materiales sólidos, y se colocan en estructuras construidas en un nano-Lego. tipo de forma.

P: ¿Puede dar algunos ejemplos de la naturaleza de cómo la arquitectura a nanoescala de un material afecta sus propiedades?

R: ¡En absoluto! Uno de los ejemplos más obvios es el hueso. Los huesos actúan como soportes de apoyo para los órganos del cuerpo y son porosos con estructuras internas organizadas en componentes de diferentes dimensiones, desde nano hasta escala pequeña y grande, lo que les da su fuerza. Me inspiran las estructuras jerárquicas que se encuentran en la naturaleza: los patrones intrincados y repetitivos, hasta el nivel atómico, que dan fuerza a nuestros huesos sin hacerlos pesados, y que hacen que las telas de araña sean duraderas y resistentes.

P: ¿Qué le hizo interesarse inicialmente en la creación de materiales arquitectónicos?

R: Cuando estaba en la escuela de posgrado en la Universidad de Stanford, estaba estudiando las propiedades mecánicas de materiales nanométricos individuales. Sin embargo, siempre me he preguntado qué pasaría si pudiera tomar esos nanopilares individuales, como los llamamos, y literalmente construir estructuras a partir de ellos como se haría con palillos de dientes o palitos de helado. ¿Estas estructuras conservarán las propiedades de los nanopilares individuales, es decir, serán mucho más fuertes de lo esperado, dado que la dimensión más grande de ese material recién formado será solo el diámetro de esos nanopilares individuales y el resto es aire? Además, si más del 99 por ciento del casco fuera aire, ¿sería tan liviano? ¿Podemos incluso unirlos, y cómo? Estos fueron mis pensamientos sobre el «esfuerzo posterior a la adquisición» porque era muy arriesgado y asumía riesgos de investigación significativos antes de que no se recomendara el puesto.

P ¿Cómo ha cambiado el campo desde que lo ingresó por primera vez?

R: Los materiales de ingeniería realmente han avanzado en el campo de los materiales al demostrar el desacoplamiento de propiedades históricamente relacionadas. Por ejemplo, las cerámicas quebradizas pueden inevitablemente sufrir una deformación similar a la de una esponja y recuperarse si se manipulan. Las baterías, cuando se diseñan en escalas pequeñas, pueden transformarse en diferentes formas y mantener esas formas hasta que se les bombee más carga. Los avances en la fabricación aditiva hacen posible organizar componentes dentro del material a diferentes escalas, para crear estructuras que van desde un poco más grande que un átomo hasta varios milímetros de tamaño.

Cuando comenzamos a trabajar con materiales de nanoingeniería, había muy pocas técnicas de fabricación para crearlos, por lo que incluso hacer una muestra/prototipo ya era una gran hazaña. Hoy en día, los procesos de fabricación son tan avanzados con síntesis química compleja y avances en nanofabricación que realmente podemos centrarnos en estudiar e diseñar una respuesta o propiedad específica, y eso es poderoso.

P: ¿Qué desarrollos recientes le entusiasman más?

R: Una de las áreas nuevas más emocionantes de la investigación de materiales ha llevado al desarrollo de materiales arquitectónicos que pueden evolucionar en el espacio y el tiempo de acuerdo con un activador preprogramado. Hacerlo desafía la noción de que una vez que se fabrica una pieza, se graba en piedra. Los materiales de ingeniería pueden transformarse en diferentes formas y adaptarse al entorno circundante a diferentes velocidades. Se pueden hacer para exhibir diferentes propiedades mecánicas en respuesta a la aplicación de fuerza, para estimular una reacción química cambiando el pH, para liberar objetos capturados aflojando el agarre cuando aumenta la temperatura y para fallar en sitios específicos en respuesta a pre -estímulos especificados.

Al aprovechar esta respuesta integrada, los materiales del futuro pueden venir con alguna inteligencia ya programada. Estos materiales inteligentes podrán convertirse automáticamente en las formas deseadas, liberar cantidades precisas de medicamentos a pedido, autodiagnosticarse y autocurarse cuando estén dañados.

P: ¿Qué aplicaciones le interesan?

R: Estoy interesado en proporcionar materiales de nano y nano ingeniería con la capacidad de tomar decisiones en tiempo real mientras se fabrican. Por ejemplo, supongamos que fabrica una pieza específica mediante la fabricación aditiva. Durante la impresión de la pieza aparece un defecto. Imagine que la parte misma fuera capaz no sólo de percibir que contenía un defecto, sino también de juzgar si podía corregirse o no sería universalmente dañino, y continuar o abortar a su propia llamada de juicio. O imagine un filtro (para microplásticos, purificación de agua y muchas otras aplicaciones) que cambia de color o patrón cuando se satura con el agente de captura. O incluso más simple, imagine que la camisa en sí lo mantendrá fresco en California con sus arreglos de tela que son abiertos y transpirables, y cálido en Noruega al cerrar esos poros en respuesta a la temperatura. Estoy muy interesado en revelar cómo estos materiales responden a diferentes tipos de estímulos: luz, sonido, fuerza mecánica, campo magnético o eléctrico, reacción química, etc., qué significa eso, cuáles son las mejores aplicaciones de estos fenómenos y cómo podemos aprovechar estas propiedades en aplicaciones de utilidad.

P: ¿Puedes hablar un poco sobre trabajar con Carlos Portela?

R: ¡En absoluto! Carlos fue estudiante de doctorado en Jarir Group hasta hace dos años. Carlos era estudiante en MCE [mechanical and civil engineering] Departamento del Instituto de Tecnología de California. Tiene un conjunto raro de talentos, ya que es igualmente conocedor de la experiencia y la aritmética. Probablemente tengo más entusiasmo por los materiales de nanoingeniería que cualquier otra persona, pero es contagioso, y Carlos captó el gusanillo de los materiales de ingeniería bastante pronto. Su trabajo en el grupo de Greer y Kochmann (el laboratorio de Dennis M. Kochmann, ex profesor de Caltech, ahora profesor en ETH Zurich) fue una consecuencia natural de lo que nuestro grupo había estado trabajando, primero trabajando y luego estudiando la respuesta de materiales de nanoingeniería tras una perturbación lenta. Carlos trazó su propio nicho al observar más profundamente su comportamiento a tasas muy altas de deformación, como el impacto balístico, y reveló que estos materiales pueden amortiguar el impacto, lo que tiene el potencial de crear nuevos chalecos antibalas para la policía o proteger los satélites de un micro -Impacto de meteorito. Estudió muchas estructuras diferentes, la mecánica de los nudos que conectan nanoclusters individuales y los diferentes sólidos constituyentes. Descubrió varios fenómenos nuevos muy importantes que hicieron avanzar el campo en ese momento, y continúa haciéndolo ahora como profesor asistente en el MIT. ¡El mundo definitivamente podría usar algunos Carlos en todos los sentidos!

Para obtener más información, consulte el artículo de Jarir titulado «Los nanomateriales cambiarán lo que es posible. «