US-Forscher ebnen Weg für „neue Materialklasse“ mit 3D-druckbaren Nanokomponenten

Wissenschaftler der University of California, von Santa Barbara und der University of Hawaii in Mānoa haben die möglichen Anwendungen von 3D-bedruckbaren Nanokompositmaterialien untersucht.

In der in Science veröffentlichten Studie “Bridging functional nanocomposites to robust macroscale devices” heißt es: “An der Schnittstelle der nach außen hin unterschiedlichen Bereiche der Nanopartikelwissenschaft und des 3D-Drucks liegt das Versprechen revolutionärer neuer” Nanokomposit “-Materialien.”

“Aufkommende Phänomene, die von den nanoskaligen Bestandteilen herrühren, ebnen den Weg für eine neue Klasse transformativer Materialien mit codierter Funktionalität, die durch neue Kopplungen zwischen elektrischen, optischen, transportbedingten und mechanischen Eigenschaften verstärkt werden.”

Die Forscher stellen fest, dass die Nanopartikelsynthese sowie die Anordnung und Strukturierung in mehreren Größenordnungen das Design geordneter Nanokomposite erleichtern und neue makroskalige Geräte für abstimmbare intelligente Fenster, flexible Energiespeicher und tragbare Sensoren ermöglichen.

Nanokomposite werden als Hybridmaterialien klassifiziert, die aus einer Mischung von Polymeren bestehen. Solche Materialien weisen verbesserte thermoelektrische und optische Eigenschaften auf, wodurch sie für eine Reihe von elektrischen Geräten geeignet sind. Frühere Studien haben das Potenzial für intelligente Stoffe sowie für die Herstellung mehrfarbiger Additive aufgezeigt.

Nach Angaben des Teams von UC Santa Barbara und UH Mānoa liegen die verbleibenden wissenschaftlichen Herausforderungen für Nanokompositmaterialien in der Anordnung oder Kontrolle von Partikeln im Nanomaßstab mit vorgeschriebener Form. Die begrenzten Wege, die zur Synthese und Strukturierung derartiger Materialien über Längenskalen verwendet werden, sind für Bauelemente erforderlich, wodurch deren Entwicklung behindert wird. In der Studie heißt es:

„Der Einsatz von geordneten Nanokompositen in solchen Anwendungen wurde in der Vergangenheit behindert. Gleichzeitig haben „Top-Down“ -Montageansätze, die Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie nutzen, Brücken von der Makroskala bis zur Nanoskala geschlagen. Die direkte Abscheidung von Nanokompositen wurde demonstriert und bietet klare Wege für die Strukturierung und Integration von funktionellen Nanokompositen.“

Die Möglichkeit, Nanokomposite zu strukturieren und durch additive Fertigung in andere Materialien zu integrieren, soll kritische Wege zur Charakterisierung von Strukturen ermöglichen. Nach Ansicht der Forscher hängen “erfolgreiche Ergebnisse bei der Materialentwicklung vom nanoskaligen Baustein ab”. Dieser Zustand beinhaltet die gezielte Synthese von kolloidalen Nanokristallen (NCs) oder kristallinen Nanopartikeln.

Der Studie zufolge ermöglichte die durch diese Synthese hergestellte Kontrolle extrem enge Größenverteilungen sowie eine umfangreiche Formbibliothek über Kugeln, Stäbe und Polyeder hinaus bis hin zu komplexen verzweigten Strukturen wie Octapoden.

Infolgedessen können Bauelemente wie Nanostäbe hergestellt werden, die ein einstellbares Verhalten für Anwendungen wie intelligente Fenster aufweisen, bei denen sich die Lichtübertragungseigenschaften ändern, wenn Spannung, Licht oder Wärme angelegt werden.