Neue Möglichkeiten im Energie- und Elektronikbereich: MIT entwickelt innovatives 3D-Druckverfahren „Direct-Write“ für den 3D-Druck von Kolloidstrukturen

Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeiten mit 3D-gedruckten Strukturen, die die Oberfläche von optischen und elektronischen Sensoren verändern können. Die Basis der Methode ist das Selbstorganisationsprinzip von Kolloiden.

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Logo Massachusetts Institute of TechnologyForscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) sind intensiv im Bereich der additiven Fertigung (3D-Druck) engagiert, um ständig neue Verfahren und Produkte auf den Markt zu bringen. Im März haben wir über das ColorMod 3D-Druckverfahren berichtet, bei welchem die gedruckten Objekte ihre Farbe verändern können. Im Mai folgten dann die Ergebnisse aus den Forschungen zwischen dem MIT Self Assembly Lab und BMW, welche gemeinsames ein aufblasbares 3D-Druckmaterial für Fahrzeuginnernräume entwickelten.

Revolutionärer 3D-Druck im Nanobereich

Kolloide sind Teilchen, die zwischen 1 nm und 1 μm breit sind. Beim neuen Verfahren werden Milliarden von Polystyrol-Kolloiden zu Strukturen verschmolzen, die vom MIT-Team vorprogrammiert wurden. Wenn man Kolloide zu verschiedenen Kristallstrukturen kombiniert und in anderen Geometrien gestaltet, könnten sie im Energie- oder Elektronikbereich sehr wirksam sein.

Typischerweise werden Kolloide in Gas oder Flüssigkeit suspendiert gefunden. Zudem ist Milch auch ein häufiges Beispiel dafür, da es aus mikroskopisch kleinen Butterfettkügelchen zusammengesetzt ist, die in einer Wasserbasislösung suspendiert sind. Der Prozess der Selbstorganisation von Kolloiden tritt auf, wenn Partikel im Gas oder Flüssigkeit mit einem anderen Partikel in Kontakt kommen und verschmelzen, um so gemeinsam einen größeren, neuen Feststoff zu bilden.

Grafische Darstellung des Verfahrens
Forscher können ganz neue Materialien mit neuen Eigenschaften herstellen, die mit herkömmlichen Prozessen nicht produzierbar sind (Bild © Alvin Tan).

Wie in einer Pressemitteilung des MIT berichtet wird, ermöglicht es dieser Prozess den Wissenschaftlern, die Materialstruktur von Grund auf zu programmieren. Forscher können ganz neue Materialien mit neuen Eigenschaften herstellen, die mit herkömmlichen Chemieprozessen nicht produzierbar sind. Jetzt wurde die Selbstorganisation von Kolloiden mit 3D-Druck verglichen, da durch Schichten mehrere Kolloide in einer neuen festen Struktur aufgebaut werden können.

3D-gedruckte Kristalle aus Kolloiden

Das sogenannte „Direct-Write“-3D-Druckverfahren wird am MIT angewendet, um die Kolloidenform zu bestimmen. Für das Verfahren wird eine maßgefertigte Vorrichtung verwendet, wobei über zwei Aluminiumplatten eine Nadel angeordnet wird, die das Druckbett bildet. In der Studie wurden insgesamt drei verschiedene Kolloidtinten auf Basis von Wasser getestet: eine mit Gold, eine mit Siliciumdioxid und eine mit Polystyrolpartikeln. Diese Tinten wurden auf die Aluminiumplatten durch die Nadel extrudiert.

3D-Druck Kolloidstruktur
Den Forschern ist es durch die Änderung der Partikelgröße sowie Lichtinterferenz gelungen, Strukturen zu erschaffen, die diverse Farben reflektieren (Bild © Alvin Tan).

Sobald die Aluminiumplatten erhitzt werden, zerstreut sich der Tintenwassergehalt und hinterlässt nur Kolloide zurück, die miteinander zu einer Struktur verschmelzen. Außerdem wird die Bauplatte unter der Nadel bewegt, um so aus der Tinte eine demonstrative Helixstruktur zu erzeugen. Den Forschern ist es durch die Änderung der Partikelgröße sowie Lichtinterferenz gelungen, Strukturen zu erschaffen, die diverse Farben reflektieren. Das Forscherteam hat die Resultate seiner Arbeit in der Zeitschrift Advanced Materials unter dem Namen “Direct‐Write Freeform Colloidal Assembly” veröffentlicht. Mit unserem Newsletter bleiben Sie über diese und alle zukünftig neu entwickelten 3D-Druckverfahren auf dem Laufenden (hier abonnieren).

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